石英中雜質(zhì)礦物賦存狀態(tài)及純化研究

雷紹民，林　敏，裴振宇，王恩文，2，臧芳芳，熊　康

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.安順學(xué)院航空電子電器與信息網(wǎng)絡(luò)貴州省高校工程技術(shù)研究中心，貴州 安順 561000)

石英中雜質(zhì)礦物賦存狀態(tài)及純化研究

雷紹民1，林敏1，裴振宇1，王恩文1，2，臧芳芳1，熊康1

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.安順學(xué)院航空電子電器與信息網(wǎng)絡(luò)貴州省高校工程技術(shù)研究中心，貴州 安順 561000)

摘要：利用光學(xué)顯微鏡、電子探針、電感耦合等離子發(fā)射光譜等測試手段，對(duì)江蘇某公司塊狀石英進(jìn)行了雜質(zhì)礦物賦存狀態(tài)及分離純化研究。結(jié)果表明：賦存于石英中雜質(zhì)元素主要為Al、Na、Ca、Fe、Li、K、Ti；雜質(zhì)礦物多為原生礦物包裹體，且主要以小于20μm的巖鹽和小于120μm的白云母形式賦存于石英晶體界面間。其中Na主要以巖鹽形式存在；元素F、Mg、K、Ti、Mn、Fe、Al主要賦存在白云母中，尚有一部分元素Al以類質(zhì)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賦存在重晶石中；Cu、Zn共生形成氧化礦。經(jīng)焙燒，水淬，堿浸出和混合酸浸出，可分離純化制備出99.991wt%的高純石英。

關(guān)鍵詞：雜質(zhì)礦物；賦存狀態(tài)；分離純化；高純石英

石英在現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域顯示出越來越重要的作用，其礦物學(xué)研究對(duì)于了解雜質(zhì)礦物特性和選擇分離石英的工藝均至關(guān)重要[1-2]。研究礦樣來自某石英科技有限公司，呈無色透明至半透明狀，玻璃光澤，斷口油脂光澤，莫氏硬度7，密度2.4g·cm3左右。有代表性地選擇石英礦樣切片并磨制光學(xué)薄片和探針片[3-5]，通過光學(xué)顯微鏡，電感耦合等離子發(fā)射光譜(ICP)和電子探針(EMPA-SEI、EDS)分析，本文查明了石英中雜質(zhì)元素含量，雜質(zhì)礦物的種類和分布狀態(tài)以及石英中微細(xì)包裹體的種類和分布規(guī)率[6-7]，并依據(jù)礦物學(xué)研究設(shè)計(jì)了合理的試驗(yàn)方案，為制備高純石英砂提供了參考與指導(dǎo)。

1雜質(zhì)礦物賦存狀態(tài)

1.1偏光顯微鏡鑒定

采用的光學(xué)顯微鏡為德國萊卡公司透/反兩用偏光顯微鏡DMLP[8]。塊狀石英偏光顯微鏡照片見圖1。偏光顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)：該石英無色透明，顆粒為細(xì)粒半自形晶，基本呈六角棱柱形狀(圖1(a))；裂理發(fā)育呈交叉狀結(jié)構(gòu)(圖1(b))，裂隙中基本無雜質(zhì)礦物賦存。石英顆粒在正交鏡下呈平行消光。微小包裹體廣泛性存在，氣液包裹體呈條帶狀分布[9-11](圖1(c))，這些礦物是石英在結(jié)晶過程中從周圍的流體介質(zhì)中捕獲的。偏光鏡下礦物包裹體主要可見鹽類礦物(圖1(d))，云母(圖1(e))，含鐵礦物(圖1(f))。

1.2電感耦合等離子光譜分析

采用美國珀金埃爾默公司Optima 4300DV 型全譜直讀電感耦合等離子發(fā)射光譜儀[12](ICP)進(jìn)行化學(xué)成分分析，石英原礦雜質(zhì)元素分析結(jié)果(μg·g-1)見表1。

圖1　塊狀石英偏光顯微鏡圖像

由表1可看出，石英原礦主要雜質(zhì)元素為Al、Na、Ca、Fe、K、Li、Ti，金屬雜質(zhì)含量合計(jì)114.393μg·g-1，其中Al元素占34.21%，Na元素占19.86%，石英純度達(dá)到99.988 wt%。

1.3電子探針分析

采用日本電子株式會(huì)社JXA-8230 型電子探針(EMPA-SEI、EDS)分析儀對(duì)塊狀石英和賦存于石英中的礦物包裹體進(jìn)行電子探針微區(qū)能譜分析。

1.3.1主要雜質(zhì)礦物EMPA-SEI、EDS分析

塊狀石英中巖鹽及云母類礦EMPA-SEI、EDS分析見圖2，表2是對(duì)圖2的解釋。

1.3.2其他雜質(zhì)礦物EMPA-SEI、EDS

其他雜質(zhì)礦物EMPA-SEI、EDS分析見圖3，表3是對(duì)圖3的解釋。

表1　ICP多元素分析結(jié)果/(μg·g-1)

表2　巖鹽及云母類礦物電子探針雜質(zhì)元素分析

圖2　塊狀石英中巖鹽及云母類礦物EMPA-SEI、EDS分析圖譜

圖片編號(hào)礦物賦存雜質(zhì)元素圖3(a)鈣質(zhì)、硫質(zhì)氧化物Ca、S圖3(b)銅、鋅氧化礦Cu、Zn圖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類雜質(zhì)礦物。因此對(duì)樣品裂隙充填物也進(jìn)行了EMPA-SEI、EDS分析，裂隙充填物EMPA-SEI、EDS分析圖譜見圖4。由圖4可見石英裂隙中未見充填礦物，也未發(fā)現(xiàn)次生包裹體，石英中礦物包裹體[13]多是原生包裹體。

1.3.4元素Al面掃描

對(duì)石英下游用戶而言，元素Al是主要的有害元素，研究元素Al的面分布狀況，對(duì)石英的純化及其表征極其重要。元素Al面掃描圖像見圖5。

元素Al的面掃描顯示，視域中Al元素分布廣泛，主要分布在石英的晶格中。

由上述各圖、表分析可知：Na主要賦存在巖鹽中，F(xiàn)、Mg、K、Mn、Ti、Fe和部分Al賦存在白云母中，還有部分Al以類質(zhì)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，偶見微量重晶石和銅鋅氧化礦，石英裂隙中未見雜質(zhì)礦物充填。

2石英純化試驗(yàn)

依據(jù)礦物學(xué)研究結(jié)果和前人所做工作[14-16]，石英純化采用熱壓堿浸出、酸浸出工藝除去白云母、巖鹽等雜質(zhì)礦物。試驗(yàn)中取粒度為212～106μm精制石英砂，在900℃下焙燒5h，水淬；再在220℃、一定壓力下，先用12wt%的堿(NaOH)浸出；充分洗滌、干燥，在200℃、一定壓力下用混合酸(鹽酸3mol·L-1、硝酸1mol·L-1、氫氟酸0.5mol·L-1)浸出；去離子水充分洗滌、干燥。表4為浸出前后雜質(zhì)元素的ICP測試結(jié)果，由表可知試驗(yàn)可將SiO2含量為99.988 wt%石英砂制備成含量達(dá)99.991 wt%的高純石英砂。

圖3　塊狀石英中其他雜質(zhì)礦物EMPA-SEI、EDS分析圖譜(Cr為制片拋光粉所致，下同)

圖4　石英裂隙充填物EMPA-SEI、EDS分析圖譜

元素AlFeCaNaTiKLi其他合計(jì)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結(jié)論

采用光學(xué)顯微鏡、電感耦合等離子發(fā)射光譜、電子探針對(duì)塊狀石英樣品進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

1)該石英中雜質(zhì)元素主要為Al、Na、Ca、Fe、Li、K、Ti；金屬雜質(zhì)總量為114.393 μg·g-1，其中(μg·g-1)：Al 39.13，Na 22.72，Ca 18.94，F(xiàn)e13.40，Li 9.163，K 5.673，Ti 1.412；石英裂隙中未見雜質(zhì)礦物，包裹體多屬原生子礦物包裹體和氣-液包裹體，具有粒度小、數(shù)量多、分布廣等特點(diǎn)。礦物包裹體主要為20μm以下的巖鹽，120μm以下的白云母。

(左右兩圖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)，右圖亮點(diǎn)代表在左圖對(duì)應(yīng)位置的元素Al；為示意清晰，右圖亮點(diǎn)亮度有所加強(qiáng)) 圖5　元素Al面掃描圖像

2)石英雜質(zhì)元素中：Al主要賦存于云母類礦物中，部分Al以類質(zhì)同象的形式存在于石英晶格中。此外白云母中還有元素Fe、K、Ti、Mn和F的存在；Na主要以NaCl的形式存在于巖鹽中，少量存在于白云母中，少量的K以KCl的形式與NaCl伴生；Ca和部分S都以氧化物的形式存在；Ba和部分S賦存于重晶石中；Cu、Zn以氧化礦的形式微量存在于石英中。

3)為保證石英工業(yè)粒度，嵌布于石英中細(xì)粒原生包裹體未實(shí)現(xiàn)單體解離的情況下，采用焙燒，水淬，氫氧化鈉堿浸，混合酸酸浸，可制備成99.991wt%的高純石英砂，雜質(zhì)金屬元素含量(μg·g-1)為90.328，其中Al 36.45，Na 17.61，Ca 13.81，F(xiàn)e 8.434，Li 4.813，K 5.044，Ti 1.045，相對(duì)于精制石英砂，雜質(zhì)金屬總?cè)コ蔬_(dá)到21.04%。

4討論

石英中Al元素的去除率只有6.85%，去除效果并不理想，賦存在原生微細(xì)粒云母類礦物中的Al可能是導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果的原因，這也是我們今后將持續(xù)關(guān)注的科研問題之一。

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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，F(xiàn)e，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(xiàn)，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

基金項(xiàng)目：安順學(xué)院航空電子電器與信息網(wǎng)絡(luò)貴州省高校工程技術(shù)研究中心開放基金資助(編號(hào)：HKDZ201404)

作者簡介：雷紹民(1953-),男，湖北大悟人，武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師、工學(xué)博士，主要從事非金屬礦物深加工、礦物材料研究。E-mail：shmlei@163.com。 通訊作者：林敏(1993-)，男，湖北大冶人，碩士研究生，從事石英礦物學(xué)及提純研究。E-mail: 994690230@qq.com。

中圖分類號(hào)：TD912；TD97

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)06-0079-05