石英中杂质矿物赋存状态及纯化研究

雷绍民，林　敏，裴振宇，王恩文，2，臧芳芳，熊　康

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.安顺学院航空电子电器与信息网络贵州省高校工程技术研究中心，贵州 安顺 561000)

石英中杂质矿物赋存状态及纯化研究

雷绍民1，林敏1，裴振宇1，王恩文1，2，臧芳芳1，熊康1

(1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北 武汉 430070；2.安顺学院航空电子电器与信息网络贵州省高校工程技术研究中心，贵州 安顺 561000)

摘要：利用光学显微镜、电子探针、电感耦合等离子发射光谱等测试手段，对江苏某公司块状石英进行了杂质矿物赋存状态及分离纯化研究。结果表明：赋存于石英中杂质元素主要为Al、Na、Ca、Fe、Li、K、Ti；杂质矿物多为原生矿物包裹体，且主要以小于20μm的岩盐和小于120μm的白云母形式赋存于石英晶体界面间。其中Na主要以岩盐形式存在；元素F、Mg、K、Ti、Mn、Fe、Al主要赋存在白云母中，尚有一部分元素Al以类质同象形式取代石英晶格中的元素Si；元素Ca和部分S以氧化物的形式存在；Ba和另一部分S赋存在重晶石中；Cu、Zn共生形成氧化矿。经焙烧，水淬，碱浸出和混合酸浸出，可分离纯化制备出99.991wt%的高纯石英。

关键词：杂质矿物；赋存状态；分离纯化；高纯石英

石英在现代科学和技术领域显示出越来越重要的作用，其矿物学研究对于了解杂质矿物特性和选择分离石英的工艺均至关重要[1-2]。研究矿样来自某石英科技有限公司，呈无色透明至半透明状，玻璃光泽，断口油脂光泽，莫氏硬度7，密度2.4g·cm3左右。有代表性地选择石英矿样切片并磨制光学薄片和探针片[3-5]，通过光学显微镜，电感耦合等离子发射光谱(ICP)和电子探针(EMPA-SEI、EDS)分析，本文查明了石英中杂质元素含量，杂质矿物的种类和分布状态以及石英中微细包裹体的种类和分布规率[6-7]，并依据矿物学研究设计了合理的试验方案，为制备高纯石英砂提供了参考与指导。

1杂质矿物赋存状态

1.1偏光显微镜鉴定

采用的光学显微镜为德国莱卡公司透/反两用偏光显微镜DMLP[8]。块状石英偏光显微镜照片见图1。偏光显微镜下观察发现：该石英无色透明，颗粒为细粒半自形晶，基本呈六角棱柱形状(图1(a))；裂理发育呈交叉状结构(图1(b))，裂隙中基本无杂质矿物赋存。石英颗粒在正交镜下呈平行消光。微小包裹体广泛性存在，气液包裹体呈条带状分布[9-11](图1(c))，这些矿物是石英在结晶过程中从周围的流体介质中捕获的。偏光镜下矿物包裹体主要可见盐类矿物(图1(d))，云母(图1(e))，含铁矿物(图1(f))。

1.2电感耦合等离子光谱分析

采用美国珀金埃尔默公司Optima 4300DV 型全谱直读电感耦合等离子发射光谱仪[12](ICP)进行化学成分分析，石英原矿杂质元素分析结果(μg·g-1)见表1。

图1　块状石英偏光显微镜图像

由表1可看出，石英原矿主要杂质元素为Al、Na、Ca、Fe、K、Li、Ti，金属杂质含量合计114.393μg·g-1，其中Al元素占34.21%，Na元素占19.86%，石英纯度达到99.988 wt%。

1.3电子探针分析

采用日本电子株式会社JXA-8230 型电子探针(EMPA-SEI、EDS)分析仪对块状石英和赋存于石英中的矿物包裹体进行电子探针微区能谱分析。

1.3.1主要杂质矿物EMPA-SEI、EDS分析

块状石英中岩盐及云母类矿EMPA-SEI、EDS分析见图2，表2是对图2的解释。

1.3.2其他杂质矿物EMPA-SEI、EDS

其他杂质矿物EMPA-SEI、EDS分析见图3，表3是对图3的解释。

表1　ICP多元素分析结果/(μg·g-1)

表2　岩盐及云母类矿物电子探针杂质元素分析

图2　块状石英中岩盐及云母类矿物EMPA-SEI、EDS分析图谱

图片编号矿物赋存杂质元素图3(a)钙质、硫质氧化物Ca、S图3(b)铜、锌氧化矿Cu、Zn图3(c)重晶石Ba、S

1.3.3石英裂隙充填物EMPA-SEI、EDS分析

一般而言，往往沿石英裂隙充填各类杂质矿物。因此对样品裂隙充填物也进行了EMPA-SEI、EDS分析，裂隙充填物EMPA-SEI、EDS分析图谱见图4。由图4可见石英裂隙中未见充填矿物，也未发现次生包裹体，石英中矿物包裹体[13]多是原生包裹体。

1.3.4元素Al面扫描

对石英下游用户而言，元素Al是主要的有害元素，研究元素Al的面分布状况，对石英的纯化及其表征极其重要。元素Al面扫描图像见图5。

元素Al的面扫描显示，视域中Al元素分布广泛，主要分布在石英的晶格中。

由上述各图、表分析可知：Na主要赋存在岩盐中，F、Mg、K、Mn、Ti、Fe和部分Al赋存在白云母中，还有部分Al以类质同象的形式存在于石英晶格中，Ca、S基本以氧化物的形式存在，偶见微量重晶石和铜锌氧化矿，石英裂隙中未见杂质矿物充填。

2石英纯化试验

依据矿物学研究结果和前人所做工作[14-16]，石英纯化采用热压碱浸出、酸浸出工艺除去白云母、岩盐等杂质矿物。试验中取粒度为212～106μm精制石英砂，在900℃下焙烧5h，水淬；再在220℃、一定压力下，先用12wt%的碱(NaOH)浸出；充分洗涤、干燥，在200℃、一定压力下用混合酸(盐酸3mol·L-1、硝酸1mol·L-1、氢氟酸0.5mol·L-1)浸出；去离子水充分洗涤、干燥。表4为浸出前后杂质元素的ICP测试结果，由表可知试验可将SiO2含量为99.988 wt%石英砂制备成含量达99.991 wt%的高纯石英砂。

图3　块状石英中其他杂质矿物EMPA-SEI、EDS分析图谱(Cr为制片抛光粉所致，下同)

图4　石英裂隙充填物EMPA-SEI、EDS分析图谱

元素AlFeCaNaTiKLi其他合计浸出前39.1313.4018.9422.721.4125.6739.1633.955114.393浸出后36.458.43413.8117.611.0455.0444.8133.11990.328去除率/%6.8537.0627.0922.4925.9911.0947.4721.1421.04

3结论

采用光学显微镜、电感耦合等离子发射光谱、电子探针对块状石英样品进行了分析，得出如下结论。

1)该石英中杂质元素主要为Al、Na、Ca、Fe、Li、K、Ti；金属杂质总量为114.393 μg·g-1，其中(μg·g-1)：Al 39.13，Na 22.72，Ca 18.94，Fe13.40，Li 9.163，K 5.673，Ti 1.412；石英裂隙中未见杂质矿物，包裹体多属原生子矿物包裹体和气-液包裹体，具有粒度小、数量多、分布广等特点。矿物包裹体主要为20μm以下的岩盐，120μm以下的白云母。

(左右两图点对点一一对应，右图亮点代表在左图对应位置的元素Al；为示意清晰，右图亮点亮度有所加强) 图5　元素Al面扫描图像

2)石英杂质元素中：Al主要赋存于云母类矿物中，部分Al以类质同象的形式存在于石英晶格中。此外白云母中还有元素Fe、K、Ti、Mn和F的存在；Na主要以NaCl的形式存在于岩盐中，少量存在于白云母中，少量的K以KCl的形式与NaCl伴生；Ca和部分S都以氧化物的形式存在；Ba和部分S赋存于重晶石中；Cu、Zn以氧化矿的形式微量存在于石英中。

3)为保证石英工业粒度，嵌布于石英中细粒原生包裹体未实现单体解离的情况下，采用焙烧，水淬，氢氧化钠碱浸，混合酸酸浸，可制备成99.991wt%的高纯石英砂，杂质金属元素含量(μg·g-1)为90.328，其中Al 36.45，Na 17.61，Ca 13.81，Fe 8.434，Li 4.813，K 5.044，Ti 1.045，相对于精制石英砂，杂质金属总去除率达到21.04%。

4讨论

石英中Al元素的去除率只有6.85%，去除效果并不理想，赋存在原生微细粒云母类矿物中的Al可能是导致这个结果的原因，这也是我们今后将持续关注的科研问题之一。

参考文献

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Occurrence and removal of mineral impurities in quartz

LEI Shao-min1，LIN Min1，PEI Zhen-yu1，WANG En-wen1，2，ZANG Fang-fang1，XIONG Kang1

(1.School of Resources and Environmental Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China；2.Engneering Center of Avionics Electrical and Information Network of Guizhou Province Colleges and Universities，Anshun University，Anshun 561000，China)

Abstract:The occurrence of mineral impurities and separating purification of massive quartz were investigated for a company of Jiangsu province in China with the optical microscopy，electron microprobe(EMPA-SEI、EDS) and inductively coupled plasma spectroscopy (ICP).The research results show that impurity elements are mainly Al，Na，Ca，Fe，Li，K and Ti.The mineral inclusions are mostly primary which occurred within halite for less than 20μm and muscovite for less than 120μm in the interface of quartz crystal.The elements Na existed in form of NaCl ，F，Mg，K，Ti，Mn，and Fe and part of Al occurred within the muscovite.Meanwhile，part of element Al substituted for Si with the isomorphism in the quartz lattice.The elements Ca and part of S existed in oxide.The elements Ba and the rest of S occurred within the barite，The elements Cu with Zn paragenesised into an oxide mineral.During these processing of separation and purification such as roasting，water quenching and alkali leaching and mixed acid leaching，99.991wt% high purity quartz was prepared.

Key words：impurity mineral；occurrences；separation and purification；high purity quartz

收稿日期：2015-10-30

基金项目：安顺学院航空电子电器与信息网络贵州省高校工程技术研究中心开放基金资助(编号：HKDZ201404)

作者简介：雷绍民(1953-),男，湖北大悟人，武汉理工大学资源与环境工程学院教授、博士生导师、工学博士，主要从事非金属矿物深加工、矿物材料研究。E-mail：shmlei@163.com。 通讯作者：林敏(1993-)，男，湖北大冶人，硕士研究生，从事石英矿物学及提纯研究。E-mail: 994690230@qq.com。

中图分类号：TD912；TD97

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)06-0079-05