樂(lè)山石英砂巖除鐵提純?cè)囼?yàn)研究

汪本高，李丹妮

(1.成都理工大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)院，四川 成都 610059；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070)

1 引言

石英砂是一種大宗非金屬礦，用途非常廣泛，是近百種工業(yè)產(chǎn)品的原料，主要用于玻璃工業(yè)、填料領(lǐng)域及生產(chǎn)金屬硅、有機(jī)硅化合物[1-2]。近年來(lái)，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，石英砂的應(yīng)用拓展到高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，如電子材料、光纖通訊等。高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)κ⑸暗碾s質(zhì)含量，尤其是鐵雜質(zhì)含量限制在很低。

四川省樂(lè)山市白沙槽硅石礦礦山的資源儲(chǔ)量達(dá)1155萬(wàn)t。礦石中礦物組分主要為石英(屬β-石英，為熱液交代原巖產(chǎn)物)，一般含量為96%～99%，晶粒一般為0.02～0.04mm，大者可達(dá)0.1～0.2mm，個(gè)別達(dá)0.7mm；次為白云石、磷灰石、綠泥石及分布不均勻的少量金屬礦物，另有微量的碳質(zhì)及次生含鐵碳酸鹽礦物和方解石。

該礦由于缺乏有效提純技術(shù)，一直未能得到有效開(kāi)發(fā)利用。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，除去石英砂中的鐵雜質(zhì)有浮選[3-4]、磁選、酸浸[5-7]、絡(luò)合[8]、微生物浸出等方法，基于該礦特點(diǎn)，以高純石英砂的技術(shù)指標(biāo)為提純目標(biāo)，采用粉碎、水洗、酸浸、焙燒、水碎、二次酸浸進(jìn)行提純除鐵試驗(yàn)研究[9-11]。

2 試驗(yàn)部分

2.1 樣品分析

試驗(yàn)所用樣品由四川金口河山礦業(yè)有限公司提供，對(duì)樣品進(jìn)行粉碎研磨(200目)，經(jīng)分析測(cè)定該礦石主要化學(xué)成分(%)：SiO297.0800、Fe2O30.2441、Al2O30.0658、CaO 0.3998、MgO 0.1579、TiO20.0004、灼失量 2.0500。

2.2 試驗(yàn)方法及工藝流程

2.2.1 藥品及儀器設(shè)備

主要藥品：硫酸、鹽酸、氫氟酸、草酸，市售，優(yōu)級(jí)純，來(lái)自成都科龍化工試劑廠。

設(shè)備：電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(美國(guó)PE，Optima 5300V型)，電子天平(梅特勒托利多，AB 104～N)，JJ-1型定時(shí)攪拌電動(dòng)儀，電子恒溫水浴鍋(型號(hào)DZKW-4，功率1000W)，箱式電阻爐—馬弗爐(2.5kW，220V)。

2.2.2 提純工藝流程

提純除鐵按“水洗—酸浸—焙燒—水碎—二次酸浸”工藝流程如下：石英砂原礦→粗選→粉碎→自來(lái)水水洗→酸浸→過(guò)濾、水洗、干燥→焙燒→水碎水洗→二次酸浸→過(guò)濾、去離子水洗、干燥→高純石英砂。

3 結(jié)果與討論

3.1 酸浸條件對(duì)除鐵提純效果的影響

3.1.1 酸溶液種類

稱取一定量經(jīng)水洗后的石英砂，加入不同的酸溶液，常溫(21℃)下置于恒溫水浴鍋中酸浸10h(酸溶液與石英砂的液固質(zhì)量比為5∶1)，不同酸溶液對(duì)石英砂除鐵試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 酸的組成對(duì)石英砂除鐵效果的影響

可見(jiàn)，不同種類的酸其提純效果有所不同，其中鹽酸除鐵提純效果要好于其他的酸，因前期主要是去除包覆在石英砂顆粒表面的雜質(zhì)，采用鹽酸單酸浸泡即可。

3.1.2 酸溶液濃度

稱取一定量經(jīng)水洗后的石英砂，加入一定濃度的鹽酸溶液，置于50℃恒溫水浴鍋中酸浸4h(酸溶液與石英砂的液固質(zhì)量比為5∶1)，不同酸溶液濃度對(duì)石英砂提純效果的影響如圖2所示。

圖2 酸溶液濃度對(duì)石英砂除鐵效果的影響

由圖2可以看出，提高酸溶液濃度，有利于石英砂的除鐵效果，但同時(shí)酸揮發(fā)損失量也增多，成本也增大。當(dāng)鹽酸濃度為10%時(shí)，F(xiàn)e2O3含量降至86×10-6。綜合考慮，故選用10%左右的鹽酸較適宜。

3.1.3 酸浸溫度

稱取一定量經(jīng)水洗后的石英砂，加入10%鹽酸溶液，置于一定溫度的恒溫水浴鍋中酸浸4h(酸溶液與石英砂的液固質(zhì)量比為5∶1)，不同酸浸溫度對(duì)石英砂提純效果的影響如圖3所示。

圖3 酸浸溫度對(duì)石英砂除鐵效果的影響

由圖3可以看出，酸浸溫度越高，有利于石英砂的除鐵提純，當(dāng)溫度為60℃時(shí)，其Fe2O3含量降至58×10-6?？紤]減少能耗，故酸浸溫度選50℃左右。

3.1.4 酸浸時(shí)間

稱取一定量經(jīng)水洗后的石英砂，加入10%鹽酸溶液，置于50℃恒溫水浴鍋中酸浸一定時(shí)間(酸溶液與石英砂的液固質(zhì)量比為5∶1)，不同酸浸時(shí)間對(duì)石英砂除鐵提純效果的影響如圖4所示。

圖4 酸浸時(shí)間對(duì)石英砂除鐵效果的影響

由圖4可以看出，隨著酸浸時(shí)間的延長(zhǎng)，石英砂中雜質(zhì)總含量逐漸減小，鐵雜質(zhì)的含量也逐漸減小，當(dāng)酸浸時(shí)間為4h時(shí)，其雜質(zhì)總含量降至0.3644%，F(xiàn)e2O3含量降至86×10-6，繼續(xù)延長(zhǎng)酸浸時(shí)間，其雜質(zhì)總含量和Fe2O3含量沒(méi)有明顯的變化，因此，酸浸時(shí)間選用4h較適合。

3.1.5 液固比

稱取一定量經(jīng)水洗后的石英砂，加入10%鹽酸溶液，置于50℃恒溫水浴鍋中酸浸4h，不同液固比對(duì)石英砂提純效果的影響如圖5所示。

圖5 液固比對(duì)石英砂除鐵效果的影響

由圖5可以看出，隨著液固比的增大，石英砂中雜質(zhì)的總含量和鐵雜質(zhì)的含量逐漸減小，當(dāng)液固比為5時(shí)，其雜質(zhì)總含量降至0.3688%，F(xiàn)e2O3含量降至86×10-6，繼續(xù)延長(zhǎng)酸浸時(shí)間，其雜質(zhì)總含量沒(méi)有明顯的變化，但是Fe2O3含量繼續(xù)下降但幅度不大，因此，液固比選用5∶1較適合。

綜上所述，酸浸提純石英砂的最優(yōu)工藝條件為：鹽酸濃度10%、鹽酸溶液與石英砂質(zhì)量比為5∶1、酸浸溫度45℃、酸浸時(shí)間4h。在此條件下，提純后石英砂的雜質(zhì)總含量為0.3372%、Fe2O3含量為71×10-6。

3.2 焙燒條件對(duì)除鐵提純效果的影響

3.2.1 焙燒溫度

取一定量經(jīng)酸浸最優(yōu)條件下酸浸后的石英砂，在一定溫度下焙燒2h，不同焙燒溫度對(duì)石英砂除鐵提純效果的影響如圖6所示。

圖6 焙燒溫度對(duì)石英砂除鐵效果的影響

從圖6可知：石英砂中鐵含量和總雜質(zhì)含量隨溫度的升高而急劇下降，但大于800℃時(shí)，鐵含量隨溫度的升高而略有升高，因此，焙燒溫度選為800℃較為適宜。

3.2.2 焙燒時(shí)間

取一定量經(jīng)酸浸最優(yōu)條件下酸浸后的石英砂，在800℃下焙燒，不同焙燒時(shí)間對(duì)石英砂除鐵提純效果的影響如圖7所示。

圖7 焙燒時(shí)間對(duì)石英砂除鐵效果的影響

由圖7可知，在開(kāi)始的2h焙燒時(shí)間內(nèi)，鐵和雜質(zhì)總含量均隨時(shí)間的延長(zhǎng)而快速下降，過(guò)了2h后焙燒時(shí)間對(duì)除鐵提純效果的影響很小。因此，焙燒時(shí)間選為2h較適宜。

綜上所述，焙燒去除石英砂中鐵雜質(zhì)的最優(yōu)工藝條件為：焙燒溫度為800℃、焙燒時(shí)間為2h。經(jīng)最優(yōu)焙燒工藝處理后，石英砂中鐵含量由71×10-6下降至38×10-6，雜質(zhì)總含量由0.3372%下降至0.1142%，除雜效果較明顯。

3.3 二次酸浸條件對(duì)除鐵提純效果的影響

3.3.1 酸液組成

取一定量經(jīng)焙燒最優(yōu)條件下焙燒后的石英砂，分別于不同組成的酸溶液中(HF∶HCl=1∶9，HF∶H2SO4=1∶9，HF∶H2SO4∶HCl=1∶4∶5)，置于45℃恒溫水浴鍋中酸浸2h(酸溶液與石英砂的液固質(zhì)量比為2∶1)，不同酸溶液組成對(duì)石英砂除鐵提純效果的影響如圖8所示。

圖8 二次酸浸酸的組成對(duì)石英砂除鐵效果的影響

由圖8可知：后期單純的鹽酸的除鐵效果不太理想，但添加了氫氟酸的除鐵效果得到明顯的改善，尤其是有鹽酸和氫氟酸組成的混合酸的除雜效果最優(yōu)。這是因?yàn)闅浞崮芘c石英反應(yīng)，使包裹在石英砂中的雜質(zhì)暴露于表面，新生成的顆粒表面活性較高，有利于鐵的氧化物與酸反應(yīng)，促進(jìn)其溶解。在鹽酸和氫氟酸的混合酸中，石英砂中的鐵雜質(zhì)含量從38×10-6降低到21×10-6。因此，再次酸浸選用鹽酸和氫氟酸的混合酸。

3.3.2 酸浸時(shí)間

取一定量經(jīng)焙燒最優(yōu)條件下焙燒后的石英砂，于10%混合酸(HF∶HCl=1∶9)溶液中，置于45℃恒溫水浴鍋中酸浸一定時(shí)間(酸溶液與石英砂的液固質(zhì)量比為2∶1)，不同酸浸時(shí)間對(duì)石英砂除鐵提純效果的影響如圖9所示。

圖9 二次酸浸時(shí)間對(duì)石英砂除鐵效果的影響

由圖9可以看出，隨著酸浸時(shí)間的延長(zhǎng)，石英砂中雜質(zhì)總含量逐漸減小，鐵雜質(zhì)的含量也逐漸減小，當(dāng)酸浸時(shí)間為16h時(shí)，其雜質(zhì)總含量降至9.6×10-5，F(xiàn)e2O3含量降至8×10-6，達(dá)到高純石英砂的指標(biāo)。繼續(xù)延長(zhǎng)酸浸時(shí)間，其雜質(zhì)總含量和Fe2O3含量沒(méi)有明顯的變化，因此，酸浸時(shí)間選用16h較適合。

綜上所述，再次酸浸提純石英砂的最優(yōu)工藝條件為：混合酸濃度10%(HF∶HCl=1∶9)、溶液與石英砂質(zhì)量比為2∶1、酸浸溫度45℃、酸浸時(shí)間16h。在此條件下，提純后石英砂的雜質(zhì)總含量為9.6×10-5，F(xiàn)e2O3含量為8×10-6。

4 結(jié)論

(1)采用“水洗—酸浸—焙燒—水碎—二次酸浸”的工藝，可以有效去除石英砂中的雜質(zhì)，提純后可達(dá)到高純石英砂的指標(biāo)，具有較好的工業(yè)應(yīng)用前景。

(2)該工藝最優(yōu)工藝參數(shù)為第一次酸浸最優(yōu)條件：鹽酸濃度10%、酸浸溫度45℃、鹽酸溶液與石英砂質(zhì)量比5∶1、酸浸時(shí)間4h；焙燒最優(yōu)條件：焙燒溫度800℃、焙燒時(shí)間2h；二次酸浸最優(yōu)條件：混酸濃度(HF∶HCl=1∶9)10%、酸浸溫度45℃、鹽酸溶液與石英砂質(zhì)量比2∶1、酸浸時(shí)間16h。在此條件下，提純后石英砂的雜質(zhì)總含量為9.6×10-5、Fe2O3含量為8×10-6。

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