一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法 |
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| 申请号 | CN202311734301.2 | 申请日 | 2023-12-14 | 公开(公告)号 | CN117819556A | 公开(公告)日 | 2024-04-05 |
| 申请人 | 武汉理工大学; | 发明人 | 任子杰; 陈意帆; 高惠民; 管俊芳; 方鑫; 何宇豪; 邓祺; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种高 碱 度活化辅助制备高纯 石英 的方法，包括以下步骤：S1.将预处理后的石英砂在酸性溶液中进行高温 浸出 ；S2.将经过高温酸浸的石英砂进行 煅烧 ，之后进行 水 淬，洗涤，备用；S3.将煅烧水淬后的石英砂与碱溶液混合进行水热反应；S4.将高碱度活化后的石英砂在酸性溶液中进行二次高温浸出，得到高纯石英。本发明先使用煅烧水淬使石英砂产生裂隙，打开石英砂的通道，再使用高强度碱对石英砂进行活化，破坏石英的晶格结构，使晶格内的杂质变为易去除的游离态，再配合高温酸浸将暴露出来的晶格杂质去除，达到去除杂质元素，尤其是碱金属钠元素的目的。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法，其特征在于，包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法技术领域[0001] 本发明属于高纯石英制备技术领域，尤其涉及一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法。 背景技术[0002] 高纯石英是高新技术产业不可替代的矿物原料，通过加工成石英玻璃等相关制品广泛应用于新一代信息产业、节能环保产业、高端装备产业、生物产业以及新材料产业等。而纯度、不同杂质含量是决定高纯石英应用的核心指标。 [0003] 钠作为高纯石英中主要的碱金属杂质元素之一，常以钠长石、云母等独立矿物、晶格杂质或者包裹体形式存在于石英中，对石英玻璃的析晶起催化作用，影响石英玻璃的热稳定性等热学、光学特性的同时，降低了石英玻璃的使用温度和机械强度，増大石英玻璃的介电系数和介电损失。 [0004] 高纯石英的提纯方法主要有色选、擦洗、重选、磁选、浮选、煅烧、水淬、酸浸等工艺，可以去除几乎所有以单体存在的矿物杂质，热压酸浸是去除石英中以包裹体形式存在颗粒表面或镶嵌于颗粒中的杂质的有效办法，除杂后杂质元素的含量处于较低水平，但气液包裹体和晶格内部类质同象杂质难以去除。氯化焙烧是去除高纯石英晶格杂质、碱金属等间隙原子类杂质最主要的方法，是除去高纯石英中钠元素含量的有效手段，是高纯石英精深提纯的关键技术。但是由于该方法成本较高，操作条件苛刻，在国内鲜有工业化应用。 发明内容[0006] 针对以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法，解决现有石英提纯工艺中杂质去除率低，工艺条件苛刻，成本高的问题。 [0007] 为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现： [0008] 一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法，包括以下步骤： [0009] S1.高温酸浸：将预处理后的石英砂在酸性溶液中进行高温浸出； [0010] S2.煅烧水淬：将经过高温酸浸的石英砂进行煅烧，之后进行水淬，洗涤，备用； [0011] S3.高碱度活化：将煅烧水淬后的石英砂与碱溶液混合进行水热反应； [0012] S4.二次高温酸浸：将高碱度活化后的石英砂在酸性溶液中进行二次高温浸出，得到高纯石英。 [0013] 优选的，步骤S1中，石英砂的预处理方法包括：对石英砂依次进行重选、磁选和浮选。 [0014] 优选的，步骤S1中，石英砂的粒径为80‑140目。 [0015] 优选的，步骤S1中，高温酸浸的温度为180～220℃，浸出时间为3～5h。 [0017] 优选的，步骤S2中，煅烧的温度为900‑1100℃，煅烧时间为2‑3h。 [0018] 优选的，步骤S3中，水热反应的温度为20‑200℃，反应时间为2‑10h。 [0019] 优选的，步骤S3中，碱溶液为KOH、NaOH、LiOH中的一种或多种。 [0020] 优选的，步骤S3中，碱溶液的浓度为0.3～0.5mol/L，石英砂与碱溶液的用量为2g：(3～6)mL。 [0021] 优选的，步骤S4二次高温酸浸与步骤S1中高温酸浸的条件相同。 [0022] 本发明的有益效果是： [0023] 本发明先使用煅烧水淬使石英砂产生裂隙，打开石英砂的通道，再使用高强度碱对石英砂进行活化，破坏石英的晶格结构，使晶格内的杂质变为易去除的游离态，再配合高温酸浸将暴露出来的晶格杂质去除，达到去除杂质元素，尤其是碱金属钠元素的目的。 [0025] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单的介绍。 [0026] 图1为本发明一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法原理示意图。 具体实施方式[0027] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。 [0028] 实施例1 [0029] 一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法，所用原料为广西壮族自治区某地区的卵石矿样，其杂质元素含量如表1所示。 [0030] 表1广西石英砂原矿样杂质元素含量 [0031]元素 Al Na Ti Ca K Fe Li Mn Mg 含量/μg/g 130.66 73.61 5.66 88.51 19.92 53.72 1.46 1.03 43.48 [0032] 本实施例高纯石英的制备方法，包括以下步骤： [0033] 准备原料：对石英矿进行破碎(破碎至5mm以下)、酸浸泡(在室温下将破碎后的石英矿在稀盐酸中浸泡12h后洗涤至中性)、磨矿(用高铝球磨机将酸浸泡后的石英砂实现闭路磨矿，磨矿浓度60％)，制成80‑140目粒级石英砂。 [0034] 石英砂预处理：对石英砂进行重选(利用摇床对磨矿后的石英砂进行重选，实现重矿物与轻矿物的分离)、磁选(采用高梯度磁选机将重选后的精矿进行磁选，磁选强度为1.4T，磁选段数为三段)、浮选作业(三段浮云母，捕收剂为十二胺，总用量为400g/t，pH为2‑ 3；三段浮长石，捕收剂为市售的HK‑1、HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2；一段浮含铁矿物，捕收剂为石油磺酸钠，总用量为200g/t，pH为2‑3)，去除云母，长石以及含铁矿物等杂质矿物。 [0035] 高温酸浸：采用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸配置成的混酸对预处理后的石英砂在200℃下进行高温浸出5h，冷却后洗涤至中性，初步去除石英砂中的部分杂质元素。 [0036] 二次浮选：将酸浸后的石英砂进行浮选，所用药剂为市售的HK‑1和HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2，浮选段数为两段，浮选过后的石英砂洗涤、过滤、烘干备用。 [0038] 高碱度活化：取煅烧水淬后的石英砂20g放入内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，加入40mL 0.5mol/L的KOH溶液，反应釜盖好，置于恒温的烘箱中40℃反应4h。反应完成后用去离子水洗涤至中性、过滤、烘干备用。 [0039] 二次高温酸浸：采用与第一次高温酸浸相同的浸出条件，用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸的混酸对碱浸活化后的石英砂在200℃下浸出5h，冷却后洗涤至中性，进一步去除石英砂中的杂质元素，得到高纯石英。 [0040] 实施例2 [0041] 一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法，所用原料与实施例1相同，不同之处在于高碱度活化所用的碱溶液为NaOH溶液。包括以下步骤： [0042] 准备原料：对石英矿进行破碎(破碎至5mm以下)、酸浸泡(在室温下将破碎后的石英矿在稀盐酸中浸泡12h后洗涤至中性)、磨矿(用高铝球磨机将酸浸泡后的石英砂实现闭路磨矿，磨矿浓度60％)，制成80‑140目粒级石英砂。 [0043] 石英砂预处理：对石英砂进行重选(利用摇床对磨矿后的石英砂进行重选，实现重矿物与轻矿物的分离)、磁选(采用高梯度磁选机将重选后的精矿进行磁选，磁选强度为1.4T，磁选段数为三段)、浮选作业(三段浮云母，捕收剂为十二胺，总用量为400g/t，pH为2‑ 3；三段浮长石，捕收剂为市售的HK‑1、HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2；一段浮含铁矿物，捕收剂为石油磺酸钠，总用量为200g/t，pH为2‑3)，去除云母，长石以及含铁矿物等杂质矿物。 [0044] 高温酸浸：采用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸配置成的混酸对预处理后的石英砂在200℃下进行高温浸出5h，冷却后洗涤至中性，初步去除石英砂中的部分杂质元素。 [0045] 二次浮选：将酸浸后的石英砂进行浮选，所用药剂为市售的HK‑1和HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2，浮选段数为两段，浮选过后的石英砂洗涤、过滤、烘干备用。 [0046] 煅烧水淬：将二次浮选得到的石英砂放在坩埚中置于马弗炉，1000℃恒温焙烧2h后立即置入准备好的去离子水中进行水淬，洗涤，备用。 [0047] 高碱度活化：取煅烧水淬后的石英砂20g放入内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，加入40mL 0.5mol/L的NaOH溶液，反应釜盖好，置于恒温的烘箱中40℃反应4h。反应完成后用去离子水洗涤至中性、过滤、烘干备用。 [0048] 二次高温酸浸：采用与第一次高温酸浸相同的浸出条件，用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸的混酸对碱浸活化后的石英砂在200℃下浸出5h，冷却后洗涤至中性，进一步去除石英砂中的杂质元素，得到高纯石英。 [0049] 实施例3 [0050] 一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法，所用原料和制备方法与实施例1相同，不同之处在于高碱度活化所用的碱溶液为LiOH溶液。 [0051] 实施例4 [0052] 一种高碱度活化辅助制备高纯石英的方法，与实施例1的制备方法基本相同，不同之处在于，所用原料为河南省某地区的脉石英矿样，其杂质元素含量如表2所示。 [0053] 表2河南石英砂原矿样杂质元素含量 [0054] [0055] [0056] 对比例1 [0057] 采用与实施例1基本相同的方法制备高纯石英，不同之处在于，对比例1所采用的高碱度活化步骤在煅烧水淬之前。包括以下步骤： [0058] 准备原料：对石英矿进行破碎(破碎至5mm以下)、酸浸泡(在室温下将破碎后的石英矿在稀盐酸中浸泡12h后洗涤至中性)、磨矿(用高铝球磨机将酸浸泡后的石英砂实现闭路磨矿，磨矿浓度60％)，制成80‑140目粒级石英砂。 [0059] 石英砂预处理：对石英砂进行重选(利用摇床对磨矿后的石英砂进行重选，实现重矿物与轻矿物的分离)、磁选(采用高梯度磁选机将重选后的精矿进行磁选，磁选强度为1.4T，磁选段数为三段)、浮选作业(三段浮云母，捕收剂为十二胺，总用量为400g/t，pH为2‑ 3；三段浮长石，捕收剂为市售的HK‑1、HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2；一段浮含铁矿物，捕收剂为石油磺酸钠，总用量为200g/t，pH为2‑3)，去除云母，长石以及含铁矿物等杂质矿物。 [0060] 高温酸浸：采用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸配置成的混酸对预处理后的石英砂在200℃下进行高温浸出5h，冷却后洗涤至中性，初步去除石英砂中的部分杂质元素。 [0061] 二次浮选：将酸浸后的石英砂进行浮选，所用药剂为市售的HK‑1和HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2，浮选段数为两段，浮选过后的石英砂洗涤、过滤、烘干备用。 [0062] 高碱度活化：取二次浮选得到的石英砂20g放入内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，加入40mL 0.5mol/L的KOH溶液，反应釜盖好，置于恒温的烘箱中40℃反应4h。反应完成后用去离子水洗涤至中性、过滤、烘干备用。 [0063] 煅烧水淬：将高碱度活化后的石英砂放在坩埚中置于马弗炉，1000℃恒温焙烧2h后立即置入准备好的去离子水中进行水淬，洗涤，备用。 [0064] 二次高温酸浸：采用与第一次高温酸浸相同的浸出条件，用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸的混酸对煅烧水淬后的石英砂在200℃下浸出5h，冷却后洗涤至中性，进一步去除石英砂中的杂质元素，得到高纯石英。 [0065] 对比例2 [0066] 采用与实施例1基本相同的方法制备高纯石英，不同之处在于，对比例2的制备工艺中不包括高碱度活化步骤。制备步骤如下： [0067] 准备原料：对石英矿进行破碎(破碎至5mm以下)、酸浸泡(在室温下将破碎后的石英矿在稀盐酸中浸泡12h后洗涤至中性)、磨矿(用高铝球磨机将酸浸泡后的石英砂实现闭路磨矿，磨矿浓度60％)，制成80‑140目粒级石英砂。 [0068] 石英砂预处理：对石英砂进行重选(利用摇床对磨矿后的石英砂进行重选，实现重矿物与轻矿物的分离)、磁选(采用高梯度磁选机将重选后的精矿进行磁选，磁选强度为1.4T，磁选段数为三段)、浮选作业(三段浮云母，捕收剂为十二胺，总用量为400g/t，pH为2‑ 3；三段浮长石，捕收剂为市售的HK‑1、HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2；一段浮含铁矿物，捕收剂为石油磺酸钠，总用量为200g/t，pH为2‑3)，去除云母，长石以及含铁矿物等杂质矿物。 [0069] 高温酸浸：采用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸配置成的混酸对预处理后的石英砂在200℃下进行高温浸出5h，冷却后洗涤至中性，初步去除石英砂中的部分杂质元素。 [0070] 二次浮选：将酸浸后的石英砂进行浮选，所用药剂为市售的HK‑1和HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2，浮选段数为两段，浮选过后的石英砂洗涤、过滤、烘干备用。 [0071] 煅烧水淬：将二次浮选得到的石英砂放在坩埚中置于马弗炉，1000℃恒温焙烧2h后立即置入准备好的去离子水中进行水淬，洗涤，备用。 [0072] 二次高温酸浸：采用与第一次高温酸浸相同的浸出条件，用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸的混酸对煅烧水淬后的石英砂在200℃下浸出5h，冷却后洗涤至中性，进一步去除石英砂中的杂质元素，得到高纯石英。 [0073] 对比例3 [0074] 采用与实施例1基本相同的方法制备高纯石英，不同之处在于，对比例3的制备工艺中不包括煅烧水淬步骤。制备步骤如下： [0075] 准备原料：对石英矿进行破碎(破碎至5mm以下)、酸浸泡(在室温下将破碎后的石英矿在稀盐酸中浸泡12h后洗涤至中性)、磨矿(用高铝球磨机将酸浸泡后的石英砂实现闭路磨矿，磨矿浓度60％)，制成80‑140目粒级石英砂。 [0076] 石英砂预处理：对石英砂进行重选(利用摇床对磨矿后的石英砂进行重选，实现重矿物与轻矿物的分离)、磁选(采用高梯度磁选机将重选后的精矿进行磁选，磁选强度为1.4T，磁选段数为三段)、浮选作业(三段浮云母，捕收剂为十二胺，总用量为400g/t，pH为2‑ 3；三段浮长石，捕收剂为市售的HK‑1、HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2；一段浮含铁矿物，捕收剂为石油磺酸钠，总用量为200g/t，pH为2‑3)，去除云母，长石以及含铁矿物等杂质矿物。 [0077] 高温酸浸：采用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸配置成的混酸对预处理后的石英砂在200℃下进行高温浸出5h，冷却后洗涤至中性，初步去除石英砂中的部分杂质元素。 [0078] 二次浮选：将酸浸后的石英砂进行浮选，所用药剂为市售的HK‑1和HK‑2，总用量为800g/t，pH为1.5‑2，浮选段数为两段，浮选过后的石英砂洗涤、过滤、烘干备用。 [0079] 高碱度活化：取二次浮选后的石英砂20g放入内衬为聚四氟乙烯的水热反应釜中，加入40mL 0.5mol/L的KOH溶液，反应釜盖好，置于恒温的烘箱中40℃反应4h。反应完成后用去离子水洗涤至中性、过滤、烘干备用。 [0080] 二次高温酸浸：采用与第一次高温酸浸相同的浸出条件，用3mol/L盐酸、1mol/L硝酸、1mol/L氢氟酸的混酸对碱浸活化后的石英砂在200℃下浸出5h，冷却后洗涤至中性，进一步去除石英砂中的杂质元素，得到高纯石英。 [0081] 结果分析 [0082] 将实施例与对比例所得的高纯石英精矿进行ICPMS分析测试，石英砂中各杂质元素含量如表3所示。 [0083] 表3各实施例和对比例的测试结果 [0084] [0085] [0086] 从上表可以看出，本发明提供的高碱度活化辅助制备高纯石英的方法可以显著降低石英砂中杂质元素的含量。 [0087] 实施例1与对比例1相比，本发明先煅烧水淬再碱浸活化，能够对杂质元素尤其是碱金属元素有较好的去除效果。 [0088] 实施例1与对比例2相比，本发明通过高碱度活化后的石英砂较未通过高碱度活化后的石英砂钠元素含量有了明显的下降，去除率约为50％，实现了高纯石英中钠元素的有效去除，除此之外，其他杂质元素也有部分降低。 [0089] 实施例1与对比例3相比，制备的石英产品中各杂质元素含量显著降低，表明煅烧水淬能够使石英砂产生裂隙，打开石英砂的通道，促进杂质的去除。 [0090] 需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。 [0091] 如图1所示，以钠离子为例，本发明先使用煅烧水淬使石英砂产生裂隙，打开石英砂的通道，再使用高强度碱对石英砂进行活化，破坏石英的晶格结构，使晶格内的杂质变为易去除的游离态，再配合高温酸浸将暴露出来的晶格杂质去除，达到去除杂质元素的目的。 |
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