超声波清洗对石英砂粒度和白度影响的研究

超声波来清洗石英砂，去除石英砂中铁杂质，其原理是当超声波在液体中产生时，会形成压缩和膨胀区域，导致空化泡的形成和破裂，当空化泡破裂时，就会在短时间和小空间，产生高温、高压，并伴有强烈的冲击波和射流，对液体中的石英砂颗粒进行剧烈的撞击，将粘附在石英砂表面的杂质颗粒脱落下来进入液体中，从而达到去除杂质的目的，研究发现，用超声波清洗石英砂不仅能将石英砂表面的杂质颗粒去除，还能改变石英砂的粒度和白度。

为了研究超声波清洗对不同粒度石英砂的粒径的影响，分别取80～100目、120～140目、180～200目、200～300目石英砂各10g，在以下条件:清洗时间30min、清洗温度30℃、超声波功率300W、超声波频率40kHz，搅拌转速300r/min，草酸浓度8g/L等，进行清洗。
实验结果显示经相同的条件清洗后，不同粒度石英砂的粒径都变小，其中80～100目石英砂的体积平均径由286.4μm减小到275.2μm，120～140目石英砂的体积平均径由191.7μm减小到184.4μm，180～200目石英砂的体积平均径由123.4μm减小到120.3μm，200～300目石英砂的体积平均径由103.4μm减小到100.5μm。

但四类石英砂的粒度变化都不大，其中80～100目石英砂的粒度变化大，体积平均径减小了3.91%，180～200目石英砂的粒度变化小，体积平均径减小了2.51%。
说明用超声波清洗石英砂时，在超声波冲击波和射流作用下，不同粒度石英砂都能被粉碎，这一结果与前人研究的结果一致，但超声波对石英砂粒度的影响并不大，而且不同粒度石英砂在相同的条件下被粉碎的程度也存在差别。由于80～100目石英砂的粒度变化大，为了便于对比，在后面的试验中，本文都选用80～100目石英砂进行试验。

研究结果显示，众多参数对石英砂的粒度都产生影响，其中影响大的参数是超声波的频率和草酸浸出剂的浓度，其次是搅拌器的转速，三是清洗时间、清洗温度、清洗样品质量及超声波功率等。由于超声波频率越高其能量越大，产生的冲击波和射流对石英砂颗粒的作用力越大，对石英砂的粉碎效果更明显。已有的研究指出，超声波和草酸共同作用将使石英砂变得更加地疏松和多孔，终导致分裂和破碎，因此，当有草酸作为浸出剂时，超声波对石英砂的粉碎效果也是非常明显的。
而对于超声波清洗对石英砂白度的影响，已有的研究指出颗粒直径越小，颗粒之间的间距较小，光源在物质表面的漫反射现象就少，光反射率大，物质白度就高。
研究表明，对各种不同粒度石英砂经相同条件清洗后，白度值都增加了，80～100目石英砂的白度由61.14增加到65.41，增幅为6.98%，120～140目石英砂的白度由67.75增加到69.11，增幅为2.01%，180～200目石英砂的白度由71.14增加到74.79，增幅为5.13%，200～300目石英砂的白度由72.06增加到74.85，增幅为3.87%。
在四种石英砂中80～100目石英砂的白度变化大。另外，物质的白度与其中杂质含量有关，物质的白度值越高，其中的杂质含量越低，而用草酸清洗石英砂，能有效降低石英砂中铁杂质含量。
在超声波清洗过程中，清洗时间、清洗温度、清洗样品质量、超声波功率、超声波的频率和草酸浓度等参数对石英砂的白度都有影响，但各参数对石英砂的粒度和白度的影响程度并不一样，影响石英砂白度的主要参数也是超声波的频率和草酸浸出剂的浓度。
说明用超声波清洗石英砂不仅使其粒度减小，同时使其白度增加，这主要是在清洗的过程中超声波能产生冲击波和射流，在草酸协同作用下粉碎石英砂颗粒，降低了石英砂中杂质的含量，从而减小了石英砂粒径，同时增加了石英砂的白度，从另一个角度分析，石英砂粒度和白度的变化又反映了在清洗过程中石英砂中杂质去除情况。

为了从微观角度寻找在草酸的辅助作用下超声波清洗对石英砂粒度和白度影响的原因，用扫描电镜对80～100目、120～140目、180～200目和200～300目石英砂在清洗前后的形貌进行了观察结果显示不同粒度石英砂的表面都吸附有颗粒物，这些颗粒物的尺寸从几十纳米到几微米不等，但清洗后的石英砂表面吸附的颗粒物明显少于清洗前应用EDX对这些吸附的颗粒物成分进行分析，得到其中主要成分是二氧化硅，另外还含有Mg、Al、P、C、Fe等杂质元素，说明这些细小颗粒有一部分是杂质颗粒。
综合来讲，要利用超声波粉碎石英砂颗粒，清洗其表面杂质，减小石英砂的粒度，增加其白度，首先是要合理设计实验条件，特别注意提高超声波的频率，并添加浸出剂，因为当超声波频率越高，并在浸出剂的共同作用下，超声波对石英砂的粉碎效果会更好。而具体影响如下：
(1)利用超声波清洗石英砂，不同粒度石英砂都被粉碎，其粒度减小、白度增加，但不同粒度石英砂在相同的条件下被粉碎的程度并不一样;
(2)在清洗过程中，超声波的频率和功率、草酸浓度、石英砂的粒度、清洗时间、清洗温度、搅拌器转速等参数对石英砂的粒度和白度都会产生影响，其中超声波的频率和草酸浓度对试验结果影响大;
(3)经超声波清洗后石英砂表面吸附的杂质颗粒明显减少，有裂痕的石英砂颗粒都被粉碎，清洗后的石英砂表面出现了“微坑”，说明超声波清洗对石英砂有粉碎作用，从而使石英砂的粒度和白度发生了变化，试验数据显示，在超声波频率(20～40kHz)和功率(180～300W)都一定的条件下，超声波使石英砂粒度减小1.15%～5.69%，白度增加2.01%～6.98%。

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