CN112919478A

CN112919478A - 一种高纯石英的制备方法

Info

Publication number: CN112919478A
Application number: CN202110269481.6A
Authority: CN
Inventors: 李育彪; 柯春云; 裴振宇; 马强; 雷绍民
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2021-03-12
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-06-08

Abstract

本发明涉及一种高纯石英的制备方法，包括将天然石英颗粒放入碱液中浸出；将碱浸后的石英放入酸液中浸出，浸出后经过水洗、过滤、干燥，即制得高纯石英。本发明提供的一种高纯石英的制备方法，利用氢氧化钠作为浸出剂，通过其能溶解二氧化硅来处理石英中的杂质，处理效果接近氢氟酸浸出法，不仅避免了氢氟酸带来的环境与安全问题，还降低了提纯药剂与运行维护成本。

Description

一种高纯石英的制备方法

技术领域

本发明涉及高纯石英制备技术领域，尤其涉及一种高纯石英的制备方法。

背景技术

浸出是一种常用的处理石英中杂质的方法，利用浸出剂选择性溶解某些组分并转入溶液中，再通过固液分离实现目的组分与杂质的分选。石英浸出中常使用盐酸、硫酸来有效溶解暴露在表面的杂质。

由于石英化学性质稳定，几乎不溶于盐酸和硫酸，在高纯石英浸出中往往还配合使用氢氟酸来溶解和去除富集在裂缝和位错附近的杂质。但氢氟酸具有极强的腐蚀性，能腐蚀玻璃和含硅物质。浸出过程中常常伴随着升温，氢氟酸会部分挥发，对呼吸系统、皮肤等造成危害，甚至危及生命健康。此外，浸出液中的氟化物是一种环境不友好的废液，处理排放会增加成本。因此，找到一种可替代氢氟酸的环境友好型浸出剂对石英进行浸出处理是当前急需解决的现实问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种高纯石英的制备方法，用以解决氢氟酸浸出带来的环境问题。

本发明提供一种高纯石英的制备方法，包括以下步骤：

碱液浸出：将筛分后的石英原矿与氢氧化钠溶液混合进行热浸出；

酸液浸出：将碱液浸出后的石英与盐酸溶液混合进行热浸出后，再经水洗、过滤和干燥，即制得高纯石英。

具体的，所述石英原矿包含石英、云母、微斜长石、钠长石和钙长石。

优选的，所述碱液中OH^-浓度不低于0.6mol/L，针对石英原矿加入的碱液速率为每克石英原矿每分钟5～15mL碱液。

具体的，碱液浸出步骤中，浸出温度为100～300℃，反应时间为2～8h。

更具体的，碱液浸出步骤中，石英原矿平均粒度小于125μm。

优选的，酸液浸出步骤中，所述酸液中H⁺浓度不低于0.6mol/L，针对石英加入的酸液速率为每克石英每分钟5～15mL酸液。

更具体的，酸液浸出步骤中，浸出温度为100～300℃，反应时间为2～8h。

有益效果：

本发明采用氢氧化钠代替氢氟酸作为浸出剂，避免了氢氟酸对人体的危害与所带来的环境问题，且氢氧化钠价格远低于氢氟酸，浸出成本大大降低。本发明使用氢氧化钠、盐酸联合浸出后Al元素含量最低为17.01μg/g，较接近盐酸用量为4mol/L，氢氟酸用量为0.6mol/L，液固比为6mL:1g，混合后加入石英砂，200℃浸出8h，浸出后Al元素含量为16.32μg/g；先碱浸有利于暴露和溶解更多被石英包覆的杂质，并促进各种杂质向石英表面聚集，有利于进一步酸浸除杂处理。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高纯石英的制备方法流程图。

图2是本发明实施例提供的不同浓度碱液处理后的产品Al含量图。

图3是本发明实施例提供的不同碱液浸出时间和浸出温度的石英溶解量图。

图4是本发明实施例提供的不同酸液浸出时间和浸出温度的产品Al含量图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

氢氧化钠是最常见的碱性物质之一，可以与二氧化硅反应，且其本身与其反应产物均对人体危害小，如果能将氢氧化钠应用到石英提纯领域，可以实现“无氟浸出”，不仅能减少对呼吸系统、皮肤等造成危害，浸出后排放物还能减少对环境的破坏。

氢氧化钠浸出时可能发生的反应有以下反应：

石英：SiO₂+2OH^-→H₂SiO₄ ^2-

云母：KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂+10OH^-+2H₂O→K^-+3Al(OH)₄-+3H₂SiO₄ ^2-

微斜长石：K[AlSi₃O₈]+8OH^-→K^-+Al(OH)₄ ^-+3H₂SiO₄ ^2-

钠长石：Na[AlSi₃O₈]+8OH^-→Na^—+Al(OH)₄ ^-+3H₂SiO₄ ^2-

钙长石：Ca[Al₂Si₂O₈]+6OH^-+4H₂O→Ca(OH)₂+2Al(OH)₄ ^-+2H₂SiO₄ ^2-

以上反应方程式说明，氢氧化钠均可以与石英原矿及主要杂质反应，用氢氧化钠代替氢氟酸作为浸出剂可行性高。

本发明提供一种高纯石英的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：

具体的，石英原矿包含石英矿、云母、微斜长石、钠长石和钙长石等。通过本发明的方法能够显著降低高纯石英中的Al、Ca、K和Na元素，具有更加广泛的去除各种金属元素的优势。

优选的，碱液浸出步骤中，石英原矿平均粒度小于125μm。通过控制石英原矿的粒度，能够初步降低石英原矿中各种杂质的含量，为后续碱浸出提供条件。

本发明提供的石英原矿中各元素含量如下：

表1石英的化学组成

表1中SiO₂含量是通过其它杂质元素氧化物含量反算得到，单位为％，原矿中各元素含量经过ICP分析得出。由表1可知，石英中的主要杂质元素为Al、Ca、K和Na等元素。由原矿、1号矿、2号矿到3号矿，其平均粒度逐步减小，各杂质含量也逐步减小，而SiO₂含量逐步升高。

Al、Ca、K和Na元素的降低说明原矿石中这些元素部分赋存于脉石矿物中，在破碎过程中与石英颗粒实现单体解离，其中粒度较小的脉石矿物在筛分过程中从石英中分离去除。虽然SiO₂含量较高，但离高纯石英标准仍有很大差距，需要进一步提纯来达到高纯石英质量，其中Al元素含量最高，是进一步提纯的重点。

优选的，碱液浸出步骤中，碱液中OH^-浓度不低于0.6mol/L(如图2所示)，针对石英原矿加入的碱液速率为每克石英原矿每分钟5～15mL碱液。控制碱液的加入速率，能够控制上述各种杂质元素的浸出量，进而减少最终产品中的杂质含量。具体的，碱可选用氢氧化钠、氢氧化钾或氨水。

优选的，碱液浸出步骤中，浸出温度为100～300℃，反应时间为2～8h(如图3所示)。同样地，控制碱液浸出温度和反应时间，亦能控制Al、Ca、K和Na元素的浸出量，进而减少最终高纯石英中杂质含量。

优选的，酸液浸出步骤中，酸液中H⁺浓度不低于0.6mol/L，针对石英加入的酸液速率为每克石英每分钟5～15mL酸液。控制酸液的加入速率，能够控制溶解上述各种杂质元素在碱液处理中浸出的化合物，使之变为离子状态，便于去除，进而减少最终产品中杂质含量。具体的酸为盐酸。

优选的，酸液浸出步骤中，浸出温度为100～300℃，反应时间为2～8h(如图4所示)。同样地，控制酸液浸出温度和反应时间，亦能够控制溶解上述各种杂质元素在碱液处理中浸出的化合物，使之变为离子状态，便于去除，进而减少最终产品中杂质含量。

为便于具体实施过程中各条件进行分析和控制，将更具体的实施例列入表2中，以便于分析这些条件对于提纯效果的影响。

表2实验方案表

为对本发明提供的高纯石英制备过程和制备产品进行评价，将制备过程产生碱浸溶解的石英量和酸浸后产品的各杂质含量进行分析，产品中各元素含量采用ICP方法测试得到。各测试结果列入表3，表3中为多次测量的平均值。

表3酸浸后各杂质含量表

由表3可知：

1、采用实施例1-9的制备方法，其制备后产品的各杂质含量均显著低于对比例，纯度更高，石英损失更少。具体为，实施例1相对于对比例1-3，其酸浸后各杂质含量显著低于对比例，而碱浸后石英溶解量相当；这说明本发明中预先对石英矿进行破碎、磨矿、磁选后的石英矿进行筛分，得到粒度小于100μm的石英矿，能够显著提高最终产品纯度。实施例1相对于对比例4和5，其酸浸后各杂质含量显著低于对比例，而碱浸后石英溶解量相当；这说明在碱浸和酸浸过程中，控制浸出温度，能够加快反应，并促进石英溶解和杂质溶出。实施例1中酸浸后各杂质含量显著低于对比例6，与对比例7相当；其碱浸后石英溶解量与对比例6相当，显著低于对比例7；这说明低于0.6mol/L的碱液和低于5mL(g·min)^-1的碱液加入速度不利于去除杂质，而高于3.0mol/L的碱液中OH^-浓度和高于15mL(g·min)^-1的碱液加入速度虽利于去除杂质，但石英溶解量超过20％，损失较多。

2、实施例4～6进一步对碱液中OH^-浓度、碱液加入速率、酸液中H⁺浓度、酸液加入速率、浸出温度和浸出时间进行了优化，实施例4～6的产品杂质含量低于实施例1-3，表明这些因素均对去除杂质有显著影响。当碱液中OH^-浓度为1.0mol/L且其加入速率为10mL(g·min)^-1(酸液浓度和用量与碱液相对应，以便于最终处理的废水pH值趋于中性)，其酸浸后各杂质含量均达到最低，尤其是Na、K和Ca；而且石英溶解量并未超过20％，损失不大。由此可见，控制碱浸过程中，碱液浓度和碱液加入速率能够在保证一定量石英溶解量前提下，显著降低杂质含量，尤其是Na、K和Ca；这可能是由于此碱液浓度和碱液加入速率能够极大地促进Na、K和Ca向石英表面聚集，便于其溶解而释放，从而达到降低其含量的目的。

综上所述，本发明采用氢氧化钠代替氢氟酸作为浸出剂，避免了氢氟酸对人体的危害与所带来的环境问题，且氢氧化钠价格远低于氢氟酸，浸出成本大大降低；使用氢氧化钠、盐酸联合浸出后Al元素含量最低为17.01μg/g，比较接近氢氟酸浸出后16.32μg/g；先碱浸有利于暴露和溶解更多被石英包覆的杂质，并促进各种杂质向石英表面聚集，以便于酸浸过程进行去除。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高纯石英的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述石英原矿包含石英、云母、微斜长石、钠长石和钙长石。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，碱液浸出步骤中，所述碱液中OH^-浓度不低于0.6mol/L，针对石英原矿加入的碱液速率为每克石英原矿每分钟5～15mL碱液。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，碱液浸出步骤中，浸出温度为100～300℃，反应时间为2～8h。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，碱液浸出步骤中，筛分后的石英原矿平均粒度小于125μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，酸液浸出步骤中，所述酸液中H⁺浓度不低于0.6mol/L，针对石英加入的酸液速率为每克石英每分钟5～15mL酸液。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，酸液浸出步骤中，浸出温度为100～300℃，反应时间为2～8h。