高纯石英砂是高科技行业关键性原料之一，对脉石英和花岗伟晶岩中的石英进行提纯加工是制备高纯石英砂的主要途径，而高纯石英矿物的特性是影响高纯石英砂产品质量的关键因素。美国尤尼明公司凭借北卡罗来纳州Spruce Pine地区优质的花岗质伟晶岩，持续垄断着纯度达到4N8级（99.998%）以上的国际高端高纯石英砂市场。我国是高纯石英消费大国，但高端产品长期依赖进口。因此，寻找矿石质量好、品质稳定、矿体规模大的高纯石英矿床具有重要的经济意义。
　　
　　最近，在河南东秦岭-大别造山带出露的花岗伟晶岩中发现了高纯度石英自然矿物（图1），经河南省有色金属地质矿产局与中国科学院地球化学研究所联合攻关研究和野外查证，认为石英矿物赋存的花岗伟晶岩类型与美国北卡罗来纳州Spruce Pine花岗伟晶岩相近（图1），岩石造岩矿物组合简单，除石英外，其他矿物主要为长石和少量白云母。石英颗粒中少有气液相包裹体，杂质元素Al、Fe、Ti、Ca、Mg等含量较少，矿物的其他基本特征与国外制备超高纯石英砂原料十分相似。

　　
　　1、矿石分析
　　
　　为了使高纯石英矿物达到超高纯石英程度，将优选矿石在850℃下煅烧2h后立即水淬，经颚式破碎机破碎后以玛瑙介质球磨，得到0.200~0.355mm、0.110~0.200mm、0.074~0.110mm 3个粒级的石英砂，15000 Oe磁选后进行超声清洗处理。对0.074~0.110mm粒级石英砂反浮选提纯，在0.5L挂槽浮选机内进行，保持矿浆质量分数为20%，用稀硫酸调整pH值为1.5~3.5，调浆3min后，加入一定量的捕收剂丙撑二胺，浮选时间为5min。浮选后用去离子水洗净石英砂表面残余药剂，烘干获得浮选精砂。用热混酸（硫酸∶盐酸∶硝酸=3∶1∶1，温度90℃，酸浸时间8h）处理浮选精砂去除残余白云母、氧化铁膜和包裹体等杂质。经鉴定，精矿纯度达到4N级（99.99%）以上。
　　
　　河南省东秦岭-大别造山带花岗伟晶岩类型主要为中粗粒白云母型花岗伟晶岩，一般规模较大，从几百米到千余米，宽从几米到几十米；以脉状为主，其次有板状、透镜状及不规则状，具分枝复合、尖灭再现特点，有的局部收缩或膨胀。如卢氏县官坡一带的伟晶岩脉展布多受构造裂隙制约，呈北西-南东向成群平行分布，中部岩脉密集，两端稀少。伟晶岩脉侵位于秦岭群黑云斜长片麻岩中。
　　
　　野外查证了两条含高纯石英花岗伟晶岩脉，岩石类型均为白云母花岗伟晶岩。Ⅰ号花岗伟晶岩脉宽约5m，出露长约400m，走向约300°，倾角60°，沿其走向可见局部呈透镜状，围岩为斜长角闪片岩，片理化明显，脉体由白云母石英花岗伟晶岩组成（图1），矿物组成主要为石英（70%~75%）它形粒状、白云母（20%）片状或厚层状、钾长石（7%~9%）半自形-自形柱状、斜长石（6%~8%）半自形板状及少量电气石。石英呈灰白色、半透明、油脂光泽，粒径0.2~4.0cm，具波状消光（样号Q01），矿物特征在外观上与Spruce Pine地区花岗伟晶岩十分相似（图1）。
　　
　　Ⅱ号花岗伟晶岩脉宽10~40m，走向150°，沿地表出露长约450m，围岩为斜长角闪片岩。岩石以含白云母花岗伟晶岩为主，呈白色，花岗结构（样号Q02）。岩石中矿物组成主要包括斜长石（50%~55%，主要为钠长石）、石英（40%~45%）、白云母（4%~6%）。石英呈它形粒状，粒径0.05~4.0cm，具强烈波状消光。伟晶岩脉与围岩接触部位石英颗粒呈细粒状，直径约0.2~0.4cm，白云母呈片状，矿物的粒径2~5cm。岩脉内部的石英颗粒和云母明显变大，石英呈灰白色，透明-半透明，油脂光泽，直径2~5cm不等，白云母片径3~10cm不等。岩脉边部和围岩交界部位可见充填石英细脉，宽5~10cm不等，呈浅灰白色（样号Q02）。
　　
　　除了常规岩石化学分析外，重点分析了制约高纯石英质量的Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg、Li杂质元素的含量。测试分析使用电感耦合等离子体发射光谱仪（制样方法为酸溶法），分析结果显示，Q01、Q02样品中Al、Fe、K、Ti、Ca、Mg6种主要杂质元素的初始含量均低于Spruce Pine地区的花岗伟晶岩，初始Al含量尤其低（表1）。石英中杂质元素的初始含量较低，具有较高的提纯潜力。

　　
　　制约高纯石英质量的另一个因素是石英中的包裹体和晶格内杂质。岩石矿物测试分析结果显示，石英均成它形粒状，粒径0.05~4.0mm不等。石英颗粒均为透明度较高的灰色，具有强油脂光泽，杂质混溶矿物极少。石英颗粒中流体包裹体含量远低于国内脉石英中的流体包裹体含量（图2）。通过矿物浮选结果对比，石英原砂、浮选精砂和浮选尾砂具有明显的区别（图3），其中浮选精砂具有杂质元素含量低和杂质包裹体较少的特点，选矿实验流程的经济计算结果也显示成本较低。由此认为，这些赋存于花岗伟晶岩中石英矿物通过系列的选矿和提纯，有可能成为生产高纯石英砂的原料。

　　
　　岩石矿物组合以及石英矿物的结构状态是影响选矿可行性的重要指标。研究显示，岩石中主要矿物成分均为斜长石和石英，次要矿物为白云母和钾长石，黑云母含量很少。对样品进行浮选，分离出石英矿物（图3）。对分离后精砂进行“热混酸”酸浸处理获得精矿，石英砂纯度均达到了4N级（99.99%）以上（图4）。实验样品与美国尤尼明公司产出的IOTA超高纯石英砂产品相比，Al、Ti、Fe、Na元素相对较高，而P、B、等元素接近了IOTA系列标准。与挪威Crystallites AS公司HPQ石英砂相比，Q02样品杂质含量，除Na元素略高之外，其他杂质含量均低于HPQ石英砂（表2）。

　　
　　2、讨论与结论
　　
　　（1）高纯度自然石英的形成受制于特定的地质环境，是一种稀缺的矿产资源。虽然石英是自然界最丰富的矿物之一，但高纯石英作为一种杂质含量极低的矿物，只有在特定的物理化学条件和极端地质条件下才能形成，由此只有为数不多的石英矿床能够为高纯石英的加工提供原材料。我国石英资源储量丰富，多为石英岩、石英砂岩和脉石英，但是能制备高纯石英高端产品的比例极低，导致国内高纯石英砂生产企业严重依赖进口。在河南东秦岭-大别造山带所发现的可制备高纯度石英砂的花岗伟晶岩，呈岩脉产出，脉体规模大，岩石类型和石英矿物的结构构造特征类似于Spruce Pine花岗伟晶岩，并且其全岩石英矿物含量（40%~45%）大于后者（25%~35%），有望开发成为制备高纯石英砂的原材料基地。
　　
　　（2）高纯石英砂是现代高新技术产业的基础原材料，其质量优劣不仅受制于原料中杂质元素含量高低，更重要的是与原料工艺矿物学特征所决定的杂质可选性有关，亦即石英原料中流体杂质和元素杂质的含量是高纯石英成品质量的重要影响因素之一。对于高纯石英原料来讲，包裹体类型和含量都对高纯石英砂的品质有显著影响，一方面构成了杂质元素的主要来源，另一方面也将改变石英工业原料的熔融行为。我国对以石英矿物为原料制备高纯石英砂的相关研究起步晚，其关键技术被国外长期垄断。我们通过初步的研究认为，Q01和Q02样品的流体包裹体含量远低于国内常用的脉石英提纯的石英砂中的流体包裹体含量，有可能成为生产高纯高质量的石英砂的原料。经过加工的高纯石英砂也显示，其质量已经超越了挪威Crystallites AS公司HPQ石英砂的质量标准，而原材料中石英矿物的Al、Fe、Ti、Ca、Mg等主要杂质的含量低于美国Unimin公司原料矿产地，加大石英提纯加工技术的研究力度，精矿纯度有可能达到5N级以上。
　　
　　（3）河南东秦岭-大别造山带已发现花岗伟晶岩脉近7000条，平均密度约为86条/km2，中大型伟晶岩脉近400条，东秦岭-大别山造山带高纯石英工业矿床方面具有重大的找矿潜力。最近发现的自然高纯度石英矿物，其原材料主要的杂质含量低于美国Unimin公司原料矿产地，可以通过浮选和提纯程序进一步制备高纯石英砂，初步实验即得到了达到国际标准的高纯石英砂样品。若进一步通过关键技术攻关，优化加工、分离、浮选、除杂、提纯工艺流程，有望突破高纯石英高端产品的工业化生产瓶颈。
　　
　　资料来源：《赵金洲,张驰,张森森,等.东秦岭花岗伟晶岩中高纯石英矿物的可利用性研究[J].矿物岩石地球化学通报:2021》，由【粉体技术网】编辑整理，转载请注明出处！
　　
　　

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