摘要：石英砂是石英石经破碎加工而成的石英颗粒，石英石是一种非金属矿物质，是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物。石英砂是重要的工业矿物原料，非化学危险品，广泛用于玻璃、铸造、陶瓷及防火材料等工业。作为重要的工业原料，其生产加工技术值得深入的学习研究。
引言
石英砂作为硅原料的核心原料，在硅原料的生产与供应中起着不可替代的重要基础作用。它所具有的独特物理、化学、光学特性，使得其在许多高科技产品中发挥着越来越重要的作用。如IT行业的核心技术产-计算机芯片、光导纤维、电子产业的谐振器、新型电光源、高绝缘的封接材料、航空航天仪器、军工技术产品、特种光学玻璃、化学分析仪器等等，都离不开这些基础原料。
1、石英砂概述
1.1 石英砂简介
石英是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英(a-石英)，是石英族矿物中分布较广的一个矿物种。
广义的石英还包括高温石英(b-石英)。石英块又名硅石，主要是生产石英砂(又称硅砂)的原料，也是石英耐火材料和烧制硅铁的原料。石英化学式为SiO2，常含有少量杂质成分如Al2O3、CaO、MgO等。
石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2，石英砂的颜色为乳白色或无色半透明状，硬度7，性脆无解理，贝壳状断口，油脂光泽，密度为2.65，其化学、热学和机械性能具有明显的异向性，不溶于酸，微溶于KOH溶液，熔点1750℃。
1.2 石英砂分类
工业上的分类：普通石英砂、精制石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂、硅微粉。
| 类型 | SiO2 | Fe2O3 | 粒度范围 | 其他特征 |
| 普通石英砂 | 90%-99% | 0.2%-0.06% | 5-220 | |
| 精制石英砂 | 90%-99.5% | 0.015%-0.02% | 5-480 | |
| 高纯石英砂 | 99.5%-99.9% | ＜0.001% |
1-0.5mm 0.5-0.1mm 0.1-0.01mm 0.01-0.005mm |
|
| 熔融石英砂 | 99.9%-99.9% | 5PPM-25PPM |
Li2O1-2PPM Al2O320-30PPM K2O20-25PPM Na2O10-20PPM |
1.3 部分石英砂使有标准
| 原料品质 | 杂质总量×10-4 | 无杂质成分 | 应用范围 | ||||
| Al | Fe | B | 碱金属 | 碱土金属 | |||
| 普通 | 150-50 | 无具体要求 | 电光源 | ||||
| 高纯 | ＜30 | ＜15×10-3 | ＜1.5×10-3 | ＜0.5×10-3 | ＜4×10-3 | ＜4×10-3 | 电子石英、光纤管 |
| 较高纯 | ＜10 | ＜3×10-3 | ＜0.1×10-3 | ＜0.1×10-3 | ＜0.5×10-3 | ＜1×10-3 | 光学应用 |
石英玻璃原料的一般工业要求：
世界各国对玻璃用石英砂的粒度控制不完全相同，但一般认为颗粒度较适宜的范围在0.5-0.1mm之间，大于0.5mm和小于0.1mm的粒度均不得超过5%。我国熔制玻璃的硅砂粒度控制在0.1-0.75mm，其中0.25-0.5mm的粒度不应少于90%，小于0.1mm的不超过5%。硅砂粒度过粗，熔融困难；粒度过细，又容易结成团块，使配料不容易拌匀，而影响玻璃质量。
中国平板玻璃和器皿玻璃的一般技术指标要求：
光学玻璃和光通玻璃纤维对硅砂质量要求很高，一般采用SiO2≥99.92%，Fe2O3＜0.003%的精制砂和高硅砂制作各种中、光学镜片和炼制光纤通信用的石英玻璃纤维。
| 矿石品级 | 主要化学成分要求，% | 备注 | |||||
| SiO2 | Al2O2 | Fe2O3 | TiO3 | CrO3 | |||
| 平板玻璃 | Ⅰ | ＞99 | ＜0.5 | ＜0.05 | ＜0.5 | ＜0.5 | 特种玻璃 |
| Ⅱ | ＞98 | ＜1.0 | ＜0.1 | 工业技术玻璃 | |||
| Ⅲ | ＞96 | ＜2.0 | ＜0.1 | 一般平板玻璃 | |||
| 器皿玻璃 | Ⅰ | ＞99 | ＜1.0 | ＜0.05 | 玻璃器皿等 | ||
| Ⅱ | ＞98 | ＜2.0 | ＜0.1 | 一般玻璃器皿 | |||
| Ⅲ | ＞90 | ＜4.0 | ＜0.35 | 瓶罐玻璃 | |||
铸造型砂工业要求：
利用硅砂高熔点特性制成铸钢件的砂蕊。根据铸钢件大小及准确度的要求不同，可使用40-320目各种规格的石英砂。一般多用SiO2≥99.5%的精制石英砂。普通铸钢件要求石英砂质量稍低。
| 原砂类型 | 等符号 | 泥率，% | SiO2，% | K2O+Na2O，% | CaO+MgO，% | Fe2O3 |
| 石英砂 |
1s 2s 3s 4s |
≤2 ≤2 ≤2 ≤2 |
≥97 ≥96 ≥94 ≥90 |
≤0.5 ≤1.5 ≤2.0 ..... |
≤1.0 ≤1.5 ≤2.0 ..... |
≤0.75 ≤1.0 ≤1.5 ..... |
| 石英-长石砂 |
1sc 2sc |
≤2 ≤2 |
≥85 ≥85 |
其他，在化工产品中利用石英砂含硅高和化学稳定性制取泡花碱。固体泡花碱中，石英用量约占60%。
固体泡花碱主要在炼制石油工业中作催化剂。要求石英砂中SiO2＞99%，Fe2O3＜0.03%，粒度20-40目，颗粒度合格率大于75%。
液体泡花碱主要作为纸箱用的粘合剂和肥皂、洗衣粉等，按它们的用途和生产工艺不同，对石英砂的质量要求也不完全相同，一般可使用20-320目各种规格石英砂，要求SiO2＞98%，Fe2O3＜0.2%，颗粒度合格率＞80%。
2、石英砂的生产工艺
2.1 物理法加工石英砂
物理方法主要是水洗和分级脱泥、擦洗、磁选和浮选法等。
2.1.1 水洗和分级脱泥
这种方法主要是针对含有大量粘土矿物的石英砂。
因为随着石英砂颗粒变细，其中SiO2的品位随之降低，而铁质和铝质等杂质矿物的品位反而升高，所以在入选前对石英砂原矿进行水选、分级脱泥非常必要，并且效果也较为明显。
它只是作为一种矿石入选前的预处理方法，应用得较早也很普遍，但对于存在于石英砂表面的薄膜铁和粘连性杂质矿物，其脱除效果尚不显著。
2.1.2 擦洗
擦洗是借助机械力和砂粒间的磨剥力来除去石英砂表面的薄膜铁、粘结及泥性杂质矿物和进一步擦碎未成单体的矿物集合体，再经分级作业达到石英砂进一步提纯的效果。
目前，主要有棒磨擦洗和机械擦洗两种方法。
对于机械擦洗，其相关机械设备的结构和配置以及工艺流程中的擦洗时间和擦洗浓度都是影响擦洗效果的主要因素。
由于影响它的因素太多，使机械擦洗的回收率很低，只有约40%，所以机械擦洗的效果不太理想。相对于机械擦洗，棒磨擦洗的效果要比它好得多。
在棒磨擦洗工艺中，加入适当的药剂，增加杂质矿物和石英颗粒表面的电斥力，增强杂质矿物与石英颗粒相互间的分离效果，使擦洗的回收率提高到80%，棒磨擦洗几乎是机械擦洗的两倍，但是对于提纯高纯度的石英砂，它也只是对矿石预处理的一种方法。
2.1.3 磁选
磁选法可以较大限度地去除石英砂颗粒内含有的杂质。
以赤铁矿、褐铁矿和黑云母等为主的弱磁性杂质矿物和以磁铁矿为主的强磁性矿物。
对于强磁性杂质的矿物常采用弱磁机或者是中磁机进行磁选。
一般来说，磁选次数和磁场强度对磁选除铁效果有重要影响，随磁选次数的增加，含铁量逐渐减少。
而在一定的磁场强度下可除去大部分的铁质，但此后磁场强度即使提高很多，除铁率也无多大变化。
另外，石英砂粒度越细，除铁效果越好，其原因是细粒石英砂中含铁杂质矿物量高的缘故。
2.1.4 浮选
浮选是为了除去石英砂中长石、云母等非磁性伴生杂质矿物。目前主要有有氟浮选和无氟浮选两种方法。
有氟浮选是采用阳离子捕收剂和氢氟酸活化剂在酸性pH值范围内进行的。
但是考虑到含氟废水对环境的严重影响，人们开始转向无氟浮选。
2.2 化学法加工石英砂
化学方法主要是酸浸法和络合法，酸浸法是利用石英不溶于酸(HF除外)，其他杂质矿物能被酸液溶解的特点，从而可以实现对石英的进一步提纯。
络合法是利用石英粉在经过酸浸后，酸又能与溶液中的杂质离子形成配位化合物，使溶液中的杂质离子进一步去除。
酸浸法又分为单酸浸法和混合酸浸法。酸浸法常用酸类有硫酸、盐酸、硝酸和氢氟酸。络合法常用的酸类主要是草酸和醋酸。
2.2.1 单酸浸法
将一定量的石英砂置于一定浓度的酸溶液中，加热到一定温度，加热适当的时间，将酸溶液回收，石英砂经洗涤、干燥即可。
2.2.2 络合法
络合法是将一种中等强度的有机酸，与石英砂表面的杂质发生反应，且还能与反应后的杂质离子形成稳定的配位化合物。
此法降低了杂质离子在颗粒表面的浓度，同时也防止离子在洗涤过程中产生沉淀，使石英砂中杂质含量进一步降低。
Panias等用将平均粒径20μm含铁量为110×10-6的石英砂，称取一定量置于草酸溶液中，在加热至80℃下，处理时间为3h，可以溶解含铁矿物。
在酸性溶液中只能以Fe3+形式存在，Fe3+
其除铁率在80%-100%之间，经过处理后，石英砂中含铁量低于10×10-6。
2.2.3 混合酸浸法
由于每一种酸对石英砂中杂质的去除效果不同，不同的酸混合在一起，产生协同效应，使石英砂中杂质的去除率更高，可以获得纯度更高的石英砂。
将水洗后的石英砂加入到混合酸液中，在常温下，间隙搅拌浸出，一般时间为24h；若在加热的条件下，采用搅拌浸出，时间一般为2-6h，洗涤干燥即可。
2.3 其他方法
3、石英砂的应用
石英砂所具有的独特的物理化学特性，使得其在航空、航天、电子、机械以及当今飞速发展的IT产业中占有举足轻重的地位，特别是其内在分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，在许多高科技产品中发挥着越来越重要。用途：制造玻璃，耐火材料，冶炼硅铁，冶金熔剂，陶瓷，研磨材料，铸造，石英产品在建筑中利用其有很强的抗酸性介质浸蚀能力，用来制取耐酸混凝土及耐酸砂浆。
水处理滤料：由于三层滤料滤床的石英砂粒径比双层滤料的石英砂粒小，且石英砂层之下还有一层更细的重质无烟煤滤料，所以在其他条件相同，甚至滤速高一些的情况下，三层滤料滤池的滤后水的水质比双层滤料滤池的水质为好。在使用石英砂的时候，尽量配合使用。
我国绝大多数污水处理厂执行的是《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的B标准，而执行A标准可以较大限度地对污水进行“除磷脱氮”，减少对后续受纳水体的污染，出水可作为回用水，解决我国部分地区水资源紧缺的问题。
4、总结
石英砂是重要的工业原材料，其生产制备工艺面临众多困难，尤其是高纯石英砂是应用较为广泛的原材料，但提纯技术复杂，目前全球掌握此技术的只有少数企业，行业技术壁垒较高。
国内外企业适应制品生产技术差别很多，国内主要生产中低端产品。随着市场的发展，石英砂的应用日趋广泛，国内需求市场空间更大，但不断提高自身的技术水平，向石英砂产品方向发展。
