凤阳不同粒度干法石英砂中金属杂质分布规律研究

李 勇，张宇翔，赵洪义，王友乐，徐 炜，倪晶晶

安徽凤阳是华东地区重要的石英砂生产基地，凤阳石英砂主要用于生产玻璃，其生产方式主要有两种：干法生产和湿法生产［1］.两种方式生产出来的石英砂都含有Fe、Ti 等金属杂质，这些金属杂质会对玻璃制品的理化性质具有重要影响［2-3］，因此，在石英砂生产和加工过程中需要将这些金属杂质去除.研究发现，凤阳不同粒度湿法石英砂中铁杂质含量存在很大差别，石英砂粒度越大或者越小其铁杂质含量越高［4］.目前，凤阳石英砂企业在采用磁选法去除石英砂中Fe 杂质的过程中，没有将石英砂按粒度大小进行分类磁选，如果对不同粒度石英砂进行分类磁选，Fe 杂质的去除效率会有大幅提高［5］，至于其他金属杂质含量随石英砂粒度变化的规律还未见有相关报道.本文通过研究凤阳不同粒度干法石英砂中金属杂质含量分布规律，为石英砂企业提高石英砂的品位生产高纯石英砂提供帮助.

1 样品与方法

本文在安徽省凤阳县某干法石英砂生产企业采集石英石原料和1#（1～4 目）、2#（4～10目）、3#（10～20 目）、4#（20～30 目）、5#（30～50目）、6#（50～70 目）、7#（70～90 目）、9#（120～150目）成品石英砂及石英细粉（300 目以下）.该石英砂企业在生产过程中将原料进行了水洗，有效去除了原料表面的泥土.石英砂样品采集回来后从3#石英砂中挑选出有颜色的颗粒物.将石英石原料磨片后在显微镜下观察，再用电子探针进行微区矿物成分分析，该实验在中国地质大学电子探针实验室完成.将石英砂和从3#石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）测量了其中29 种金属元素（Al、Ti、Ca、Na、Fe、Li、K、Mg、Ba、Mn、Zr、Bi、Cd、Cr、Co、Cu、Sr、Ni、Pb、Se、V、As、Zn、Mo、Pd、Re、Sb、Sn、W）含量，并对测量结果进行统计和相关性分析，由于在石英砂样品和从3#石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物样品都未检测出Bi、Cd、Co、Cu、Ni、Se、V、As、Mo、Pd、Re、Sb、Sn 13 种金属，因此，在文中统计表格中未将它们列出.样品中金属含量测试在蚌埠玻璃工业设计研究院物化所完成.

2 结果与讨论

2.1 显微图像

石英石原料显微镜下相片（图1）显示，石英石纯度高，二氧化硅的含量高于95%，石英颗粒呈圆状、次圆状，颗粒间呈三边镶嵌状结合，粒径约0.05～0.5 mm，在石英颗粒之间，定向分布有一些半透明和不透明的杂质矿物，长0.02～0.2 mm.在石英颗粒内部及颗粒之间存在包裹体，粒径小于0.005 mm，含量低于1.0%.

图1 石英石原料显微镜下照片

利用电子探针对石英石原料中典型的杂质矿物进行成分分析，石英石原料背散射电子图像结果见图2，石英石原料中矿物颗粒的BSE 分析结果见表1.根据矿物颗粒的BSE 分析结果与标准矿物化学成分进行对比，颗粒1、颗粒2 和颗粒3 分别是钾长石、白云母和金红石.

表1 石英石原料中杂质颗粒的BSE 分析结果

图2 石英石原料背散射电子图像

2.2 金属杂质含量

采用电感耦合等离子体发射光谱仪对干法石英砂和从干法砂中挑选出来的有颜色颗粒物样品中29 种金属元素含量进行了测量，结果显示，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#石英砂及石英细粉中存在Al、Ti、Ca、Na、Fe、Li、K、Mg、Ba、Mn、Zr 11 种金属杂质，从石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物中除了检测出上述11种金属杂质外，还检测出了Cr、Sr、Pb、Zn、W 5 种金属杂质，但含量较低，分别为：0.001 5%、0.011 05%、0.001 5%、0.004 1%、0.002 8%.表2中的数据还显示，粒度最细的石英细粉中金属杂质总含量最高（4.316 1%）且明显高于石英砂和从石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物（1.721 0%）.在1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#石英砂中金属杂质含量最高的是粒度最细的9#石英砂（1.788 6%），金属杂质含量最低的是7#石英砂（0.524 8%）和6#石英砂（0.547 8%），其次是5#石英砂（0.648 0%），第三是1#石英砂（0.777 7%）、2#石英砂（0.711 8%）、3#石英砂（0.726 2%）和4#石英砂（0.790 4%）.图1显示，在石英砂颗粒之间分布有较多细小的杂质颗粒，在石英砂生产过程中，这些细小的杂质颗粒物被粉碎后直接进入到细颗粒的9#砂或石英细粉中，这是导致9#砂和石英细粉中金属杂质含量高的主要原因，表2数据显示，石英细粉中各种金属杂质含量都高于9#石英砂，9#石英砂中各种金属杂质含量都高于1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#石英砂，粒度越细小的石英砂中杂质含量高，这与已有的研究结论相一致［4，6-7］.1#、2#、3#、4#石英砂由于粒径较大（>0.6 mm），大于石英颗粒粒径（0.05～0.5 mm），分布在石英颗粒之间的杂质还没有分离出来，磁选工艺难以将这4 类大颗粒石英砂中杂质分离出来，从而导致粒径较大的石英砂中金属杂质含量高.7#和6#石英砂由于粒径小，在破碎的过程中，分布在石英颗粒内部和石英颗粒之间的杂质被分离出来，经磁选后金属杂质含量大幅下降，7#和6#干法石英砂由于各种金属杂质含量低，适合深加工生产高纯石英砂.纯净的石英砂是白色透明的，从石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物，由于含有较多的杂质导致颜色发生改变，测量结果显示，它的金属杂质含量高（1.721 0%），且金属杂质种类多.

表2 石英砂中金属杂质含量ICP 分析结果

表2中的数据显示1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#石英砂中金属杂质含量排在前六位的是：Al、K、Fe、Mg、Ti、Na，9#石英砂中金属杂质含量排在前六位的是：Al、K、Fe、Mg、Na、Ti，石英细粉中金属杂质含量排在前六位的是：Al、Fe、K、Mg、Na、Ti，从石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物中金属杂质含量排在前六位的是：Al、Fe、K、Ti、Mg、Na，所有样品中Al 的含量最高，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#石英砂中Al 的含量占金属杂质总含量的70%以上（表3），石英细粉中该值超过60%，从石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物中该值超过50%，说明所有样品中主要金属杂质都是Al.所有样品中Al、K、Fe、Mg、Na、Ti 六种金属杂质的含量与金属杂质总含量的比值之和都高于97%（表3），说明凤阳干法石英砂中金属杂质以这6 种金属为主.不同粒度石英砂中金属杂质含量存在差别（表2），但不同粒度石英砂中6 种主要金属杂质Al、K、Fe、Mg、Na、Ti 的含量占金属杂质总含量的比值相差不大（表3）.

从石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物和石英细粉中Fe 杂质含量分别为0.53%和0.74%（表2），明显高于1#～9#石英砂（0.031%～0.089%），从石英砂中挑选出来的有颜色颗粒物和石英细粉中Fe 杂质含量分别占金属杂质总含量的30.80%和17.23%（表3），说明石英石被破碎后再经磁选加工，原料中强磁性的Fe 杂质被磁选出来，导致石英砂中Fe 含量大幅下降，磁性弱颗粒细小的Fe 杂质进入石英细粉中，另外机械铁的混入也会导致石英细粉中Fe 杂质含量升高.

表3 石英砂中6 种主要金属杂质含量分析结果

2.3 相关性分析

对1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#石英砂及石英细粉中Al、Ti、Ca、Na、Fe、Li、K、Mg、Ba、Mn、Zr 11 种金属杂质含量进行了相关性分析（表4），数据显示，在0.01 置信区内（双侧），11种金属杂质含量相互之间都呈显著正相关关系，指示这些金属杂质在干法石英砂中具有相同分布规律.这就解析了不同粒度干法石英砂中Al、K、Fe、Mg、Na、Ti 含量不同但它们占金属杂质总含量的比值相差不大的原因.

表4 石英砂样品中金属杂质含量相关系数

3 结论

（1）凤阳用于生产干法石英砂的原料纯度高，二氧化硅的含量高于95%，在石英颗粒之间，定向分布有钾长石、白云母和金红石等杂质矿物，长为0.02～0.2 mm.

（2）凤阳干法石英砂中存在Al、Ti、Ca、Na、Fe、Li、K、Mg、Ba、Mn、Zr 11 种金属杂质，其中Al 含量最高，11 种金属杂质含量相互之间都呈显著正相关关系，指示它们在干法石英砂中具有相同分布规律.

（3）不同粒度干法石英砂中11 种金属杂质含量存在差别，粒度小于120 目的石英砂中金属杂质含量最高，且粒度越小金属杂质含量越高；粒度大于30 目石英砂，金属杂质含量比较稳定；30～120 目石英砂，金属杂质含量较低，其中70～90 目石英砂中金属杂质含量最低.