陜西某石英砂工藝礦物學(xué)及可選性實驗

肖蘄航 ，李育彪 ，湯啟宙

（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. 武鋼資源集團(tuán)程潮礦業(yè)有限公司，湖北 鄂州 436051）

近年來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，光伏玻璃需求量急劇增加，2020 年下半年以來，光伏玻璃價格一度接近翻倍。而光伏玻璃作為光伏產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，要求石英砂原料中有色雜質(zhì)含量低，透明、透光性能好。為增加光伏玻璃透光性，石英砂原料中Fe2O3含量需低于0.0080%[1]。中國光伏新增裝機(jī)容量連續(xù)多年穩(wěn)居全球第一，每年新增裝機(jī)容量均保持在10%以上的增長速度，市場前景廣闊。因此，對石英砂進(jìn)行純化是制備光伏玻璃的必經(jīng)之路，在應(yīng)對能源危機(jī)及環(huán)境保護(hù)方面都具有十分重要的現(xiàn)實意義。

研究人員開展了大量關(guān)于石英砂提純的研究工作，主要集中于原料選擇技術(shù)、性質(zhì)分析技術(shù)、提純加工技術(shù)和質(zhì)量檢測技術(shù)四個方面，但目前為止，針對石英原料性質(zhì)分析的研究報道較少，阻礙了我國石英資源的高效開發(fā)與利用，甚至嚴(yán)重制約了下游高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

陜西某地石英巖礦帶規(guī)模較大，石英砂資源儲量豐富，高值高效利用該地石英砂資源將有助于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。本文針對石英原礦的化學(xué)成分、礦物組成、粒度分布及雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)等進(jìn)行了詳細(xì)研究，并進(jìn)行了可選性實驗，對其作為生產(chǎn)加工光伏玻璃石英砂的可行性做出評價，取得了較好的結(jié)果。

1 工藝礦物學(xué)研究

通過工藝礦物學(xué)研究石英原礦礦物組成、礦物粒度、元素賦存狀態(tài)、礦物之間的嵌布特征等[2-3]，以期揭示各礦物之間的相互依存關(guān)系，有利于分選及實驗流程設(shè)計[4-5]。

1.1 化學(xué)成分分析

本文以陜西某石英砂為實驗原料，采用電感耦合等離子體光譜儀(ICP-OES) 對其化學(xué)成分進(jìn)行測試，將測試結(jié)果換算為金屬氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)果見表1。由結(jié)果可知，該石英砂SiO2含量為99.64%，質(zhì)地較純凈，但雜質(zhì)元素含量較高，主要為Al2O3、Fe2O3、TiO2、 K2O、Na2O等，是提純的主要目標(biāo)。

表1 石英砂提純實驗樣品主要元素分析結(jié)果/（μg·g-1）Table 1 Analysis results of main elements of quartz sand purification experimental samples

1.2 礦物組成分析

原礦石英砂XRD 圖譜見圖1，與礦物標(biāo)準(zhǔn)圖譜進(jìn)行比對，樣品中礦物峰與石英特征峰相吻合，且衍射峰強(qiáng)度較高，未見其他雜質(zhì)礦物特征衍射峰，說明該石英砂原礦純度較高，與ICP 測試結(jié)果一致。

圖1 石英砂石X 射線衍射Fig.1 X-ray diffraction of quartz sand

為進(jìn)一步觀察石英砂顆粒聚集狀態(tài)、粒度大小及分布、雜質(zhì)礦物的組成及嵌布特征等，將石英砂原礦樣品磨制光學(xué)薄片后，利用萊卡公司DMLP 型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行研究分析，結(jié)果見圖2。

圖2 石英砂礦光學(xué)顯微鏡照片F(xiàn)ig.2 Optical microscope photo of quartz sand ore

圖中石英砂顆粒（Q）在光學(xué)顯微鏡表現(xiàn)為無色透明，形狀呈不規(guī)則多邊形，視域范圍內(nèi)呈離散雜亂分布，石英顆粒表面偶見微裂紋，雜質(zhì)礦物組成及嵌布特征復(fù)雜，主要以包裹體形式或與石英顆粒形成集合體分布在石英邊界和空隙處?？梢婘[片狀粒度較大不透明黑云母（B），金紅石（R）分布在部分石英顆粒表面。

1.3 粒度分布特征

圖3 為石英砂粒度分布曲線。由圖可以看出原礦石英砂粒度分布范圍較廣，石英砂粒度主要集中分布于150～300 μm 范圍內(nèi)，占總量60%以上。其中粒度分布為D10=121.462 μm，D50=223.646μm，D90=399.528 μm，石英晶粒單體粒徑最大為722 μm，最小為74 μm，粒度分布特征表現(xiàn)為粗細(xì)粒分布不均勻。

圖3 石英砂粒度分布曲線Fig.3 Quartz sand particle size distribution curve

1.4 雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)

采用電子探針X 射線微區(qū)分析儀（EPMA）對石英砂原礦薄片進(jìn)行雜質(zhì)賦存狀態(tài)分析，得到了Si、O、Al、Na、K、Mg、Fe、Ca 七種元素及其含量，三個不同視域內(nèi)微區(qū)形貌與能譜圖見圖4，結(jié)果見表2。結(jié)果表明：石英砂原礦中主要雜質(zhì)礦物包裹體為：斜長石、（鉀）長石、云母、粘土礦物、金紅石、鈦鐵礦等，其中Al 元素存在于云母、長石、高嶺土和粘土礦物中；Na 元素存于與長石、粘土礦物中；K 元素存在于云母、鉀長石、粘土礦物中；Ca 元素存在于長石、云母、粘土礦物中；Mg 元素存在于長石、黑云母、粘土礦物中；Fe 元素存在于氧化鐵、鈦鐵礦中；Ti 元素存在于金紅石、鈦鐵礦中。

圖4 三個不同視域內(nèi)石英砂電子探針能譜Fig.4 Electron probe energy spectrum of quartz sand in three different fields of view

表2 電子探針能譜分析結(jié)果/%Table 2 Electron probe energy spectrum analysis results

圖5 是采用電子探針對圖4 中三個視域石英砂中雜質(zhì)元素分布狀態(tài)進(jìn)行能譜面掃描的分析結(jié)果。結(jié)果表明，Si、O 元素均勻分布于石英內(nèi)部區(qū)域，而雜質(zhì)元素零星分散分布于石英晶體中，但在邊緣斷裂面處有部分富集，不同雜質(zhì)元素在石英晶體中分布量存在差異，表明雜質(zhì)元素在石英晶格中可能以類質(zhì)同象的形式取代 Si，分布在石英顆粒內(nèi)部。

圖5 石英砂面掃描分析結(jié)果Fig.5 Scanning analyses of quartz sand surface

2 可選性實驗

結(jié)合石英砂礦樣性質(zhì)，對鈦鐵礦、金紅石等比重較大的脈石礦物，可通過重選方法進(jìn)行選別，對含F(xiàn)e 雜質(zhì)礦物如磁鐵礦、氧化鐵等可以通過磁選去除，而石英砂表面的氧化鐵薄膜則可以借助擦洗去除，長石、云母等粘土類礦物可采用浮選方法進(jìn)行分離。由于石英砂顆粒中Al、K、Fe 等元素可能以雜質(zhì)礦物包裹體形式賦存于石英顆粒表面及裂隙處，可采用化學(xué)酸浸去除此類雜質(zhì)礦物。

通過分析，采取重選-磁選-擦洗-浮選-酸浸的提純工藝路線進(jìn)行可選性實驗研究，流程見圖6。

圖6 石英砂選礦提純實驗流程Fig.6 Test flow of quartz sand beneficiation and purification

表1 為石英砂原樣在提純實驗各階段的化學(xué)元素分析。原礦經(jīng)重選、磁選、擦洗、浮選、酸浸工藝提純后，最終制得的石英砂精礦中SiO2含量可達(dá)99.90%，總回收率為91.27%，總雜質(zhì)元素含量降至909.85 μg/g，殘余Al、K、Na 及Ti 等雜質(zhì)元素賦存狀態(tài)可能為晶格取代或以類質(zhì)同象形式存在于石英晶體中。后續(xù)工藝需在有效暴露礦物包裹體及去除晶格間雜質(zhì)元素方面進(jìn)行改進(jìn)和提升。

3 結(jié) 論

（1）石英砂原礦SiO2含量為99.64%，雜質(zhì)元素主要存在于伴生脈石礦物、雜質(zhì)礦物包裹體和晶格內(nèi)部。Al 元素主要賦存于云母、長石、高嶺土和粘土礦物中；Na 元素主要賦存于與長石、粘土礦物中；K 元素主要賦存于云母、鉀長石、粘土礦物中；Ca 元素主要賦存于長石、云母、粘土礦物中；Mg 元素主要賦存于長石、黑云母、粘土礦物中；Fe 元素主要賦存于氧化鐵、鈦鐵礦中；Ti 元素主要賦存于金紅石、鈦鐵礦中。

（2）通過重選—磁選—擦洗—浮選—酸浸除雜提純工藝后處理后SiO2含量達(dá)99.90%、Fe2O3含量為41.58×10-6μg/g，產(chǎn)品質(zhì)量得到明顯提升，最終石英砂精礦符合高端光伏石英砂原料標(biāo)準(zhǔn)，在太陽能利用領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的市場應(yīng)用前景，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。