天然石英的質量評估

天然石英的主要成分為SiO2，屬三方晶系，有 α?C石英，β?C石英，α?C鱗石英，β1?C鱗石英，β2?C鱗石英，α?C方石英，β?C方石英，柯石英，斯石英等同質多象變體。其中α?C石英在自然界分布極廣，是許多火成巖、沉積巖和變質巖的主要造巖礦物。α?C石英，又是花崗偉晶巖脈和大多數(shù)熱液脈的主要礦物成分。在偉晶巖脈晶洞和變質巖系中的石英脈內，α?C石英，能形成結晶完好的晶體——水晶。    人類對石英的認識和利用可謂由來已久，古人稱水晶為“千年之冰”，將其作為飾品和寶物。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，石英因具有優(yōu)越的性能在許多領域得到了廣泛應用。比如：水晶用來制作壓電元件、石英玻璃的原料等，應用于電子、光學材料等行業(yè)；石英砂是玻璃、陶瓷、鑄造、耐火材料、冶金等行業(yè)的主要原料；石英粉是陶瓷、無堿玻璃纖維、電子塑封填料、耐火涂層、塑模涂層、高技術隱瓷等行業(yè)的主要原料。當然，不同粒度的石英在磨料、涂料等行業(yè)也得到了廣泛的應用。 1.石英的地質產出類型    石英在各種地質條件下都有產出，具有工業(yè)價值的礦床有海相沉積的石英砂礦、湖相沉積石英砂礦、風成石英砂礦、變質成因的石英巖礦、熱液成因的脈石英礦、巖漿分異形成的偉晶巖石英礦等。不同成因的石英質量不同，應用領域也不同。不同類型的石英礦床的地質類型及應用領域見表1。   表1    不同石英礦床的石英質量及應用領域
序 號 地質成因 分類 產出特征 T=I/Io (100%) KA1=Cal/C (100%) ∑Me (PPm) ∑Mc (PPm)
1 內生巖漿巖 偉晶巖 稀有金屬礦 47 79 519 29
2 內生巖漿巖 偉晶巖 含水晶礦 69 75 499 12
3 內生巖漿巖 偉晶巖 含水晶礦 34 72 292 21
4 內生巖漿巖 熱液礦床（脈） 乳白色脈石英 3 54 409 33
5 內生變質巖 偉晶巖 含云母玻璃狀石英 41 65 228 15
6 內生變質巖 偉晶巖 顆粒（粒化）石英 66 55 220 14
7 內生變質巖 偉晶巖 顆粒（粒化）石英 68 53 215 12
8 內生變質巖 熱液石英脈 顆粒（粒化）石英 65 16 91 8
9 內生變質巖 熱液石英脈 透明石英 72 30 42  
10 內生變質巖 熱液石英脈 再結晶乳白色石英 15 41 78  
11 內生變質巖 熱液石英脈 再結晶石英 32 42 75 5
12 內生變質巖 熱液石英脈 水晶礦 72 38 71 4
13 外生沉積巖 熱液石英脈 石英巖 12 40 970 47
14 外生沉積巖 再結晶石英巖 石英巖 33 48 600 81
15 外生沉積巖 砂  巖   6 41 9% 414
16 外生沉積巖 石英砂   3 43 4~3% 693

  序 號 地質成因 分類 產出特征 用  途 產  地
1 內生巖漿巖 偉晶巖 稀有金屬礦 光學玻璃 中國阿爾泰、芬蘭、阿根廷
2 內生巖漿巖 偉晶巖 含水晶礦 壓電水晶 江蘇東海、馬達加斯加、巴西
3 內生巖漿巖 偉晶巖 含水晶礦 熔煉石英 河北靈壽、安格拉
4 內生巖漿巖 熱液礦床（脈） 乳白色脈石英 非均質熔煉石英  
5 內生變質巖 偉晶巖 含云母玻璃狀石英 透明石英玻璃 印度、烏拉爾
6 內生變質巖 偉晶巖 顆粒（粒化）石英 透明石英玻璃 烏拉爾
7 內生變質巖 偉晶巖 顆粒（粒化）石英 透明石英玻璃 中烏拉爾、印度
8 內生變質巖 熱液石英脈 顆粒（粒化）石英 透明石英玻璃 烏拉爾
9 內生變質巖 熱液石英脈 透明石英 透明石英玻璃 烏拉爾、中亞
10 內生變質巖 熱液石英脈 再結晶乳白色石英    
11 內生變質巖 熱液石英脈 再結晶石英 熔練水晶 烏拉爾
12 內生變質巖 熱液石英脈 水晶礦 壓電水晶 馬達加斯加、巴西
13 外生沉積巖 熱液石英脈 石英巖 硅  鐵  
14 外生沉積巖 再結晶石英巖 石英巖 透明石英玻璃、 平板玻璃 烏拉爾、天山、安徽鳳陽
15 外生沉積巖 砂  巖   玻璃、陶瓷 德國、巴西
16 外生沉積巖 石英砂   多組分光學玻璃、 平板玻璃、鑄造 法國、比利時、海南文昌、福建東山
注：T-表示透光率、Kal-石英中的A1占原礦A1的百分數(shù)，Me-金屬離子含量、Mc-著色離子含量   2.石英中的雜質類型 石英作為一種天然產出的礦物原料，必然會與其它礦物共生，即使是水晶，因受成礦環(huán)境的影響，其中也支有一些雜質。而以石英為原料的工業(yè)部門大都對石英中的雜質含量和種類有一定的指標要求。因此，研究天然石英所含的雜質并將其有效地排除是十分重要的。通過多年的研究和實踐，我們將天然石英所含雜質分為如下三類： 2.1礦物雜質 這類雜質系指與石英共生或在石英晶體中尺寸為0.1μm~10mm的固體包裹體，也可能是石英在變質條件下重結晶時所形成的異礦物，存在于石英晶體中、結晶裂隙或晶面。    此類雜質主要有：長石、云母、電氣石、黝簾石、綠簾石、石榴石、方解石、陽起石、金紅石、磷灰石、榍石、黃鐵礦、黃銅礦、赤鐵礦、滑石等，對玻璃工業(yè)而言，上述礦物有些在調溫時能釋放出氣體，有些熔融后能使玻璃著色。    2.2元素雜質    此類雜質系指在石英晶體中以離子形式存在的雜質，其中能取代Si-O四面體中的Si而參與結晶的稱為結構雜質，如Al3+、Fe2+、Ti4+、Ge4+、B3+、P5+、As5+等，這些離子取代Si時伴有Na+、Li+、Ag+、Ca2+、K+、Cl-、F-等。而那些以機械混入、離子吸附或以單質包裹體形成存在于石英晶體的雜質稱為非結構雜質，如Cu2+、Pb2+、Mn2+、Fe3+、Cr3+、Au、C等。    2.3氣-液雜質    此類雜質系指以氣體、液體或氣液混合體形成存在于石英晶體中的雜質。其存在形式主要有：    均勻分布或沿解理紋表面分布的原生和次生氣-液包裹體（0.1μm~10mm），其中所含物質主要有H2O、CO2、CO、CxHyOH、H2、H2S、SO2、HCl、Cl2、F2、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、F-、SO42-、HCO3-等；    以分子形式散布并溶解于石英結構中的分子雜質，如H2O、CO2、H2等；結構氣體雜質，如≡Si-OH、≡Si-H等。 3.石英原料的分選和提純    針對石英中所含的雜質不同，我們可以采取不同的方法對其進行選礦提純。見表2。   表2  石英原料的分選和提純
雜質種類 分配原理 分選方法
礦物雜質 根據(jù)礦物的顏色、比重、磁性、 電導率、表面性質 光選、重選、磁選、 電選、浮選等
  結構雜質 SiO2+HF→SiF4(H2SiF6)↑+H2O KAlSi3O8+HCl→KCl+AlCl3+SiO2nH2O CaCO3+HCl→CaCl2+CO2↑ SiO2nH2O+HF→SiF4↑H2O   酸洗、酸浸等
  氣液雜質 氣體高溫膨脹及 α?C石英——→β?C石英（573℃） 石英的結構缺陷可以成為擴散通道   熱破碎、氯化煅燒等

    通過以上分析我們不難看出對一定的地質條件下形成的石英礦床，只要通過必要的手段檢測出其中雜質的類別和賦存狀態(tài)，不用做工業(yè)試驗就能判斷該石英能應用于哪些工業(yè)領域，并可推薦其加工流程。    天然石英是生產石英玻璃的原料，石英玻璃的質量是由天然石英的質量決定的。通過對天然石英中主要雜質即：礦物雜質、元素雜質和氣-液雜質研究，可以幫助我們在不做工業(yè)試驗的前提下判斷天然石英的質量從而確定其能束用于生產透明石英玻璃還是其他產品。 4.結論    1）不同地質類型的石英質量不同，不同的地質作用對石英礦床的影響不同，對石英的品質也有不同程度的影響。這些因素決定了石英的應用領域。    2）石英中的雜質主要以礦物雜質、元素雜質、和氣-液雜質的形式存在，根據(jù)不同雜質的不同性質可采用選礦、酸浸和脫氣的辦法予以排除。    3）對一定的石英礦床，只要對其地質類型、石英中的雜質等因素進行分析，就可以在不做工業(yè)試驗的情況下對石英的質量進行評估，并推薦加工流程及產品的應用領域。