高純度の石英砂のための4つの一般的な処理方法

2025-03-27

高純度クオーツ砂はハイテク産業の発展のための材料基盤であり、その応用分野は光ファイバー、軍事、宇宙産業に関連しています。これらの分野は特にFe、Alなどの不純物に対して、クオーツ砂の純度に非常に厳しい要求があります。

クオーツ砂中の鉱物不純物は通常、長石、ミカ、ガーネット、ジルコン、イルメナイトなどの非クオーツ鉱物の形で存在します。これらの不純物は主に次のように存在します：

(1) 緩く関連した鉱物として、クオーツ結晶と化学的には結合していません；

(2) 鉱物の破片として、クオーツ結晶の表面に化学的および物理的に結合しており、これらの不純物は主に鉄を含む鉱物とアルミニウムを含む鉱物です；

(3) クオーツ粒子によって包まれたり、クオーツ結晶と共に結合した鉱物；

(4) シリコンの代わりに間隙イオンとして機能するこれらの不純物には、主に: Al3+、Fe2+、Fe3+、B3+、Ti4+、Ge4+、P5+ などが含まれます。これらのイオンはSi4+を置き換えて共有結合を形成します。この時、SiO2 ラティスの電気的中性を維持するために、Li1+、K1+、Na1+、H1+などの元素のドーピングが通常伴います。Al元素は石英鉱石の主要な不純物元素の一つであり、Al3+とSi4+は類似の半径を持ち、Si4+を容易に置き換えることができます。その含有量は通常数千ppmに達します。したがって、Al含有量は石英鉱石の品質を示す重要な指標です。

現在、高純度石英砂の精製プロセスは主に機械的粉砕、磁気選別、浮遊、酸浸出などを含み、これらは石英ラティス内の金属イオン不純物を効果的に除去することができます。

1. 機械的粉砕

機械的粉砕は、鉱物の粒子サイズを縮小するために機械的力を使用する方法です。高純度石英の精製プロセスにおいて、このプロセスは主に石英鉱物の非構造的な不純物を石英から分離するためのものです。非構造的な不純物とは、鉱物包有物（鉱物不純物）および気液包有物（流体包有物）を指します。不純物は石英の粒界に存在します。原石英鉱物を粉砕した後、粒子サイズが縮小し、比表面積が増加することで、粒界間の不純物が石英粒子の外表面に露出し、次のプロセスの精製効率が向上します。

機械的粉砕の過程では、石英鉱物の比較的硬い性質により、機器との頻繁な接触や摩擦が避けられず、不純物を導入し、汚染を引き起こすことが必然的に生じます。

石英鉱物は湿式セラミックボールミリングプロセスによって超微粉砕され、分散された石英粒子の粒子サイズがテストされました。周囲の表面はパッシベートされ、球形度が明らかに増加しました。また、石英は水洗浄および酸浸出によって精製され、得られた石英の白さは明らかに改善され、これは石英の開発および応用に関する研究に一定の参考価値を持ちます。

2. 磁気選別

高純度石英の精製プロセスにおける磁気選別の目的は、磁性石英鉱石の包有物中のいくつかの磁性鉱物（磁気イルメナイト、ピライト、リモナイトおよびガーネットなど）を除去することであり、これは原石英鉱石中の鉄やチタンなどの磁性不純物の除去および分離に良好な効果を示します。

磁気セパレーターの磁場強度は調整可能で、勾配磁気選別とも呼ばれ、弱い磁気を使用して磁鉄鉱を除去し、強い磁気を使用してイルメナイト、リモナイト、ヘマタイトおよびガーネットなどの磁性鉱物を除去します。元の石英鉱石に存在する重鉱物不純物（比重が2.86を超える陸成クラスタ鉱物、例えばジルコン、エピドート、ガーネットなど）に対しては、一般的に重力選別や高強度磁気選別のような方法が使用されます。通常、石英鉱物は、スクラブした 磁力分離後、これにより石英砂の純度と白さが向上します。

3. フローテーション

フローテーションは、鉱体表面の濡れ性の違いに基づいて疎水性物質と親水性物質を選択的に分離する方法であり、自然にまたは改良後に行われます。高純度石英の精製プロセスでは、フローテーションは主に石英と共存するミカや長石鉱物を除去するために使用され、リンや鉄を含む鉱物もフローテーションします。

使用される試薬の違いに応じて、石英砂のフローテーションはフッ素石英砂フローテーションとフッ素フリー石英砂フローテーションに分けられます。フッ素石英砂フローテーションでは、フッ素含有試薬、例えばフッ化水素酸（HF）を長石活性化剤として、硫酸を改良剤として使用し、pH=2-3の強酸条件下でドデシルアミンを収集剤として使用し、活性化された長石が事前に吸着されてから分離されます。同様に、フッ素フリーの石英フローテーションは、フッ素含有試薬を使用せずに硫酸または塩酸を石英中の不純物鉱物の活性化剤として使用し、その後対応する収集剤を使用して石英と不純物鉱物をフローテーションして分離します。さらに、一部の研究では混合収集剤のフローテーション効果が単一収集剤よりも良好で、コストパフォーマンスが相対的に高いことが示されています。

研究者たちは鉱脈石英砂スラリーの逆フローテーションを行い、高純度石英砂を作製し、混合収集剤を使用して微細粗合成石英砂を精製し、4Nグレードの石英製品を得ました。消泡剤2#オイルの量は75g/tで、石英砂は粗選別中に硫酸で酸性化され、プロピレンジアミンを収集剤として使用しました；用量は1:4です。実験結果では、不純物の除去率は50％以上を占め、不純物の総量は99.01 μg/gであり、元素AlおよびFeの除去率はそれぞれ37.50％および84.15％に達しました。

4. 酸浸出

酸浸出は、酸性溶液中での石英、ミカ、および長石の異なる溶解性に基づいて石英を精製する手段です。酸浸出は、表面の酸化膜や鉄鉱石を効果的に除去できます。ミカや長石などの鉱物不純物については、フッ化水素酸が一般的に溶解に使用されます。酸浸出に一般的に使用される酸媒体には、塩酸、硫酸、硝酸、酢酸、およびフッ化水素酸があります。これらの中で、希薄酸はAlおよびFeの除去に対して良い効果を持ち、より酸性の濃硫酸、王水およびフッ化水素酸はCrおよびTiの除去に使用されます。

研究によれば、希薄酸とフッ化水素酸の共存はFe、Al、Mgなどの金属不純物を効果的に除去できるが、フッ化水素酸は石英粒子を侵食する可能性があるため、その量は制御する必要があります。さまざまな種類の酸の使用も精製および処理の質に影響を与えます。その中で、HClとHFの混合酸の処理効果が最も優れています。

実験室では、磁気分離後の石英砂を精製するために、HClとHFの混合浸出剤を使用しました。化学浸出を通じて、不純物元素の総量は40.71μg/gであり、SiO2の純度は99.993wt%に達しました。

酸浸出の本質は、酸溶液と不純物鉱物との相互作用です。そのため、酸浸出の過程では、温度が反応速度と最終的な精製効果に大きな影響を与えます。研究室では、塩酸とシュウ酸を混合浸出剤として使用し、酸浸出温度、時間、濃度が石英の精製効果に与える影響を調査しました。最終的に、酸浸出温度は60℃、酸浸出時間は8時間、シュウ酸濃度は10g/L、HCl濃度は5%、液固比は1:5、撹拌速度は500rpmが酸浸出の最適条件とされました。結果は、鉄の除去が50%を占めることを示しています。

高温高圧浸出

金属鉱石処理において比較的成熟した水メタルリウギー技術です。この技術は、高温と高圧によって酸の消費を効果的に削減できます。高圧は、ステンレススチールのジャケットとテフロンライナーで構成されたタンクリアクターの閉鎖環境によって提供されます。この技術は、共生物や包含物をより効果的に除去することができ、頑固な鉱石の精製効果は、磁気分離や浮遊選鉱よりも優れています。