高纯石英由于其独特的物理化学性质，在许多高科技和军工产品中发挥着不可替代的重要作用，其需求将随着全球新技术和新材料产业的快速发展而不断增长。 国内高纯石英砂一般以脉状石英石为原料生产，因为脉状石英是从地下热水中生长出来的，往往含有大量的气液夹杂物和羟基，对石英制品的高温和红外性能有非常不利的影响。 对于有高温和红外性能要求的应用，高纯石英砂只能完全依靠进口，如拉丝硅单晶用石英坩埚内壁、高档红外光学玻璃用石英砂等领域。 这种高纯石英砂的制备是目前典型的“卡脖子”技术。
Unimin（现为Covia的一部分）是世界领先的高纯石英生产商，利用美国云杉松地区生产的花岗岩伟晶岩（白色花岗岩）生产高纯石英砂。 花岗伟晶岩气液包裹体和羟基含量很低，生产的高纯石英砂性能优异，在世界高纯石英砂领域占据主导地位。 因此，以美国相似的花岗岩伟晶岩为原料生产高纯石英砂，是国产石英砂质量赶上美国产品的可能途径。
本研究通过类比分析了美国云杉松花岗岩型高纯石英原料矿床的成矿地质条件和成矿规律，发现河南省不含稀有金属或稀有金属元素含量很少的花岗伟晶岩具有提纯高纯石英的潜力。 为达到提纯高纯石英的目的，以河南某地的花岗伟晶岩为原料，选取工艺矿物学特性好的样品进行提纯试验，为突破我国高纯石英砂制备中“卡颈”的技术瓶颈提供矿物原料基础。
1.矿物样品性质和试剂。
1.1.矿物样品特性。
矿样取自河南某花岗伟晶岩，如图1所示，在外观上与美国云杉松地区的花岗岩伟晶岩相似。 分布于中一新元古代（PT2-3Z）地层，赋存与地层赋存一致，宽度约40m，走向150°，脉沿走向延伸地表约350m。 矿物成分主要为斜长石、石英、云母，岩石呈白色，花岗岩结构，斜长石约60%，石英约35%，白云母约5%。 其中，石英颗粒大小从1 4cm不等，呈灰白色，半透明，有油状光泽，与长石有明显边界。
图1 河南省花岗伟晶岩矿（A）与云杉地区花岗伟晶岩（B）的比较。
2. 测试协议和研究方法。
2.1 测试协议。
试验前，按照图2中的工艺对矿样进行提纯：首先将原矿样品粗碎至20 50mm然后在900°C煅烧1h，然后用水淬火最后，将水淬矿样品破碎至所需粒度，筛分并搁置。 水淬会造成矿物内部的微裂纹，有助于去除一些比较大的夹杂杂质，促进不同矿物相的解离，也有利于后续的制砂工艺选取经水淬、破碎、筛分后粒径合适的试样进行磁选、浮选、酸浸、洗涤、干燥等工艺，最终得到石英细砂。
2.2 研究和测试方法。
将 15 g 石英砂样品放入 XFD-1 中在5L单罐浮选机中，向刻度线中加入纯水，搅拌2min，使矿样均匀分散在浮选池中;将浆料调节到合适的pH值后，加入适量的活化剂HF;加入捕收剂十二胺后，浮选过程持续10min，分别收集浮出和沉淀产物，干燥备用。 测试磁选机为周期性高梯度磁选机，通过调节磁场的强度和频率来确定最佳条件。
使用电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）对矿石样品进行多元素化学分析，所有测量均使用Spectr OARCOS FHX22 ICP光谱仪进行。 使用X射线粉末衍射仪（XRD，理学智能实验室，=0.）对矿石样品进行结构分析。15406nm，9kw)。工作条件：工作电压为40kv，工作电流为20mA，扫描速度为057s，扫描范围10 70°。
3 结果和讨论。
3.1 花岗伟晶岩的矿物学和化学成分分析。
从河南省A采集了3个不同地点的花岗岩样品，分别记录为HN01、HN02和HN03。 表1显示了美国云杉平地区3个矿样和2个花岗伟晶岩样品中Al、Fe、K、Ti、Ca和Mg六种主要杂质元素的ICP-OES分析结果。 结果表明：河南省花岗伟晶岩中6种主要杂质元素的初始含量均低于美国云杉松矿花岗伟晶岩，杂质元素含量低可以降低后续提纯测试的难度，使提纯效果更加明显。 图3为河南省花岗伟晶岩HN01、HN02、HN03和美国云杉松矿花岗伟晶岩的粉末X射线衍射图。 结果表明，两种花岗伟晶岩的矿物成分大致相似，均含有石英、长石和云母，与图1中对矿样的观测结果一致。
河南省花岗伟晶岩矿石和云杉松地区花岗伟晶岩的XRD衍射图谱
3.2 磁选测试产品的ICP-OES分析。
磁选是石英砂中磁性杂质、矿物质和颗粒的分离。 石英砂中的石英是一种非磁性物质，在磁场中不能被磁化，而大部分含有Fe和Ti的杂质是磁性物质，可以被磁化，因此可以通过磁选去除一些含有Fe和Ti的杂质。 为了提高磁选对花岗伟晶岩中杂质去除的效果，选取了Fe、Ti含量较高的HN01试样，磁选的最佳条件为：磁场强度为13515ka m，2 次磁选。 磁选试验产品的ICP分析结果见表2。 从表2可以看出，磁选后Fe和Ti的含量显著降低，Fe和Ti的含量分别从1389xx10-6下降到416x4x10-6，Fe和Ti杂质去除效率分别达到70和28。 可以看出，磁选可以有效地去除一部分Fe和Ti杂质。
3.3、浮选试验产品的ICP-OES分析。
浮选是选矿行业常用的分离不同矿物的方法，其主要功能是将石英砂与石英、云母、长石等矿物分离。 浆液的pH值和捕收剂的种类和用量对浮选的净化效果有显著影响。 为了高效分离花岗伟晶岩中的石英砂，本试验采用高效便捷的氟酸浮选法，选择硫酸作为pH调节剂，HF作为活化剂，DDA作为浮选剂。 在 pH 2 下测试7 （H2SO4 适当 +0..）5 mL HF）、DDA（6x10-4mol L）。浮选产物的ICP分析结果见表3。 从表3可以看出，三种花岗伟晶岩浮选后石英与其他杂质矿物的分离效果更好。 浮选细砂主要杂质总含量小于5000x10-6，纯度达到995%以上，浮选细砂指数较好，为后续酸浸试验提供了纯度高的原料。
3.4、酸浸试验品的ICP-OES分析。
石英不溶于酸（氢氟酸除外），通过酸溶解Fe等有害元素，分离杂质，得到高纯度的石英砂。 石英砂表面和缝隙中的杂质可以通过酸浸最大程度去除。 此外，含有Al、Fe等元素的硅酸盐矿物更容易被酸溶解，因此通过浮选、磁选等手段不能完全解离或分离的长石、云母等杂质矿物，可以通过酸洗有效去除。
已经发现，在酸浸过程中使用混合酸对去除杂质更有效，但石英会被氢氟酸溶解，因此混合酸中氢氟酸的浓度不宜过高。 05mol l 硫酸加 03mol l氢氟酸，分别酸浸2h和8h。 酸浸产物分析结果见表4。 从表4可以看出，酸浸后HN01、HN02和HN03中杂质元素含量明显降低。 其中，HN01样品除杂效果最好，酸浸2h、8h后总杂质含量均小于100X10-6，纯度达到4N以上。 酸浸8 h后，HN03样品杂质含量明显降低，总杂质含量仅为4432x10-6。
虽然HN02样品的除杂效果不佳，但酸浸8小时后杂质总含量也降至3099x10-6。
3.5 纯化产物的XRD分析。
从以上试验和ICP分析可以看出，HN03花岗伟晶岩经磁选、浮选、酸浸等多次提纯后，主要杂质含量降低到4432x10-6，纯度达到4n5以上。 为了研究从花岗伟晶岩中提取的高纯石英砂的矿物学性质，对其进行了XRD分析，分析结果如图4所示。 从图4的结果可以看出，提纯后的HN03样品中已经去除了云母、长石等杂质矿物，提取的高纯石英砂的XRD衍射图与Unimin高纯石英砂相同，表明可以从花岗岩伟晶岩中提取出具有单一SiO2晶相的高纯石英砂。
图4 HN03花岗伟晶岩提纯高纯石英砂的XRD衍射图谱。
3.6 气液夹杂物的观察。
图4是以HN03河南花岗岩和优敏石英砂为原料制备的高纯石英砂的光学微观光微观**（图5），两种石英砂的形貌非常相似，石英砂表面比较光滑，并且有一些区域聚集了微观裂纹，内部可以看到大面积的无气液夹杂物的洁净区域， 并且只能在局部观察到少量的气液夹杂物。两类石英砂中气液夹杂物的含量明显低于由脉石英制备的普通石英砂。 因此，由河南花岗伟晶岩制备的石英砂在需要低水分和羟基含量的应用中，如制备高档红外玻璃，可望与优明石英砂性能相似。
图5 河南省花岗伟晶岩提取石英砂（a）和宇明石英砂（b）的光学显微镜**（x100）。
4 结论。 1）河南国产花岗岩伟晶岩矿物成分与美国云杉松地区花岗岩伟晶岩相似，主要杂质元素含量低于美国云杉松地区花岗岩伟晶岩，可成功实现花岗伟晶岩中石英相与其他相的分离，制备高纯石英砂。并且由于花岗伟晶岩独特的理化性质，更容易成为制备高纯石英砂的原料。
2）样品经粗碎、煅烧、水淬、研磨制砂、磁选、浮选、酸浸等处理，在合适的试验条件下可得到纯度在4N5以上的高纯石英砂，所得石英砂中气液夹杂物含量明显低于脉石英制备的石英砂， 且光学微观形貌与优明石英砂非常相似。
3）用花岗伟晶岩生产高纯石英砂是可行的，该方法是用合成高纯石英砂和脉石英制备高纯石英砂的新途径。
2024第二届安徽国际石英产业大会暨展览会。