一种利用石英尾砂生产高纯石英粉的工艺及装置

摘要

本发明中提供了一种利用石英尾砂生产高纯石英粉的工艺，方法为：首先测试石英尾砂中的杂质的含量，根据石英尾砂中Al2O3的含量进行酸洗处理；将酸洗后的物料放入反应釜中，采用硝酸以及氟硅酸的混合酸液进行酸洗以溶除物料中的铁质；将除去铁质后的石英尾砂用水洗涤至中性后脱水，再把物料放入反应釜中用浓盐酸进行酸洗，酸洗后用水洗涤至中性后脱水，分离出其中的120～200目以及200～400目的石英砂粉，即可制得高纯石英粉。该方法能够有效的利用石英尾砂，将其生产成高纯石英粉，实现变废为宝的目的。本发明同时提供了一种用于上述工艺中的装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用石英尾砂生产高纯石英粉的方法及专用的装置，属于非金属矿 深加工和环保技术领域。

背景技术

石英尾砂：顾名思义，它是石英砂加工生产过程中最末短或最尾端的砂粉，也是副 产品。目前我国石英砂加工企业所产的尾砂的目数大都在120目筛以下至400目筛以上 的区间范围，年产石英尾砂以千万吨计，主要分布再安徽凤阳、广东河源、山东临沂、 河北沙河和雷庄等。石英尾砂相对于成品石英砂(24目筛下至120目筛上)来说：不仅 其粒径小、比表面积大、表面能大、沉淀的时间长、所含的水分高、杂质多、加工难、 干燥更难，而且市场需求只有少量的用作建筑陶瓷、水泥行业和建筑用加气砖行业等， 其价格每吨视其品质而异，脉石英矿所产的尾砂每吨在几十元左右；其他沉积岩的石英 尾砂每吨在10～15元不等。因此，石英尾砂不仅成为每个生产石英砂企业的“鸡肋”， 而且还得要专用的、较大的水泥场地进行储存、堆放。更使人头疼的是：雨天，石英尾 砂随雨水到处流淌，严重地污染了水资源环境；晴天，刮风时粉尘随风飘扬，严重地污 染空气质量环境等。所以，一般生产石英砂的企业都把石英尾砂作为垃圾来处理。

随着科技水平的飞速发展和社会的不断进步，人们的生活水平和自身素质的不断提 高，人们环保意识的也愈来愈强。2015年1月1日新修订后《环保法》开始实施，使人 们的环保意识又上升到了一个新的高度。关于石英尾砂的综合处理及利用问题越来越多 引起和受到石英砂加工企业和全社会的极大关注。因此，如何科学地、合理地、充分地、 有效地利用我国现有的、丰富的、廉价的石英尾砂资源，研发出市场急需且具有高技术 含量和高附加值石英尾砂产品，并做到生产过程中零污染、零排放的先进技术及工艺及 装置，是摆在我们每一个硅材料研发技术人员面前的一个全新的、富有时代性且具有挑 战性的课题。查询相关专利及文献资料，没有检索到关于利用石英尾砂生产高纯石英粉 专利文献报道。

发明内容

本发明提供了一种采用石英尾砂生产高纯石英粉的工艺方法，解决了背景技术中的 不足，该方法能够有效的利用石英尾砂，将其生产成高附加值的高纯石英粉，实现变废 为宝的目的。

实现本发明上述目的所提供的技术方案为：

(1)一种利用石英尾砂生产高纯石英粉的工艺，包括以下步骤：(1)、测试石英尾砂 中的杂质的含量，杂质包括Al₂O₃、Fe₂O₃，判断石英尾砂中Al₂O₃的含量是否大于2％；

(2)、对于Al₂O₃的含量≥2％的石英尾砂，将石英尾砂放入反应釜中，向反应釜中 添加氢氟酸，开启搅拌对石英尾砂进行酸洗，酸洗完毕后将酸液脱除并回收，再对酸洗 后的石英尾砂进行浮选，浮选后将石英尾砂洗涤至中性，离心脱水后备用；

对于Al₂O₃的含量＜2％的石英尾砂，将石英尾砂放入反应釜中，向反应釜中添加氢 氟酸，开启搅拌进行酸洗，搅拌至石英尾砂中的Al₂O₃的含量＜0.1％，然后将酸液脱除 并回收；将酸洗后的石英尾砂洗涤至中性，离心脱水后备用；

(3)、将步骤(2)中处理后的物料放入反应釜中，采用硝酸与氟硅酸的混合酸液 进行酸洗，在70～90度的条件下酸洗3～6小时，以溶除物料中的铁质，最后把物料冷 却至室温，脱除酸液并回收；

(4)将上步骤中除去铁质后的石英尾砂用水洗涤至中性后脱水，再把物料放入反 应釜中用浓盐酸进行酸洗，在60～90度的条件下酸洗3～6小时，脱除酸液回收套用；

(5)、将上步骤中脱除盐酸后的石英尾砂用水洗涤至中性后脱水，先分离出其中的 120～200目以及200～400目的石英砂粉再用去离子水或电子级超纯水洗涤至石英砂粉 中氯离子、硝酸根离子以及氟离子的总含量＜0.001％后脱水干燥；或者先用去离子水或 电子级超纯水洗涤至石英粉中氯离子、硝酸根离子以及氟离子的总含量＜0.001％并脱水 干燥后再分离出其中的120～200目以及200～400目的石英砂粉，即制得高纯石英粉。

步骤(1)中的石英尾砂若为新产出的石英尾砂，用清水漂洗并用离心机脱水至其 中水分含量为5～8％，然后再测定杂质的含量；若为长期堆放的石英尾砂，则先进行打 浆，再用清水漂洗并用离心机脱水至其中水分含量为5～8％，然后再测定杂质的含量； 若为水分含量小于5％的石英尾砂，则直接测定杂质的含量。

步骤(2)中的浮选方法具体如下：以氢氟酸和碱液为调整剂，以十二胺为捕获剂， 以2号油为起泡剂，在pH＝2.0～3.0的条件下浮选出矿物杂质。

步骤(3)中的混合酸液具体浓度为20～40％的硝酸以及浓度为20～40％的氟硅酸 按照1：1的体积比混合后的酸液。

步骤(5)中，分离出120～200目的石英粉后，剩余的石英砂粉再进行筛分，收集 200～400目的砂粉，直接作为高纯超细硅微粉原料，用对撞式气流粉碎机将其粉碎到 800～1000目或1000～2500目或2500～5000目即是高纯超细硅微粉。

本发明还提供了一种用于上述工艺中的装置，至少包括反应釜、真空脱酸系统、真 空多级水吸收罐，所述的反应釜的内衬材质为铅板、聚四氟乙烯或碳化硅陶瓷，反应釜 中在其内部距离釜底50～150mm处安装有聚四氟乙烯材质的双层筛板，双层筛板中上 下两层筛板的形状相同，且上下两层筛板之间设置有一块滤布或筛网，双层筛板中筛孔 的直径为5～20mm，任意相邻的两筛孔之间的孔心距为40～60mm，双层筛板与釜底之 间设置有用于支撑双层筛板的支撑柱，双层筛板的中心设置有一个与外部连通的圆筒状 的出料口，所述出料口通过法兰盘与出料阀连接，反应釜的底部设置有一个用于酸液进 出的酸液管，酸液管的外端上通过法兰连接有三通管，三通管的一端通过阀门连接进酸 管，三通管的另一端通过阀门与真空脱酸系统连接；反应釜的釜壁上设置有用于蒸汽加 热或水冷的夹套以及与夹套对应的阀门；反应釜的顶部釜盖上设置有一个铅质的冷凝 器，所述冷凝器的上部设有一个管道，并通过管道与真空多级水吸收罐相连接，真空多 级水吸收罐的末端与酸雾吸收塔系统相连，酸雾吸收塔系统的末端连接引风机；所述的 釜盖上还安装有视镜、温度计、搅拌器以及人孔。

与现有技术相比，本发明中提供了一种将废弃的石英尾砂进行再次加工处理的方 法，并且将其首次用于制备生产高纯石英粉，整个生产过程中所产生的废气、废水均回 收处理并循环利用，是一个节能、环保、绿色的工艺线路。

附图说明

图1为本发明提供的装置的整体结构示意图；

图2为反应釜的结构示意图；

图中：1-反应釜，2-真空脱酸系统，3-真空多级水吸收罐，4-冷凝器，5-酸雾吸收 塔系统，6-引风机，7-双层筛板，8-滤布，9-出料口，10-出料阀，11-酸液管，12-进酸管， 13-夹套，14-搅拌器，15-温度计。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限 于以下实施例中。

本发明的以下实施例中，所采用的装置的整体结构如图1所示，至少包括反应釜1、 真空脱酸系统2、真空多级水吸收罐3。反应釜1的结构如图2所示，所述的反应釜的 内衬材质为铅板、聚四氟乙烯或氮化硅陶瓷，反应釜中在其内部距离釜底100mm处安 装有聚四氟乙烯材质的双层筛板7，双层筛板7中上下两层筛板的形状相同，且上下两 层筛板之间设置有一块滤布8或筛网，双层筛板7中筛孔的直径为5-20mm，任意相邻 的两筛孔之间的孔心距为40～60mm，双层筛板与釜底之间设置有用于支撑双层筛板的 支撑柱，双层筛板的中心设置有一个与外部连通的圆筒状的出料口9，所述出料口9通 过法兰盘与出料阀10连接，反应釜的底部设置有一个用于酸液进出的酸液管11，酸液 管11的外端上通过法兰连接有三通管，三通管的一端通过阀门连接进酸管12，三通管 的另一端通过阀门与真空脱酸系统2连接；反应釜的釜壁上设置有用于蒸汽加热或水冷 的夹套13以及与夹套13对应的阀门；反应釜的顶部釜盖上设置有一个铅质的冷凝器4， 所述冷凝器4的上部设有一个管道，并通过管道与真空多级水吸收罐3相连接，真空多 级水吸收罐3的末端与酸雾吸收塔系统5相连，酸雾吸收塔系统5的末端连接引风机6； 所述的釜盖上还安装有视镜、温度计15、搅拌器14以及人孔。

采用本发明所提供的装置后，酸液从底部进入釜内后，在浮力的作用下，物料被酸 液浮起来后，开启搅拌，电机在很低的电流下就能启动。当遇到中途停电时，石英砂就 沉积在釜底部，如果采用普通的反应釜，此时是不能启动电机的，否则电机必定烧毁， 更为使人头疼的是，若采用普通反应釜，物料沉积在釜底部后，必须重新把物料起出来， 重新再放进去，否则无法进行正常生产，这在生产中已经多次验证。而采用此反应釜， 不怕中途多次停电的情况发生，大大提高了生产效率；

此外，采用此反应釜便于脱除酸液，物料出料方便。如不采用此釜，则出料是酸液 和砂浆一起进入离心机脱酸，其工作环境十分恶劣，用此釜后，先脱除酸液，然后再用 清水把物料送到离心机脱水，再送料的过程中酸液大大的稀释了，对于其生产环境有很 大的改变。

实施例1

本实施例中的原料为唐山金信世达硅业有限公司所产的脉石英矿生产石英砂过程 中的白色尾砂，具体的生产工艺如下：

1、先把石英尾砂用清水漂洗后离心脱水，检测其中的杂质：Al₂O₃：0.16％、Fe₂O₃： 0.053％、水分：5.6％

2、表面清洗及除杂

把步骤1中的石英尾砂投入到反应釜中，先开启酸雾吸收塔系统，使整个反应系统 呈现微负压状态，再开启釜的夹套冷却水和冷凝器冷却水后，再开启酸泵，用变频器控 制向釜内送入氢氟酸的量，氢氟酸的浓度为10％(具体视情况而定)，当釜内的石英尾 砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时， 停止送酸液。并在此搅拌反应3h，取样分析三氧化二铝含量，Al₂O₃:0.04％。脱除酸液 回收套用，把物料用清水洗涤至中性，脱水后送入步骤3中。

3，酸洗除铁

根据步骤2的分析结果可知，该物料的Al₂O₃的含量符合质量要求，剩下的主要任 务是除铁质。将脱水后的物料送入反应釜内，用酸泵送入用20％硝酸与30％氟硅酸按 1:1的体积比进行混合的酸液到反应釜内，当釜内的石英尾砂呈现被酸液淹没且砂颗粒 在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时，停止送酸液，并在此搅拌 反应3h后，取样分析：Fe₂O₃:0.0018％，用真空脱除酸液回收套用；再把物料用水送入 步骤4中的水洗工序。

4，把步骤3中的物料用清水洗涤至pH＝6～7，先用离心机脱除水分后，再把物料 放入反应釜中，给釜夹套通入蒸汽并用泵送入25％的盐酸到反应釜内，当釜内的石英尾 砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时， 停止送酸液，继续加热到60度并在此温度下搅拌反应6h后，取样分析：Fe₂O₃:0.0006％， 用真空脱除酸液回收套用，再把物料用清水送入步骤5中的水洗工序。

5，把步骤4中的物料用清水洗涤至pH＝6～7，先用离心机脱除水分后，再用湿法 分级，分别收集120目～200目、200目～400目的砂粉；分别脱水后；再分别用去离子 水洗涤至氯离子或硝酸根离子小于10ppm后，分别脱水和烘干；120目～200目即是高 纯石英粉；200目～400目为高纯超细硅微粉原料，收集200～400目的砂粉，用对撞式 气流粉碎机将其粉碎到800～1000目或1000～2500目或2500～5000目，即制得高纯超 细硅微粉。

实施例2

本实施例中的原料为临沂沂水某硅砂有限公司所产的沉积石英岩生产石英砂过程 中的黄色尾砂，具体的生产工艺如下：

1、由于该尾砂为长期堆放的尾砂，因此先把石英尾砂打浆后再用清水漂洗后离心 脱水，检测其中的杂质：Al₂O₃：0.94％、Fe₂O₃：0.15％；水分：6.3％

2、表面清洗及除杂

把步骤1中的石英尾砂投入到反应釜中，先开启酸雾吸收塔系统，使整个反应系统 呈现微负压状态，再开启釜的夹套冷却水和冷凝器冷却水后，再开启酸泵，用变频器控 制向釜内送入氢氟酸的量，氢氟酸的浓度为20％(具体视情况而定)，当釜内的石英尾 砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时， 停止送酸液。并在此搅拌反应6h，取样分析三氧化二铝含量，Al₂O₃:0.02％。脱除酸液 回收套用，把物料用清水洗涤至中性，脱水后送入步骤3中。

3，酸洗除铁

根据步骤2的分析结果可知，该物料的Al₂O₃的含量符合质量要求，剩下的主要任 务是除铁质。将脱水后的物料送入反应釜内，用酸泵送入用30％氟硅酸+30％硝酸按1:1 的体积比进行混合的酸液到反应釜内，当釜内的石英尾砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上 下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时，停止送酸液，并在此搅拌反应 3h后，取样分析：Fe₂O₃:0.0027％。用真空脱除酸液回收套用；再把物料用水送入步骤4 中的水洗工序。

4，把步骤3中的物料用清水洗涤至pH＝6～7，先用离心机脱除水分后，再把物料 放入反应釜中，给釜夹套通入蒸汽并用泵送入30％的盐酸到反应釜内，当釜内的石英尾 砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时， 停止送酸液，继续加热到80度并在此温度下搅拌反应5h后，取样分析：Fe₂O₃:0.0008％， 用真空脱除酸液回收套用，再把物料用清水送入步骤5中的水洗工序。

5，把步骤4中的物料用清水洗涤至pH＝6～7，先用离心机脱除水分后，再用湿法 分级，分别收集120目～200目、200目～400目的砂粉；分别脱水后；再分别用去离子 水洗涤至氯离子或硝酸根离子小于10ppm后，分别脱水和烘干；120目～200目即是高 纯石英粉；200目～400目为高纯超细硅微粉原料。

实施例3

本实施例中的原料为安徽凤阳某硅砂科技有限公司所产的沉积石英岩生产石英砂 过程中的浅白色尾砂，具体的生产工艺如下：

1、由于该砂粉为干燥砂粉，因此直接检测其中的杂质：Al₂O₃：2.44％、Fe₂O₃：0.058％； 水分：4.3％。

2、表面清洗及除杂

把步骤1中的石英尾砂投入到反应釜中，先开启酸雾吸收塔系统，使整个反应系统 呈现微负压状态，再开启釜的夹套冷却水和冷凝器冷却水后，再开启酸泵，用变频器控 制向釜内送氢入氟酸的量，氢氟酸的浓度为30％(具体视情况而定)，当釜内的石英尾 砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时， 停止送酸液。并在此搅拌反应5h，酸洗完毕后将酸液脱除并回收，再对酸洗后的石英尾 砂进行浮选，浮选后将石英尾砂洗涤至中性，离心脱水后备用；浮选方法具体如下：以 氢氟酸和碱液为调整剂，以十二胺为捕获剂，以2号油为起泡剂，在pH＝2.0～3.0的条 件下浮选出矿物杂质。浮选后取样分析三氧化二铝含量，Al₂O₃:0.026％。

3，酸洗除铁

根据步骤2的分析结果可知，该物料的Al₂O₃的含量符合质量要求，剩下的主要任 务是除铁质。将脱水后的物料送入反应釜内，用酸泵送入用20％氟硅酸+30％硝酸按1:1 的体积比进行混合的酸液到反应釜内，当釜内的石英尾砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上 下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时，停止送酸液，并在此搅拌反应 3h后，取样分析：Fe₂O₃:0.0023％。用真空脱除酸液回收套用；再把物料用水送入步骤4 中的水洗工序。

4，把步骤3中的物料用清水洗涤至pH＝6～7，先用离心机脱除水分后，再把物料 放入反应釜中，给釜夹套通入蒸汽并用泵送入30％的盐酸到反应釜内，当釜内的石英尾 砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时， 停止送酸液，继续加热到80度并在此温度下搅拌反应5h后，取样分析：Fe₂O₃:0.0010％， 用真空脱除酸液回收套用，再把物料用清水送入步骤5中的水洗工序。

5，把步骤4中的物料用清水洗涤至pH＝6～7，先用离心机脱除水分后，再用湿法 分级，分别收集120目～200目、200目～400目的砂粉；分别脱水后；再分别用去离子 水洗涤至氯离子或硝酸根离子小于10ppm后，分别脱水和烘干；120目～200目即是高 纯石英粉；200目～400目为高纯超细硅微粉原料。

实施例4

本实施例中的原料为广东河源某石英砂有限公司所产的沉积石英砂岩生产石英砂 过程中的浅白色尾砂，具体的生产工艺如下：

1、由于该砂粉为干燥砂粉，因此直接检测其中的杂质：Al₂O₃：3.5％、Fe₂O₃：0.78％、； 水分：4.3％。

2、表面清洗及除杂

把步骤1中的石英尾砂投入到反应釜中，先开启酸雾吸收塔系统，使整个反应系统 呈现微负压状态，再开启釜的夹套冷却水和冷凝器冷却水后，再开启酸泵，用变频器控 制向釜内送入氢氟酸的量，氢氟酸的浓度为40％(具体视情况而定)，当釜内的石英尾 砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时， 停止送酸液。并在此搅拌反应5h，酸洗完毕后将酸液脱除并回收，再对酸洗后的石英尾 砂进行浮选，浮选后将石英尾砂洗涤至中性，离心脱水后备用；浮选方法具体如下：以 氢氟酸和碱液为调整剂，以十二胺为捕获剂，以2号油为起泡剂，在pH＝2.0～3.0的条 件下浮选出矿物杂质。浮选后取样分析三氧化二铝含量，Al₂O₃:0.03％。

3，酸洗除铁

根据步骤2的分析结果可知，该物料的Al₂O₃的含量符合质量要求，剩下的主要任 务是除铁质。将脱水后的物料送入反应釜内，用酸泵送入用20％氟硅酸+20％硝酸按1:1 的体积比进行混合的酸液到反应釜内，当釜内的石英尾砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上 下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时，停止送酸液，并在此搅拌反应 3h后，取样分析：Fe₂O₃:0.0028％。用真空脱除酸液回收套用；再把物料用水送入步骤4 中的水洗工序。

4，把步骤3中的物料用清水洗涤至pH＝6～7，先用离心机脱除水分后，再把物料 放入反应釜中，给釜夹套通入蒸汽并用泵送入30％的盐酸到反应釜内，当釜内的石英尾 砂呈现被酸液淹没且砂颗粒在上下翻动的状态时，开启釜上的搅拌，待搅拌正常运行时， 停止送酸液，继续加热到80度并在此温度下搅拌反应5h后，取样分析：Fe₂O₃:0.00010％， 用真空脱除酸液回收套用，再把物料用清水送入步骤5中的水洗工序。

5，把步骤4中的物料用清水洗涤至pH＝6～7，先用离心机脱除水分后，再用湿法 分级，分别收集120目～200目、200目～400目的砂粉；分别脱水后；再分别用去离子 水洗涤至氯离子或硝酸根离子小于10ppm后，分别脱水和烘干；120目～200目即是高 纯石英粉；200目～400目为高纯超细硅微粉原料。