鳳陽(yáng)不同粒度干法石英砂中金屬雜質(zhì)分布規(guī)律研究

李 勇，張宇翔，趙洪義，王友樂(lè)，徐 煒，倪晶晶

安徽鳳陽(yáng)是華東地區(qū)重要的石英砂生產(chǎn)基地，鳳陽(yáng)石英砂主要用于生產(chǎn)玻璃，其生產(chǎn)方式主要有兩種：干法生產(chǎn)和濕法生產(chǎn)［1］.兩種方式生產(chǎn)出來(lái)的石英砂都含有Fe、Ti 等金屬雜質(zhì)，這些金屬雜質(zhì)會(huì)對(duì)玻璃制品的理化性質(zhì)具有重要影響［2-3］，因此，在石英砂生產(chǎn)和加工過(guò)程中需要將這些金屬雜質(zhì)去除.研究發(fā)現(xiàn)，鳳陽(yáng)不同粒度濕法石英砂中鐵雜質(zhì)含量存在很大差別，石英砂粒度越大或者越小其鐵雜質(zhì)含量越高［4］.目前，鳳陽(yáng)石英砂企業(yè)在采用磁選法去除石英砂中Fe 雜質(zhì)的過(guò)程中，沒(méi)有將石英砂按粒度大小進(jìn)行分類(lèi)磁選，如果對(duì)不同粒度石英砂進(jìn)行分類(lèi)磁選，F(xiàn)e 雜質(zhì)的去除效率會(huì)有大幅提高［5］，至于其他金屬雜質(zhì)含量隨石英砂粒度變化的規(guī)律還未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道.本文通過(guò)研究鳳陽(yáng)不同粒度干法石英砂中金屬雜質(zhì)含量分布規(guī)律，為石英砂企業(yè)提高石英砂的品位生產(chǎn)高純石英砂提供幫助.

1 樣品與方法

本文在安徽省鳳陽(yáng)縣某干法石英砂生產(chǎn)企業(yè)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）成品石英砂及石英細(xì)粉（300 目以下）.該石英砂企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中將原料進(jìn)行了水洗，有效去除了原料表面的泥土.石英砂樣品采集回來(lái)后從3#石英砂中挑選出有顏色的顆粒物.將石英石原料磨片后在顯微鏡下觀察，再用電子探針進(jìn)行微區(qū)礦物成分分析，該實(shí)驗(yàn)在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)電子探針實(shí)驗(yàn)室完成.將石英砂和從3#石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）測(cè)量了其中29 種金屬元素（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，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和相關(guān)性分析，由于在石英砂樣品和從3#石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物樣品都未檢測(cè)出Bi、Cd、Co、Cu、Ni、Se、V、As、Mo、Pd、Re、Sb、Sn 13 種金屬，因此，在文中統(tǒng)計(jì)表格中未將它們列出.樣品中金屬含量測(cè)試在蚌埠玻璃工業(yè)設(shè)計(jì)研究院物化所完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微圖像

石英石原料顯微鏡下相片（圖1）顯示，石英石純度高，二氧化硅的含量高于95%，石英顆粒呈圓狀、次圓狀，顆粒間呈三邊鑲嵌狀結(jié)合，粒徑約0.05～0.5 mm，在石英顆粒之間，定向分布有一些半透明和不透明的雜質(zhì)礦物，長(zhǎng)0.02～0.2 mm.在石英顆粒內(nèi)部及顆粒之間存在包裹體，粒徑小于0.005 mm，含量低于1.0%.

圖1 石英石原料顯微鏡下照片

利用電子探針對(duì)石英石原料中典型的雜質(zhì)礦物進(jìn)行成分分析，石英石原料背散射電子圖像結(jié)果見(jiàn)圖2，石英石原料中礦物顆粒的BSE 分析結(jié)果見(jiàn)表1.根據(jù)礦物顆粒的BSE 分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)礦物化學(xué)成分進(jìn)行對(duì)比，顆粒1、顆粒2 和顆粒3 分別是鉀長(zhǎng)石、白云母和金紅石.

表1 石英石原料中雜質(zhì)顆粒的BSE 分析結(jié)果

圖2 石英石原料背散射電子圖像

2.2 金屬雜質(zhì)含量

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對(duì)干法石英砂和從干法砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物樣品中29 種金屬元素含量進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#石英砂及石英細(xì)粉中存在Al、Ti、Ca、Na、Fe、Li、K、Mg、Ba、Mn、Zr 11 種金屬雜質(zhì)，從石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物中除了檢測(cè)出上述11種金屬雜質(zhì)外，還檢測(cè)出了Cr、Sr、Pb、Zn、W 5 種金屬雜質(zhì)，但含量較低，分別為：0.001 5%、0.011 05%、0.001 5%、0.004 1%、0.002 8%.表2中的數(shù)據(jù)還顯示，粒度最細(xì)的石英細(xì)粉中金屬雜質(zhì)總含量最高（4.316 1%）且明顯高于石英砂和從石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物（1.721 0%）.在1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#石英砂中金屬雜質(zhì)含量最高的是粒度最細(xì)的9#石英砂（1.788 6%），金屬雜質(zhì)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%）.圖1顯示，在石英砂顆粒之間分布有較多細(xì)小的雜質(zhì)顆粒，在石英砂生產(chǎn)過(guò)程中，這些細(xì)小的雜質(zhì)顆粒物被粉碎后直接進(jìn)入到細(xì)顆粒的9#砂或石英細(xì)粉中，這是導(dǎo)致9#砂和石英細(xì)粉中金屬雜質(zhì)含量高的主要原因，表2數(shù)據(jù)顯示，石英細(xì)粉中各種金屬雜質(zhì)含量都高于9#石英砂，9#石英砂中各種金屬雜質(zhì)含量都高于1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#石英砂，粒度越細(xì)小的石英砂中雜質(zhì)含量高，這與已有的研究結(jié)論相一致［4，6-7］.1#、2#、3#、4#石英砂由于粒徑較大（>0.6 mm），大于石英顆粒粒徑（0.05～0.5 mm），分布在石英顆粒之間的雜質(zhì)還沒(méi)有分離出來(lái)，磁選工藝難以將這4 類(lèi)大顆粒石英砂中雜質(zhì)分離出來(lái)，從而導(dǎo)致粒徑較大的石英砂中金屬雜質(zhì)含量高.7#和6#石英砂由于粒徑小，在破碎的過(guò)程中，分布在石英顆粒內(nèi)部和石英顆粒之間的雜質(zhì)被分離出來(lái)，經(jīng)磁選后金屬雜質(zhì)含量大幅下降，7#和6#干法石英砂由于各種金屬雜質(zhì)含量低，適合深加工生產(chǎn)高純石英砂.純凈的石英砂是白色透明的，從石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物，由于含有較多的雜質(zhì)導(dǎo)致顏色發(fā)生改變，測(cè)量結(jié)果顯示，它的金屬雜質(zhì)含量高（1.721 0%），且金屬雜質(zhì)種類(lèi)多.

表2 石英砂中金屬雜質(zhì)含量ICP 分析結(jié)果

表2中的數(shù)據(jù)顯示1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#石英砂中金屬雜質(zhì)含量排在前六位的是：Al、K、Fe、Mg、Ti、Na，9#石英砂中金屬雜質(zhì)含量排在前六位的是：Al、K、Fe、Mg、Na、Ti，石英細(xì)粉中金屬雜質(zhì)含量排在前六位的是：Al、Fe、K、Mg、Na、Ti，從石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物中金屬雜質(zhì)含量排在前六位的是：Al、Fe、K、Ti、Mg、Na，所有樣品中Al 的含量最高，1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#石英砂中Al 的含量占金屬雜質(zhì)總含量的70%以上（表3），石英細(xì)粉中該值超過(guò)60%，從石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物中該值超過(guò)50%，說(shuō)明所有樣品中主要金屬雜質(zhì)都是Al.所有樣品中Al、K、Fe、Mg、Na、Ti 六種金屬雜質(zhì)的含量與金屬雜質(zhì)總含量的比值之和都高于97%（表3），說(shuō)明鳳陽(yáng)干法石英砂中金屬雜質(zhì)以這6 種金屬為主.不同粒度石英砂中金屬雜質(zhì)含量存在差別（表2），但不同粒度石英砂中6 種主要金屬雜質(zhì)Al、K、Fe、Mg、Na、Ti 的含量占金屬雜質(zhì)總含量的比值相差不大（表3）.

從石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物和石英細(xì)粉中Fe 雜質(zhì)含量分別為0.53%和0.74%（表2），明顯高于1#～9#石英砂（0.031%～0.089%），從石英砂中挑選出來(lái)的有顏色顆粒物和石英細(xì)粉中Fe 雜質(zhì)含量分別占金屬雜質(zhì)總含量的30.80%和17.23%（表3），說(shuō)明石英石被破碎后再經(jīng)磁選加工，原料中強(qiáng)磁性的Fe 雜質(zhì)被磁選出來(lái)，導(dǎo)致石英砂中Fe 含量大幅下降，磁性弱顆粒細(xì)小的Fe 雜質(zhì)進(jìn)入石英細(xì)粉中，另外機(jī)械鐵的混入也會(huì)導(dǎo)致石英細(xì)粉中Fe 雜質(zhì)含量升高.

表3 石英砂中6 種主要金屬雜質(zhì)含量分析結(jié)果

2.3 相關(guān)性分析

對(duì)1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、9#石英砂及石英細(xì)粉中Al、Ti、Ca、Na、Fe、Li、K、Mg、Ba、Mn、Zr 11 種金屬雜質(zhì)含量進(jìn)行了相關(guān)性分析（表4），數(shù)據(jù)顯示，在0.01 置信區(qū)內(nèi)（雙側(cè)），11種金屬雜質(zhì)含量相互之間都呈顯著正相關(guān)關(guān)系，指示這些金屬雜質(zhì)在干法石英砂中具有相同分布規(guī)律.這就解析了不同粒度干法石英砂中Al、K、Fe、Mg、Na、Ti 含量不同但它們占金屬雜質(zhì)總含量的比值相差不大的原因.

表4 石英砂樣品中金屬雜質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論

（1）鳳陽(yáng)用于生產(chǎn)干法石英砂的原料純度高，二氧化硅的含量高于95%，在石英顆粒之間，定向分布有鉀長(zhǎng)石、白云母和金紅石等雜質(zhì)礦物，長(zhǎng)為0.02～0.2 mm.

（2）鳳陽(yáng)干法石英砂中存在Al、Ti、Ca、Na、Fe、Li、K、Mg、Ba、Mn、Zr 11 種金屬雜質(zhì)，其中Al 含量最高，11 種金屬雜質(zhì)含量相互之間都呈顯著正相關(guān)關(guān)系，指示它們?cè)诟煞ㄊ⑸爸芯哂邢嗤植家?guī)律.

（3）不同粒度干法石英砂中11 種金屬雜質(zhì)含量存在差別，粒度小于120 目的石英砂中金屬雜質(zhì)含量最高，且粒度越小金屬雜質(zhì)含量越高；粒度大于30 目石英砂，金屬雜質(zhì)含量比較穩(wěn)定；30～120 目石英砂，金屬雜質(zhì)含量較低，其中70～90 目石英砂中金屬雜質(zhì)含量最低.