《Powder Technology》：Study on deep iron removal and quartz enrichment via superconducting high gradient magnetic separation in iron tailings
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高月山|张金霞|牛福生|杨超|谢兴根|张思琪|刘凤亮•实现了从铁尾矿中高效浓缩和提纯石英。•优化了超导磁分离的关键工艺参数。•提升了铁尾矿的资源利用价值。•阐述了石英与铁矿物之间的磁分离过程。引言硅（Si）是地壳中含量第二多的元素，而石英则是二氧化硅最常见的形式，占地壳体积的12
高月山|张金霞|牛福生|杨超|谢兴根|张思琪|刘凤亮
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实现了从铁尾矿中高效浓缩和提纯石英。
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优化了超导磁分离的关键工艺参数。
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提升了铁尾矿的资源利用价值。
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阐述了石英与铁矿物之间的磁分离过程。
引言
硅（Si）是地壳中含量第二多的元素，而石英则是二氧化硅最常见的形式，占地壳体积的12.6%[1]。石英主要由二氧化硅（SiO?）构成，具有稳定的物理化学性质，广泛应用于传统基础产业和高科技领域[2]。在传统工业中，石英主要用于玻璃、塑料、橡胶等材料的制造；而在高科技领域，由于其优异的物理化学性能，如高透光率、低热膨胀系数、耐高温腐蚀以及出色的化学稳定性，石英被广泛用于光纤、激光、半导体和国防等领域[3]、[4]。随着技术的不断进步，高纯度石英在相关行业中的应用越来越广泛，市场需求也迅速增长[5]。然而，天然石英砂资源——尤其是适合生产高纯度石英的高质量原料——正面临枯竭的威胁[6]。因此，积极探索开发天然石英砂的替代品至关重要。
高硅硅铁尾矿是铁精粉生产过程中的副产品，产量大，硅含量高，且所含有害元素较少[7]、[8]。这类尾矿通常被堆放在尾矿坝中，不仅浪费土地资源，还会带来尾矿坝溃决、土壤污染和沙尘暴等严重环境风险，危及周边生态系统和居民的安全[9]、[10]。不过，高硅铁尾矿富含石英矿物，可作为生产高纯度石英的重要二次资源，具有很高的资源回收价值[11]。已有许多研究探讨了将铁矿石尾矿用作矿山空洞的回填材料[12]、生产化学材料[13]、[14]、作为盐碱土的改良剂[15]、[16]，以及回收有用元素[17]、[18]。高硅硅铁尾矿不仅含有大量石英，还包含一些细小的非磁性或弱磁性颗粒，如长石、绿泥石、赤铁矿和辉石。其中，尾矿中的铁杂质通常以赤铁矿、橄榄石和绿泥石等独立矿物形式存在，同时部分铁也可能以细小包裹体或与石英、长石共生的形式存在。这种复杂的存在状态导致铁矿物粒度细小且难于分离，使用常规磁选技术很难将石英与这些矿物分开[19]、[20]。因此，亟需开发一种绿色且高效的从铁尾矿中提取石英的技术，该技术应具备较高的工艺稳定性、良好的环保效果以及简单的操作流程。
超导高梯度磁分离技术（S-HGMS）源自20世纪70年代的高梯度磁分离技术（HGMS）[21]。该技术能够产生3到8特斯拉的磁场，从而轻松捕获细小且弱磁性的颗粒。S-HGMS具有分离效率高、运行成本低以及分离过程无污染等优点[22]、[23]。自问世以来，超导高梯度磁分离技术已在废水处理和工业废物管理领域得到应用研究[24]、[25]。这项技术在处理废水和分离弱磁性矿物方面展现出巨大潜力。王等人利用粗选-精选超导磁分离工艺，从铜钼浮选精矿中制得了含0.46%铜和16.28%钼的钼精矿[26]；袁等人用该技术回收了超细钛铁矿，得到了二氧化钛含量为16.03%、回收率为66.39%的精矿[27]；李等人还提出了一种利用S-HGMS技术从海沙中提取石英的方法，实现了海沙的高值化利用[28]。李等人的研究还表明，高梯度超导磁分离技术可用于将铁矿石与红泥分离[29]。上述研究表明，S-HGMS技术在分离弱磁性矿物和提取石英方面具有广阔的应用前景。不过，关于其在高硅铁尾矿中深度去除铁元素及石英富集方面的应用研究仍相对较少。从理论上讲，铁尾矿中的赤铁矿属于弱磁性颗粒，而石英属于抗磁性颗粒，二者可以通过S-HGMS技术实现分离[30]、[31]。因此，本研究提出了采用S-HGMS技术从河北省的高硅铁尾矿中提取石英的预富集方法，以实现铁尾矿的高值化利用，并进一步研究了影响预富集过程的各类因素的作用机制。
本研究采用了XRF、XRD、SEM-EDS、VSM和偏光显微镜等技术，分析了这种高硅铁尾矿的矿物学特征，明确了杂质元素和包裹体的分布规律。通过系统研究磁场强度、磁介质结构以及脉冲频率等关键参数对石英预富集效果的影响，本研究不仅确定了S-HGMS系统的最佳工艺参数，还阐明了铁尾矿中石英预富集的机制。这项技术为河北省某企业高硅铁尾矿中石英的预富集提供了理论依据。
章节要点
材料
本研究所用的铁尾矿取自河北省的一家铁矿石加工厂。首先从这批铁尾矿中选取代表性样本，然后进行破碎和研磨。由于超导磁分离器具有很高的磁场梯度，为减轻其工作负担并降低实验成本，需先使用高强度磁选机去除铁尾矿中的大部分磁性矿物。
铁尾矿特性分析
图4(a)展示了铁尾矿的照片，其中主要为黄色和白色颗粒，还含有少量黑色杂质。图4(b)为铁尾矿的偏光显微镜观察结果：铁尾矿样品中的透明颗粒为石英，白色颗粒为钠长石，淡黄色颗粒为钾长石，绿色颗粒为绿泥石。这些颗粒在铁尾矿中均匀分布。如图所示，
结论
(1) 本研究采用了超导高梯度磁分离技术，从河北省的高硅铁尾矿中预浓缩石英。在磁场强度为4特斯拉、磁介质网格尺寸为3×6毫米、脉冲频率为60赫兹的最佳条件下，通过“一次粗选、一次精选”的磁分离流程，获得了二氧化硅含量为93.01%的石英精矿，同时铁氧化物的去除率达95.79%。
(2) 在
作者贡献声明
高月山：论文撰写——初稿撰写，数据整理。张金霞：论文撰写——审阅与编辑，研究指导，方法设计，概念构思。牛福生：资源协调，项目管理，方法研究。杨超：论文撰写——审阅与编辑。谢兴根：论文撰写——审阅与编辑。张思琪：结果验证，研究指导。刘凤亮：研究指导，实验调研。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢
本研究得到了河北省自然科学基金重点项目（编号：E2025209186）、国家自然科学基金（编号：52374265）以及唐山市科技计划项目（编号：25150205E）的支持。
