石英砂除铁提纯方法总结

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石英砂又称硅砂,是一种应用领域十分广泛的非金属矿物原料。在石英砂中,主要矿物是石英,另外还常含有一些其它杂质矿物,其中含铁元素的杂质矿物有:针铁矿、赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿、磁黄铁矿、电气石、角闪石、黑云母等。这些含铁杂质或镶嵌于石英颗粒中,或附于石英表面。由于这些含铁杂质的存在大大降低了石英砂的使用价值,影响产品的质量,例如在玻璃生产中,含铁杂质对玻璃的生产和质量都会产生较大的危害,特别是对玻璃熔制过程中的热力学性质和玻璃成品的透光性。因此在生产过程中提高石英砂的品位降低铁元素的含量就显得非常重要。在现实生产中先把原料进行水洗脱泥,再采用机械擦洗、磁选、浮选、超声波清洗、酸浸等工艺来除去石英砂中的铁元素,提高石英砂的使用价值。
1　石英砂除铁方法
1. 1　机械擦洗除铁
机械擦洗是借助机械外力和砂粒间的碰撞与摩擦来除去石英砂表面的薄膜铁及粘附在石英砂表面的含铁矿物,从而达到除铁的目的。目前,擦洗技术主要是棒磨擦洗和机械擦洗。对于机械擦洗,一般认为影响擦洗效果的因素主要是来自擦洗机的结构特点和配置形式,其次为工艺因素,包括擦洗时间和擦洗浓度。机械擦洗的效率随矿浆浓度增加而提高,原因是增加矿浆浓度可以使颗粒之间碰撞的几率增加。研究表明,砂矿擦洗浓度在50% ～60%之间效果最好。擦洗时间原则上以初步达到产品质量要求为基准,不宜过长,因为时间过长,会加大设备磨损,提高能耗和造成选矿提纯成本的增加。如果采用加药高效强力擦洗,配合适当的工艺和设备,采用棒磨擦洗效果会更好,因为加药可以增大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。对某地原矿+ 0. 3mm以上的石英砂进行棒磨擦洗试验, Fe2O3 从0. 19%降低到0. 10% ,铁的去除率达47. 4%。与其它除铁工艺相比较该工艺具有以下特点:一是产品质量好、可以达到浮法玻璃对优质硅砂的质量要求;二是产量大。现在一些小规模的生产企业和加工企业使用这种方法除铁的较多,因为它成本低操作简单,但除铁率相对较低。
1. 2　磁选除铁
石英砂中主要矿物———石英,是反磁性物质,在磁场中不能被磁化。而石英砂中含铁的杂质矿物:赤铁矿、褐铁矿、磁铁矿、针铁矿等,大部分都是磁性物质在磁场中可以被磁化。在磁选工艺上就是利用这一性质上的差异,通过磁选除去石英砂中的这些含铁杂质矿物。为了达到除去含铁矿物目的,使磁性矿物与非磁性矿物分离,作用在磁性矿物上的磁力必须满足如下条件:作用于磁性矿粒上的磁力大于作用于磁性矿粒上的所有机械力的合力。磁选分为干选和湿选。,把干选和湿选两种工艺进行比较发现,湿式强磁选存在磁选机耗电量大、介质易磨损、生产用水量大、运行和维修成本高等缺陷。干式强磁选工艺操作方便,运行和维修成本比湿式低。
在磁选工艺中,湿式强磁选机可以最大限度地清除包括连生体颗粒在内的赤铁矿、褐铁矿和黑云母等弱磁性杂质矿物。一般而言,对含杂以弱磁性杂质矿物为主的石英砂,利用湿式强磁机在10000奥斯特以上可以选出;对含杂质以磁铁矿为主的强磁性矿物,则采用弱磁机或中磁机进行选取效果比较好。在生产中采用湿式强磁选机最佳可获得Fe2O3 为0. 036%的优质石英砂精矿。湿式强磁选机除铁效果受给料量、冲洗水量、磁场强度等参数影响,其中以磁场强度影响最大。另外,磁选次数越多,石英砂粒度越细,除铁效果越好。
1. 3　超声波除铁
超声波是一种依靠媒质来传播的高频率(频率大于20000Hz)声波,它具有机械能,在传播的过程中会与媒质发生相互作用,产生机械效应、热效应及空穴效应。当超声波在水(或溶液)中发出时,会产生许多压缩、膨胀区域,导致了无数微气泡(空化泡)的形成和破裂,这种情况被称为空化现象。在空化过程中,液体内部压强发生突变,从而伴有冲击波,其压力可达几千至几万个大气压。在这种冲击波的作用下,粘附在颗粒表面的含铁杂质便从颗粒表面脱落下来进入液相,从而达到除铁的目的。超声波除铁主要是除去颗粒表面的次生铁薄膜(即“薄膜铁”) 。铁质薄膜结合牢固,在选矿中使用的机械擦洗方法不能使其分离出来。用超声波技术处理含“薄膜铁”的天然硅砂具有时间短效率高的特点。在处理十分钟时,除铁率一般可达46%～70%。在采用超声波除铁应注意及时排除废液,防止因二次粘附而降低除铁效果。超声波清洗与化学药剂(分散剂)相结合,除铁率可以提高15% ～30%。超声波对药剂的强化作用主要原因是空化作用的存在既有助于药剂的分散,增加其与矿粒表面的作用几率,又有助于药剂在颗粒表面进行的溶解和分散作用。采用超声波除铁时,矿浆浓度不宜过大。因为当浓度太大时,因解吸下来的杂质太多不能及时排走,便会再次吸附在颗粒表面,使除铁效果反而下降。超声波的强度对石英砂的除铁效果也有一定的影响,超声波的强度越强除铁效率越高。
超声波除铁与机械擦洗方法相比,这种方法不仅可以消除矿物表面的杂质,而且可以清除颗粒解理缝隙处的杂质,因而,其除铁效果更好。超声波除铁对于硅砂这种廉价资源来说,目前还显得比较昂贵,在大型选矿厂应用仍有困难,但用于那些要求纯度高、用量少的生产领域是可能的。
1. 4　浮选除铁
浮选法主要是用来分离石英砂中的长石,但也可以用来除去石英砂中的云母等粘土矿物以及次生铁。最典型的工艺流程是以氢氟酸为活化剂,在强酸性条件下(pH2～3)采用胺类阳离子捕收剂进行浮选。浮选铁时,NaOH可用来抑制被金属离子活化的石英;浮选长石、云母等粘土矿时, H2 SO4 不仅可以在被浮的长石表面产生定位吸附,降低表面负电性,而且可活化长石和云母。
浮选法可分为三种:第一种是有氟有酸法。这种方法因其浮选效果好、容易控制、指标稳定而被广泛采用。但氟离子对土地的侵蚀作用及对周围生态环境的破坏很大。第二种是无氟有酸法。这种方法的最大优点是避免使用对环境有破坏性作用的氟离子,生产指标稳定,但强酸对选矿设备的腐蚀作用不容忽视。对浮选设备有较高要求。第三种是无氟无酸法。在自然pH条件下,通过对阴阳离子捕收剂的合理调配,创造一个独特的高浓度矿浆浮选环境,达到优先浮选杂质矿物的目的。但由于这种方法对原砂处理及矿浆环境有较严格的要求,生产上不容易控制,目前未能得到广泛应用。
浮选法对去除赋存于重矿物中的铁效果很好,美国硅砂选厂采用在酸性条件下,以石油磺酸钠、煤油为捕收剂,分离出黑云母及含铁矿,使Fe2O3 含量从0. 12%～0. 18%降至0. 06%～0. 065% 。浮选法除铁工艺简单、成本低、效果好。该工艺对扩大我国石英砂资源的利用范围起到了积极的作用。
1. 5　酸浸除铁
酸浸除铁是利用石英不溶于酸(HF除外) ,含Fe的杂质矿物能被酸液溶解的特点,从而可以实现从石英砂中除去含铁矿物的目的。酸浸法不仅可以从石英砂中除去含铁矿物,对石英中的非金属杂质矿物均有良好的去除效果。浮选后的石英颗粒其有害成分以斑点或包裹体形态连体在表面。要脱除这部分杂质,必须进行酸浸处理。酸浸法常用酸类有硫酸、盐酸、硝酸和氢氟酸等。对Fe、Al、Mg的脱除,上述酸均有效果。研究发现盐酸对铁的去除效果比硫酸要好。在石英砂中由于有害成分是以矿物集合体而不是以纯矿物形态存在,采用混合酸浸出比单一酸的酸浸效果好。各种酸的配比以及加入顺序对杂质矿物的去除也有较大影响。酸液浓度要适合,酸液浓度过低,耗时长,产量低且除杂效果不好;酸液浓度过高,不但会使成本增加,对设备的腐蚀加剧,而且同样会使SiO2 产量降低。酸浸温度对石英中杂质的除去率影响较大。温度越低,反应速度越慢,需时越长;温度越高,酸的挥发随之加快,从而使酸的用量增加。另外,酸浸时间、矿物粒度及矿浆搅拌均对去除效果产生影响。当经一次酸浸后产品中杂质含量达不到要求还可以进行二次酸浸和多次酸浸,直到杂质铁的含量达到要求为止。
一般来说使用硫酸、盐酸、硝酸和氢氟酸费用高,而且对环境影响大。外国学者F•维格里奥等人使用草酸作浸出剂除去石英砂矿物中的铁。这种方法是利用草酸与矿粒表面的Fe3 +反应生成络合物再溶于水,从而达到除铁的目的,但这种情况下铁的溶解机理有别于无机酸对铁矿物的溶解。使用草酸除铁主要优点在于,浸出时形成了可溶性络合物(例如,三草酸铁( Ⅲ)络合阴离子) ,该络合物在微生物和日光作用下均可被分解。另外用草酸除铁对矿石的粒度有一定的要求,一般要求把矿石磨细到平均粒径20μm左右,在处理矿石三小时以上,除铁率可达80 - 100%。经过酸浸处理后,可获得SiO2 纯度达99.99% , Fe含量≤235ppm的高纯石英砂。
1. 6　微生物除铁
用微生物浸除石英砂颗粒表面的薄膜铁或浸染铁是新近发展起来的一种除铁技术,目前处于实验室和小型试验的研究阶段。据国外研究结果表明,黑曲霉菌、青霉菌、梨形毛菌、假单胞菌类、杆菌类、多粘芽胞杆菌、乳酸小球菌等微生物对石英表面氧化铁进行浸除时,均取得了较好的效果,其中以黑曲霉素菌浸除铁效果最佳, Fe2O3 的去除率最高达88. 8% ,石英砂中Fe2O3 的品位低达0. 008% 。研究还发现用细菌和霉菌预先栽培好的培养液浸出铁的效果更好。厌氧菌种分解铁的速率比需氧菌种要慢些。不同氧化铁矿物的细菌浸出灵敏性不同,从褐铁矿中溶解铁比从针铁矿中要慢,但是比从赤铁矿中要快得多。值得指出的是,浸出后的最终铁含量与浸出前最初的铁含量无关,而与铁在矿物原料中的存在形式有关。只有不位于矿物晶格点阵中的铁才能通过此方法除掉。
2　结束语
我国不同的行业对石英砂中SiO2 和铁元素含量要求不一样。可以根据石英砂的用途、石英岩中SiO2 的含量以及生产企业规模大小等因素来选择不同的除铁方法。机械擦洗除铁技术简单,生产量大,但除铁率低。磁选法除铁和浮选法除铁应用的领域广泛,适用于大规模生产,而且除铁效果较好。超声波除铁适用于对产品纯度要求高、用量少的生产企业。酸浸法除铁成本高工艺复杂,但通过酸浸法可获得高纯石英砂,此方法适用于高纯石英砂产品的行业。微生物除铁现在技术还不完善,目前还处于实验阶段。