石英砂（quartz sand）是由石英石经破碎、筛分等工艺加工而成的石英颗粒。石英石是一种非金属矿物质，其矿物成分主要是二氧化硅（SiO?）。石英砂按品质可分为普通石英砂、精制石英砂、高纯石英砂、熔融石英砂及硅微粉等。各类石英砂的SiO?含量及杂质含量有所不同，如普通石英砂SiO?含量一般不低于90%，而高纯石英砂SiO?含量则高达99.9%以上。
石英砂化学性能稳定，不溶于酸（但微溶于KOH溶液），熔点高达1750℃，具有较高的耐火性能。通常呈乳白色或无色半透明状，具有油脂光泽。莫氏硬度为7，硬度高，耐磨性强。密度为2.65克/立方厘米左右，堆积密度则因粒度不同而有所变化。石英砂颗粒形状多样，一般为贝壳状断口或参差状断口，无解理。 [1]
石英砂在多个关键工业领域发挥着不可或缺的作用，从基础的玻璃制造到高科技的半导体与光伏产业，均广泛采用。作为玻璃工业的核心原料，石英砂确保了玻璃产品的透明度和耐用性；在陶瓷与耐火材料领域，它提升了产品的耐高温与化学稳定性；在冶金工业中，石英砂作为添加剂优化了合金性能；同时，它也是建筑、化工等多个行业的重要原料。特别是在半导体与光伏等高科技领域，高纯度石英砂更是成为制造集成电路与太阳能电池板等核心部件的关键材料，推动了这些行业的创新发展。
2025年4月，《新发现矿种公告》发布，其中确定了一个新矿种——高纯石英矿。它的出现，将改变此前高度依赖进口的局面，助力相关战略性新兴产业的高质量发展。 [4]
- 中文名
- 石英砂
- 外文名
- quartz sand
- 原 料
- 石英石
- 特 点
- 坚硬、耐磨、化学性能稳定
- 性 质
- 硅酸盐矿物
- 成 分
- SiO2
- 用 途
- 玻璃、铸造、陶瓷及耐火材料
- 主要产地
- 河北灵寿、辽宁朝阳
- 莫氏硬度
- 7.0
- 熔 点
- 1750 ℃
- 相对密度
- 2.65
- 形态与结构
- 形态多样，粒径广泛，性脆无解理，贝壳状断口
- 化学稳定性
- 化学性质稳定，微溶于KOH溶液
研究历史
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石英砂的研究历史是一个从地质学分类到工业应用、从低纯度到高纯度、从简单工艺到复杂技术的逐步发展过程。随着科技和工业的不断发展进步，石英砂的应用领域将更加广泛多样，其研究也将更加深入和全面。
早期研究
命名：石英砂的名称源于拉丁语中的“quartzum”，这个词在古希腊时代就被用来描述一种闪闪发光的石头。随着矿物学的发展，石英作为含有SiO?的矿物质被广泛认知，而石英砂因其主要成分也是SiO?，故在石英的基础上得名，代表着其主要成分和来源。
矿床发现与初步应用：石英砂矿床的发现和应用历史可以追溯到更早的时期，但具体的记录可能因地区而异。在一些地区，石英砂作为建筑材料或简单工业原料被使用。
工业应用与发展
20世纪中期：随着工业化的推进，石英砂的应用领域逐渐扩大。在玻璃、陶瓷、冶金等行业中，石英砂作为重要的原料开始被广泛使用。此时，对石英砂的研究主要集中在提高产量和降低生产成本上。
20世纪70年代：随着高科技产业的兴起，对高纯度石英砂的需求急剧增加。美国等发达国家开始研究高纯石英砂的制备技术，以满足电子、光纤通信等领域的需求。此时，石英砂的提纯工艺得到了显著发展，包括擦洗、磁选、浮选、酸浸等多种方法被应用于石英砂的提纯过程中。
20世纪80年代至今：随着全球科技和工业的快速发展，石英砂的应用领域进一步拓展。在半导体、光伏、光纤通信等高科技产业中，高纯石英砂成为不可或缺的关键材料。同时，对石英砂的研究也更加深入和广泛，包括其物理化学特性、成矿机制、资源分布等方面的研究都取得了重要进展。
关键技术突破
提纯技术：在石英砂的提纯过程中，技术突破是关键。例如，美国Unimin公司在北卡罗来纳州Spruce Pine地区的花岗岩中分选、提纯出高纯石英，其SiO2含量可达99.99%以上，甚至更高。这一技术的突破极大地推动了高纯石英砂在高科技产业中的应用。[2]
选矿工艺：随着选矿工艺研究的不断深入，擦洗-磁选-浮选-酸浸等传统工艺流程得到了优化和改进。同时，电选和生物选矿等新技术也被引入到石英砂的选矿过程中，进一步提高了石英砂的纯度和产量。
现状与未来
现状：目前，全球石英砂行业呈现出快速发展的态势。特别是在中国等新兴市场国家，随着工业化进程的加快和高科技产业的兴起，对石英砂的需求不断增加。同时，石英砂的提纯技术和选矿工艺也在不断进步和完善。
未来：未来石英砂行业的发展将更加注重资源的可持续利用和环保生产。随着科技的不断进步和环保意识的提高，石英砂行业将朝着更加绿色、高效、智能的方向发展。同时，对高纯度石英砂的需求也将继续增加，推动相关技术的不断创新和突破。
主要分类
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普通石英砂
普通石英砂，即SiO2≥90—99%、 Fe2O3≤0.06—0.02%，耐火度1750℃，外观：部分大颗粒表面有黄皮包囊。普通石英砂一般是采用天然石英矿石，经破碎，水洗，烘干，二次筛选而成的一种水处理滤料；该滤料具有：无杂质，无棱角，密度大，机械强度高，载污能力线使用周期长的特点，是化学水处理的理想材料。粒度范围5—220目，可按用户要求粒度生产。主要用途：冶金，墨碳化硅，玻璃及玻璃制品，搪瓷，铸钢，水过滤，泡花碱，化工，喷吵等行业。 [1]
精制石英砂
高纯石英砂
熔融石英砂
化学成份：SiO2 99.9-99.95%、 Fe2O3 5PPM-25PPM max 、Li2O 1-2PPM max、 Al2O3 20-30PPM max、
K2O 20-25PPM max、 Na2O 10-20PPM max （PPM为百万分之一单位）。
物理性能：
外观为无色透明块状，颗粒或白色粉末。
莫氏硬度：7.0 。
pH值：6.0 。
硅微粉
硅微粉：外观为灰色或灰白色粉末﹑耐火度>1600℃。容重：200～250千克/立方米。硅微粉的化学成份见下表： [2]
项目 | SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | MgO | CaO | NaO | pH |
平均值 | 75～96% | 1.0±0.2% | 0.9±0.3% | 0.7±0.1% | 0.3±0.1% | 1.3±0.2% | 中性 |
物化特性
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石英砂作为一种重要的工业矿物原料，具有一系列独特的物理和化学特性。
物理特性
颜色与光泽：石英砂的颜色多为乳白色或无色半透明状，也有淡黄、褐色及灰色等颜色。
其表面具有油脂光泽，这使得它在视觉上具有一定的独特性。
硬度与密度：石英砂的莫氏硬度为7，是一种相对较硬的矿物，这使得它在耐磨性方面表现出色。
其相对密度为2.65，堆积密度则根据目数不同有所变化，如1-20目的堆积密度为1.6~1.8，而20-200目的堆积密度为1.5。[1]
形态与断口：石英砂的性脆无解理，断口呈贝壳状，这种形态特性有助于其在某些工业应用中的表现。
粒度与规格：石英砂的粒度范围广泛，常用规格包括从0.5-1mm到16-32mm的颗粒，以及从2-4目到2500目的不同目数。这种多样化的粒度规格满足了不同工业领域的需求。
热学性能：石英砂的熔点高达1750°C，这使得它在高温环境中仍能保持其结构和性能的稳定。其热膨胀系数小，这也是其在高温应用中的一个重要优势。
化学特性
主要成分：石英砂的主要矿物成分是SiO2（二氧化硅），含量通常高达90-99%，这使得它成为一种高纯度的硅酸盐矿物。同时，其Fe2O3（三氧化二铁）含量较低，一般不超过0.06%，这有助于保持其化学性能的稳定性。
化学稳定性：石英砂具有优异的化学稳定性，不溶于酸（如盐酸、硫酸等），这使得它在许多化学环境中都能保持其原有的性能。它微溶于KOH溶液，但这一特性在大多数工业应用中并不显著。
其他特性：石英砂还具有高度绝缘、耐腐蚀等特性，这些特性使得它在电子、机械等高科技领域中有广泛的应用。
此外，石英砂还具有压电效应、谐振效应以及独特的光学特性，这些特性进一步拓展了其在高科技产品中的应用范围。
原料产地及分布特点
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石英矿通常分为石英、鳞石英、白矽石三大类。基本上由石英粒组成的未胶结的碎岩石称为石英砂。石英砂的原料产地遍布全球多个国家和地区，其中中国、美国、巴西和俄罗斯是全球石英砂产量较高的地区。这些地区的石英砂资源在产量、品质和应用领域上各具特色，为全球石英砂市场提供了稳定而多样化的供应。
全球主要产地
中国：中国是全球最大的石英砂生产国之一，拥有丰富的石英矿资源。石英砂主要产自河北、山东、江苏、云南、内蒙古、新疆、青海、安徽、辽宁、陕西等地。其中，河北省的平山、宽城、蔚县，山东省的沂南等地是中国主要的石英砂产地。此外，安徽省凤阳县和江苏省东海县也因其丰富的石英砂资源而知名，凤阳县是国家重点规划中的“千亿元硅产业基地”。中国的石英砂种类多样，包括石英岩、石英砂岩、天然石英砂和脉石英等。这些资源在化学成分、物理性质和开采条件上各有特点，为不同工业领域提供了丰富的原料选择。[4]
美国：美国的石英砂主要分布在得克萨斯州、俄亥俄州、伊利诺伊州、俄勒冈州、爱达荷州和明尼苏达州等地。其中，得克萨斯州的帕金斯顿地区是美国最大的石英砂产地之一。美国的石英砂不仅用于建筑、玻璃制造等传统领域，还广泛用于页岩气开采等现代能源产业。
巴西：巴西是南美洲重要的石英砂生产国，产砂地区主要集中在圣保罗州、巴拉那州和南里奥格兰德州等地。巴西的石英砂资源储量丰富，品质优良，为国际市场提供了大量高质量的石英砂产品。
俄罗斯：俄罗斯是欧洲最大的石英砂生产国之一，主要产砂地区包括乌拉尔山脉、西伯利亚地区和伏尔加河流域。俄罗斯的石英砂资源在全球市场上占据重要地位，其产量和出口量均居世界前列。
其他国家和地区：除了上述国家和地区外，印度、澳大利亚、加拿大、南非、法国、德国、墨西哥以及阿尔及利亚等地也是重要的石英砂产地。这些地区的石英砂资源各具特色，为全球石英砂市场提供了多元化的供应。
分布特点
地质条件：石英砂的产量分布与各个国家和地区的地质条件密切相关。石英矿的形成需要特定的地质环境和条件，如岩浆活动、构造运动等。
资源储量：不同地区的石英砂资源储量差异较大，这直接影响到当地的开采规模和生产能力。
开采技术：开采技术的进步和普及也是影响石英砂产量分布的重要因素。随着技术的进步，一些原本难以开采的石英矿得以被有效利用。
生产方法
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石英砂的生产方法主要根据所需产品的纯度和用途而有所不同。一般来说，石英砂的制作过程包括原料准备、破碎、筛分、除杂、提纯等多个步骤。 [3]
原料准备
矿石选择：选用优质的石英岩、硅石或天然水晶石等作为原料。这些原料应具有较高的SiO?含量和较低的杂质含量。
清洗：将原矿进行清洗，以去除表面的泥土、灰尘等杂质。
破碎与筛分
粗碎：使用颚式破碎机等设备将原料粗碎至一定粒径（如10-20mm）。
细碎：通过反击式破碎机、制砂机等设备将粗碎后的物料进一步细碎至所需粒度（如1-5mm）。
筛分：利用振动筛等设备对细碎后的物料进行筛分，分离出不同粒度的石英砂。
除杂
磁选：利用磁选机在磁场作用下，去除石英砂中的铁磁性杂质。磁选机的磁场强度可根据需要调整，以达到最佳的除铁效果。
擦洗脱泥：擦洗是指借助机械力和砂粒间的磨剥力来除去石英砂表面的薄膜铁、粘结及泥性杂质矿物和进一步擦碎未成单体的矿物集合体，再经分级作业达到进一步提纯石英砂的效果。现今主要有棒磨擦洗和机械擦洗。影响擦洗效果的主要因素为擦洗机的结构特点及配置形式；次要因素为擦洗时间、擦洗浓度（擦洗浓度一般以50%—60%为宜）。主要有机械擦洗、棒磨擦洗和加药高效强力擦洗和超声波擦洗等方法。[6]
提纯
浮选：对于需要进一步提纯的石英砂，可采用浮选工艺。通过加入浮选剂（如油酸钠、十二胺等），利用矿物颗粒表面物理化学性质的差异进行分选，去除云母、长石等非石英矿物。
酸浸：对于高纯石英砂的生产，还需采用酸浸工艺。将石英砂浸泡在一定比例的HCl和HF混合酸中，去除溶于酸的金属氧化物和部分硅酸盐矿物。酸浸后需进行多次水洗，以去除残留的酸液和杂质。
干燥：将提纯后的石英砂进行干燥处理，去除水分。干燥温度和时间需根据具体工艺要求进行调整。
包装与存储
包装：将干燥后的石英砂进行包装，以防潮、防尘。包装材料可选用塑料袋、编织袋等。
存储：将包装好的石英砂存放在干燥、通风的仓库中，避免受潮和污染。
需要注意的是，石英砂的制作方法并非一成不变，实际生产中可根据原料性质、产品要求以及设备条件等因素进行调整和优化。此外，随着科技的不断进步和环保要求的提高，石英砂的生产工艺也在不断改进和完善中。
应用
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石英砂所具有的独特的物理、化学特性，使得其在航空、航天、电子、机械以及当今飞速发展的IT产业中占有举足轻重的地位，特别是其内在分子链结构、晶体形状和晶格变化规律，使其具有的耐高温、热膨胀系数小、高度绝缘、耐腐蚀、压电效应、谐振效应以及其独特的光学特性，在许多高科技产品中发挥着越来越重要的作用。
玻璃行业
陶瓷
陶瓷及耐火材料瓷器的胚料和釉料，窑炉用高硅砖、普通硅砖以及碳化硅等的原料；冶金硅金属、硅铁合金和硅铝合金等的原料或添加剂熔剂混凝土、胶凝材料、筑路材料、人造大理石、水泥物理性能检验材料（即水泥标准砂）等。
化工
主要原料，研磨材料（喷砂、硬研磨纸、砂纸、砂布等），清砂、除锈、去除氧化皮处理 电子 高纯度金属硅、通讯用光纤等 橡胶、塑料填料（可提高耐磨性）。涂料填料可提高涂料的耐候性；其次是：应用于铸造、锻造、机械、冶金、热处理、钢结构、网架结构、集装箱、船舶、修造、桥梁、矿山、等领域的清砂、除锈、强化、成形、消除应力及各种型材的表面清理和涂装、电镀前的粗糙度（拉毛）预处理、石材切割、磁丸铸造、作为重型混凝土及高炉耐火材料的添加剂，以增加其耐磨性，耐高温性，抗冲刷性、静电屏蔽、防辐射、油井的过滤罐、配重等等。花岗岩、大理石表面处理采用优质的石英砂为原料专门为体育运动场馆设计生产的草坪专用产品，具有硬度高、比重大、粒度均匀、棱角小、颜色自然等特点，对人造草坪损伤小、形成保护草毛的作用，使草坪更为耐用。得到了国内多家大专院校体育场馆的应用，石英砂是现代田径场、足球场、高尔夫球场等人造场地配套使用的理想材料。
水处理滤料
由于三层滤料滤床的石英砂粒径比双层滤料的石英砂粒小，且石英砂层之下还有一层更细的重质无烟煤滤料，所以在其它条件相同，甚至滤速高一些的情况下，三层滤料滤池的滤后水的水质比双层滤料滤池的水质为好。在使用石英砂的时候，尽量配合使用。
中国绝大多数污水处理厂执行的是《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级B 标准，而执行一级A 标准可以较大限度的对污水进行“除磷脱氮”，减少对后续受纳水体的污染，出水可作为回用水，解决中国部分地区水资源紧缺的问题。
石英砂滤池
污水厂尾水通过进水管进入过滤器底部，经布水器均匀布水后自上而下通过滤料层。在此过程中，尾水被过滤，去除了水中的污染物。同时石英砂滤料中污染物的含量增加，并且下层滤料层的污染物程度比上层滤料要高。此时打开位于过滤器中央的空气提升泵，将下层的石英砂滤料提至过滤器顶部的洗沙器中进行清洗。滤砂清洗后返回滤床，同时将清洗所产生的污染物外排。
石英砂滤料在提升泵的作用下呈自上而下的运动，对尾水起搅拌作用。过滤器内滤料能够及时得到清洁，抗污染物负荷冲击能力强。石英砂过滤器特殊的内部结构及其自身运行特点，使得混凝、澄清、过滤在同一个池体内可全部完成。
石英砂过滤器的技术特点
(2)过滤效率较高，过滤效果较好，无需停机反冲洗，运行费用低。
(3)水头损失较高，一般需要设置二次提升泵房，增加了运行费用。
活性砂过滤器是一种集絮凝、澄清、过滤为一体的连续过滤设备，广泛应用于饮用水、工业用水、污水深度处理及中水回用处理领域。系统采用升流式流动床过滤原理和单一均质滤料，过滤与洗砂同时进行，能够24小时连续自动运行，巧妙的提砂和洗砂结构代替了传统大功率反冲洗系统，能耗极低。
因此，进行城镇污水处理厂提标改造是水环境保护的要求，也是国家提出的节能减排的要求。
石英砂滤料是采用天然石英矿为原料，经破碎，水洗精筛等加工而成，是水处理行业中使用最广泛、量最大的净水材料，无杂质，抗压耐磨，机械强度高，化学性能稳定，截污能力强，效益高、使用周期长，适用于单层、双层过滤池、过滤器和离子交换器中，各项指标均达到（CJ/T43-2005）标准。
石英砂滤料：主要用在污水处理中，用三五年都没问题，只要防止石英砂流失就行，被污染了不要紧，因为污水处理中，污泥可以进行好氧或者厌氧呼吸，将污水中的污染物降解。
常用规格：0.5-1.0mm 、0.6-1.2mm、1-2mm、 2-4mm 、4-8mm、 8-16mm、 16-32mm。
精制石英砂滤料的理化分析：
分析项目 | 鉴定数据 | 分析项目 | 鉴定数据 | 分析项目 | 鉴定数据 |
SiO2含量 | 99.3% | 容重 | 1.75t/m3 | 盐酸可溶率 | 0.4% |
莫氏硬度 | 7 | 磨损率 | 0.3% | 耐酸度 | 耐强酸 |
沸点 | 2550℃ | 破碎率 | 0.35% | 耐碱度 | 耐碱性能良好 |
熔点 | 1750℃ | 灰粉率 | 0.25% | Zn含量 | 0.005% |
比重 | 2.65 | 空隙率 | 43% | 其它金属含量 | 不超过国家饮用水标准 |
光伏产业
石英坩埚的制造：高纯石英砂是生产光伏用石英坩埚的关键原料。石英坩埚在光伏行业中扮演着重要角色，主要用于在太阳能高温条件下连续拉制单晶硅棒。这些单晶硅棒是制造太阳能电池片的基础材料。石英坩埚的纯度和质量直接影响到单晶硅棒的质量和生产成本。目前，主流的光伏石英坩埚市场报价较高，如32寸市场报价在33000元/个，36寸市场报价在41750元/个，且价格以持稳为主。
支持单晶拉制系统：石英坩埚为单晶拉制及单晶品种提供重要保障，是单晶拉制系统的关键辅料。其稳定性和耐高温性能确保了单晶硅棒在拉制过程中的顺利进行。
半导体产业
硅片制造：石英砂是制造硅片的重要原料。硅片是制造集成电路和太阳能电池的核心部件，其质量直接影响到整个半导体产品的性能。石英砂经过提纯和处理后，可以制成高纯度的硅片，这些硅片具有均匀的化学活性和机械性质，是半导体制造中的基础材料。
晶圆制造辅材：在晶圆制造过程中，石英砂还被用于制造晶圆制造环节的石英玻璃扩散管、扩管配套的石英法兰、石英玻璃炉管、石英舟等石英玻璃器具。这些石英玻璃器具在晶圆制造过程中发挥着重要作用，如确保晶圆在高温下的均匀受热和清洁环境。
光刻、刻蚀和薄膜沉淀：在芯片制造的光刻、刻蚀和薄膜沉淀等关键步骤中，石英砂也被用作光掩膜基板等关键材料。这些材料需要具有高纯度和优良的化学稳定性，以确保芯片制造过程的顺利进行和产品质量。
光纤制造
光纤预制棒：高纯石英砂通过特定的工艺制成光纤预制棒。光纤预制棒是光纤拉丝的基础材料，其质量直接影响到光纤的传输性能和使用寿命。
辅材制造：此外，石英砂还用于制造靶棒、尾棒、烧结管等光纤制造过程中的辅材，以及预制棒生产支撑材料、光纤拉丝用支撑材料等。这些辅材在光纤制造过程中起到关键作用，如确保光纤预制棒的稳定性和拉丝过程的顺利进行。
危害
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在日常生活、生产和科研等方面石英砂有着重要的用途，但有时也会对人体造成危害。
某些硅物质对人体有害,如石棉。石棉是一种纤维状的硅质矿物。人长期吸入，会引致肺部组织受破坏，这些极微细的石棉纤维会沉积在肺气泡内，引致肺部组织逐步纤维化，继而影响肺部气体交换的功能。
由于石棉纤维非肉眼所能看到，一般人对它的传播，都不能作出预防。暴露于石棉的危险性，并没有一个安全界限。基本上，各类石棉均会致癌。尚未有任何药物、外科手术或放射治疗法，可以医治与石棉有关的病症。
另外，石棉亦会引致肺癌、胸膜间皮瘤及胸膜良性病变。患上石棉沉著病的人后期可能并发支气管炎及因肺部广泛纤维化并发肺原性心脏病，导致心脏衰竭而死亡。
石英砂的粉尘极细，比表面积达到100m2/g以上可以悬浮在空气中，如果人长期吸入含有石英砂的粉尘，就会患硅肺病（因硅旧称为矽，硅肺旧称为矽肺）。
硅肺是一种职业病，它的发生及严重程度，取决于空气中粉尘的含量和粉尘中石英砂的含量，以及与人的接触时间等。长期在石英砂粉尘含量较高的地方，如采矿、翻砂、喷砂、制陶瓷、制耐火材料等场所工作的人易患此病。
因此，在这些粉尘较多的工作场所，应采取严格的劳动保护措施，采用多种技术和设备控制工作场所的粉尘含量，以保证工作人员的身体健康。
