湖北某石英矿提纯试验研究

周 鹏 高惠民 任子杰

（1.武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉430070；2.矿物资源加工与环境湖北省重点实验室，湖北武汉430070）

石英是由石英砂岩、长石和石英岩等在自然界中风化和分解而来，其化学式为SiO2，多呈透明或者半透明状［1，2］。石英矿中主要杂质元素为铝和铁，一般存在于长石、云母等铝硅酸盐矿物中，可以用浮选的方法去除［3］。采用浮选工艺提纯时，在强酸环境下，十二胺（盐）或其酯盐可以作为石英反浮选的捕收剂，实现石英和云母的分离［4，5］。石英作为一种重要的工业矿物原料，其应用已不再仅仅局限于玻璃制品等传统领域，而开始应用于石英板材、光伏玻璃砂等领域［6-8］。石英板材因其不易刮花、无毒、无污染、无辐射等特点在家具装潢市场备受欢迎，制作石英板材要求石英砂的白度达到90%以上［9］。随着能源问题日益严重，国家开始大力开发太阳能资源，作为光伏发电重要组件的光伏玻璃也变得至关重要，制作光伏玻璃要求石英砂的有色杂质含量低、透明度高、透光性好［10］。本研究以湖北某石英矿为原料，采用磁选—浮选—酸浸流程进行该石英矿的提纯试验研究，探讨了各种分选条件对提纯指标的影响，使生产的石英精矿满足石英石板材和光伏玻璃对硅质原料的要求。

1 试验原料及仪器

1.1 试验矿样

试验用石英矿样采自湖北某石英矿，试样全谱直读等离子发射光谱仪测试结果表明SiO2、Al2O3、K2O、Na2O、CaO、Fe2O3含量分别为98.86%、0.58%、0.14%、0.01%、0.03%、0.27%。试样的电子探针分析结果见图1，X射线衍射（XRD）测试结果见图2。

由图1、图2可知：试样主要组成矿物为石英，脉石矿物主要为云母类矿物；试样中含有铁氧化物等杂质矿物；试样为含少量云母、铁氧化物的石英矿。因此，试验石英矿的提纯主要是石英与含铁杂质和云母的分离。

1.2 试验仪器设备及试剂

试验设备：XMB-70型三辊四筒棒磨机，SLon-100高梯度磁选机，PK/FD型0.5L单槽浮选机，85-2型恒温磁力搅拌器，CS101鼓风干燥箱。

试验试剂：草酸、硫酸、盐酸，均为分析纯，十二胺（盐酸与十二胺摩尔比为1∶1配制）。

2 试验结果与讨论

首先将原矿破碎至-2 mm。考虑到提纯后石英砂可以用作光伏砂和板材砂，因此，将物料筛分为3个粒级：+0.6 mm粒级石英砂用来作为板材砂原料，0.1～0.6 mm粒级石英砂用来作为光伏砂原料，-0.1 mm粒级石英砂作为尾矿直接抛弃。

2.1 磁选试验

由于破碎过程会引入部分次生铁，另外石英矿石本身也含有铁杂质。对0.1～0.6 mm粒级试样，首先使用SLon-100高梯度磁选机进行磁选试验，背景磁感应强度为1.4 T，选用直径2 mm的细钢棒为磁介质，通过磁选去除磁性杂质或含有磁性杂质的连生体，在磁选后非磁性产品Fe2O3含量仍在0.7%以上，因此，采用浮选试验降低铁含量。

2.2 浮选试验

对0.1～0.6 mm粒级磁选后的非磁性产品，在粗选矿浆浓度为40%条件下，用H2SO4浓度为10%溶液将pH调至2.0～2.5，以草酸作为石英的抑制剂、十二胺作为云母捕收剂进行试验。

2.2.1 粗选十二胺用量试验

在草酸用量为1 000 g/t，十二胺用量分别为60、80、100、120 g/t，浮选时间（刮泡时间）为5 min条件下，进行十二胺用量条件试验，结果见图3。

由图3可知：随着十二胺用量的增加，精矿产率变化幅度很小，因为云母密度小且含量很低，所以十二胺用量对产率的影响很小；十二胺用量在100 g/t时，浮选精矿的产率最低；精矿Fe2O3含量随着十二胺用量的增加，先迅速下降后小幅提高，在十二胺用量为100 g/t时，精矿Fe2O3含量最低。因此，粗选十二胺用量为100 g/t。

2.2.2 粗选草酸用量试验

在草酸用量分别为800、900、1 000、1 100 g/t，十二胺用量为100 g/t，浮选时间为5 min条件下，进行草酸用量条件试验，结果见图4。

由图4可知：草酸用量对精矿产率的影响很小；精矿Fe2O3含量随着抑制剂用量的增加先迅速下降，抑制剂用量为1 000 g/t时，精矿Fe2O3含量达到最小值，为414×10-6。抑制剂用量过高时，过量的［HC2O4］-会吸附在云母表面［11］，导致十二胺和云母不能产生静电吸附，所以精矿Fe2O3含量又逐渐上升。因此，粗选草酸用量为1 000 g/t。

2.2.3 粗选浮选时间试验

在草酸用量为1 000 g/t，十二胺用量为100 g/t，浮选时间分别为3、4、5、6 min条件下，进行粗选浮选时间条件试验，结果见图5。

由图5可知：精矿产率随着粗选浮选时间的延长小幅提高；精矿Fe2O3含量随着粗选浮选时间的增加迅速下降，在粗选浮选时间大于5 min后，精矿Fe2O3含量随浮选时间延长降低不明显。因此，粗选浮选时间为5 min。

2.2.4 精选十二胺用量试验

在粗选十二胺用量100 g/t、抑制剂用量1 000 g/t、粗选浮选时间为5 min，十二胺精选用量分别为60、80、100、120 g/t条件下按图6流程进行精选十二胺用量条件试验。结果见图7。

由图7可知：精选十二胺用量对产率影响较小，产率变化幅度基本保持在1个百分点内；随着精选十二胺用量的增加，精矿Fe2O3含量呈先减小后增大的趋势变化，精矿Fe2O3含量在精选十二胺用量为100 g/t时最小。十二胺用量过高时，RNH3+离子相互之间会产生静电斥力［12］，吸附在云母表面的十二胺会减少。因此，确定精选十二胺用量为100 g/t，此时浮选精矿Fe2O3含量为344×10-6。

2.3 酸浸试验

通过镜下观察，浮选精矿中杂质矿物已基本被去除，但是仍存在少量被铁浸染的黄褐色石英颗粒，这部分铁只有通过酸浸才能去除。将浮选精矿加入到四氟乙烯烧杯中，然后加入浸出酸液，并放置于恒温磁力搅拌器上搅拌浸出。

2.3.1 酸液种类试验

为探究不同酸液种类对酸浸效果的影响，称取20 g浮选精矿，加入不同组分的酸溶液（均为化学分析纯试剂），在酸液用量为20 mL，浸出温度为60℃条件下，置于恒温磁力搅拌器中酸浸6 h，酸液种类（其中混酸由HCl与H2SO4按体积比为1∶1配制）对石英砂提纯的影响试验结果见表1。

由表1可知，酸液种类不同，酸浸提纯效果不同；与硫酸相比，盐酸酸浸提纯效果稍好，混合酸提纯效果明显优于单一的酸。混合酸能将Fe2O3含量降低到50×10-6以下。考虑到混酸的酸浸效果比较好，采用混酸进行酸浸试验。

2.3.2 酸浸时间条件试验

称取20 g浮选精矿，加入混酸（HCl与H2SO4按体积比为1∶1配制）20 mL，在温度为60℃，时间分别为2、4、6、8 h条件下酸浸。酸浸时间对石英砂提纯的试验结果见图8。

由图8可知：随着酸浸时间的增加，Fe2O3含量逐渐减少，并且在酸浸时间为6 h时Fe2O3含量最低；当酸浸时间达到6 h时，Fe2O3含量为48×10-6。所以，确定酸浸时间为6 h。

2.3.3 酸浸温度条件试验

称取20 g浮选精矿，加入混酸（HCl与H2SO4按体积比为1∶1配制）20 mL，在温度分别为20、40、60、80℃，时间为6 h条件下酸浸，酸浸温度对石英砂提纯的试验结果见图9。

由图9可知：随着酸浸温度的升高，Fe2O3含量先迅速减小，并且在酸浸温度为60℃时Fe2O3含量最低；当酸浸温度为60℃时，Fe2O3含量为48×10-6；随着酸浸温度的继续升高，Fe2O3含量增加。盐酸易挥发，高温使盐酸变成气态，使酸浸液中酸浓度变低，影响酸浸效果。所以，确定酸浸温度为60℃。

2.3.4 混酸配比条件试验

称取20 g浮选精矿，在混酸总用量为20 mL，酸浸时间为6 h，酸浸温度为60℃，HCl与H2SO4的体积比分别为3∶7、2∶3、1∶1、3∶2（分别标记为混酸A、混酸B、混酸C、混酸D），考察混酸配比对石英砂提纯的效果，结果见图10。

由图10可知，随着混酸中盐酸比例的增加，Fe2O3含量逐渐减少，并且在混酸比例为3∶2时Fe2O3含量最低。考虑到盐酸浓度过高时，会挥发产生HCl气体。所以选择混酸3，作为酸浸的药剂。即HCl与H2SO4的体积比为1∶1。

2.4 推荐流程

通过条件试验，确定的最佳工艺流程见图11，+0.6 mm粒级石英浸出时浸出条件与0.1～0.6 mm粒级石英酸浸条件相同，最终精矿指标见表2。由表2可知，采用该工艺流程进行石英选矿提纯，可获得Fe2O3含量为62.65×10-6、SiO2含量为99.85%、白度为92.56%的+0.6 mm粒级石英精矿Ⅰ，Fe2O3含量为73.70×10-6、SiO2含量为99.79%、白度为 90.93%的0.1～0.6 mm粒级石英精矿Ⅱ。+0.6 mm和0.1～0.6 mm粒级石英精矿均达到了石英板材砂和光伏玻璃砂标准。

3 结论

（1）湖北某石英矿主要化学成分SiO2含量为98.86%，主要杂质 Al2O3、K2O、Fe2O3含量分别为0.58%、0.14%、0.27%。试样的矿物组成主要为石英，少量的云母和含铁氧化物等杂质矿物。

（2）将试样筛分为+0.6 mm、0.1～0.6 mm、-0.1 mm 3个粒级。-0.1 mm粒级作为尾矿直接抛弃；0.1～0.6 mm粒级采用磁选—浮选—酸浸工艺流程进行试验，首先经高梯度强磁选除铁，非磁性产品以草酸为抑制剂、十二胺为捕收剂，经1粗1精反浮选去除云母，浮选精矿以盐酸和硫酸的混合酸（HCl与H2SO4按体积比为1∶1配制）为浸出剂，在酸浸温度为60℃、酸浸时间为6 h条件下酸浸提纯后，获得的石英砂SiO2含量为99.79%、杂质Fe2O3含量为73.70×10-6、Al2O3含量为419.54×10-6、白度为90.93%，既满足光伏玻璃石英砂Fe2O3含量≤80×10-6的质量要求，又满足石英板材的要求；+0.6 mm粒级经酸浸后再经色选，可以得到SiO2含量为99.85%、杂质Fe2O3含量为62.65×10-6、自然白度为92.56%的石英砂，达到石英板材级别要求。