Dwutlenek tytanu jest nierozpuszczalnym w wodzie białym proszkiem, w zasadzie białym barwnikiem. Jest to bardzo ciekawa substancja przede wszystkim ze względu na szerokie zastosowanie. Dlatego produkcja dwutlenku tytanu jest ważnym elementem światowego przemysłu.

Produkcja dwutlenku tytanu na świecie

W połowie 2000 roku na całym świecie zużyto 4,2 miliona ton dwutlenku tytanu. Największymi producentami tego związku chemicznego są USA i Chiny. Ponadto duże udziały w rynku zajmują Wielka Brytania, Japonia i Niemcy.

Produkcja dwutlenku tytanu wykorzystuje rudy zawierające tytan:

• rutylowe (zawartość ditlenku tytanu — 93–96%);
• w manifestacjach (44-70%);
• leukokseny (do 90%).

Największe złoża rud tytanu znajdują się w USA, Indiach, Australii, Brazylii, Afryce Południowej i Kenii.

Obszary zastosowań dwutlenku tytanu

Jak wspomnieliśmy wcześniej, dwutlenek tytanu ma szerokie zastosowanie w sektorze przemysłowym. Do jego największych użytkowników należą:

• przemysł farb i lakierów (59% ogólnego zużycia). Średni udział pigmentu dwutlenku tytanu w farbach wynosi 25%;
• produkcja tworzyw sztucznych (20%);
• produkcja papieru (13%). Dwutlenek tytanu jest stosowany jako pigment i stopniowo zastępuje kaolin.

Produkcja kauczuku naturalnego, włókien sztucznych, kosmetyków, linoleum, tynków i zapraw cementowych stanowi stosunkowo niewielką część całkowitego zużycia dwutlenku tytanu.

Produkcja dwutlenku tytanu przy użyciu ilmenitu

Omówmy produkcję dwutlenku tytanu przy użyciu ilmenitu. Można go wygodnie podzielić na kilka etapów:

1. rozkład ilmenitu przy użyciu kwasu siarkowego;
2. rozdział na roztwór siarczanu tytanu i nierozpuszczalny osad — siarczan żelaza;
3. filtracja, odparowanie, kalcynacja osadu siarczanu tytanu;
4. redukcji w celu uzyskania gotowego produktu — dwutlenku tytanu.

Najpierw należy przygotować ilmenit do reakcji z kwasem siarkowym. W tym celu suszy się go do wilgotności resztkowej nie większej niż 1%; następnie jest mielony za pomocą nieefektywnych energetycznie młynów kulowych, które zużywają dziesiątki i setki kilowatów energii. Po sproszkowaniu zdolność dyspergowania cząstek koncentratu tytanu nie powinna być większa niż 0,056 mm. Dopuszczalny jest niewielki udział większych cząstek: stanowi to tylko 0,1% w przypadku procesu ciągłego i 2–5% w przypadku procesu okresowego.

Kolejnym etapem jest podawanie do specjalnych reaktorów koncentratu prawie sproszkowanego i stężonego kwasu siarkowego. To właśnie tam w temperaturze 200°C rozkłada się ilmenit.

Główne składniki ilmenitu — TiO2, FeO i Fe2O3 — reagują z kwasem siarkowym. W rezultacie tworzą się TiOSO4, FeSO4, Fe2(SO4)3 i woda oraz uwalniane jest ciepło. Jednak wytwarzane ciepło wciąż nie wystarcza do utrzymania temperatury na poziomie 200°C; w związku z tym proces wymaga dodatkowego zużycia energii do ogrzewania.

Całkowity rozkład zmielonego ilmenitu wymaga dużego zużycia kwasu siarkowego. Po rozkładzie otrzymuje się stop siarczanowy, który dojrzewa od jednej do trzech godzin. Po dojrzewaniu i schłodzeniu do 70°C stop siarczanowy w tym samym reaktorze jest ługowany lekko zakwaszoną wodą, co powoduje przemianę siarczanu tytanu w roztwór. Wymywanie trwa kilka godzin.

Następnie żelazo żelazowe jest redukowane do żelaza żelaznego za pomocą żeliwa i opiłków żelaza; zanieczyszczenia mechaniczne są usuwane z roztworu siarczanu tytanu; roztwory krystalizuje się i odwirowuje w celu usunięcia pozostałości witriolu żelaza. Następnie przeprowadza się odparowanie próżniowe i kalcynację. Po schłodzeniu otrzymany pigment jest mielony, pakowany w worki i wysyłany do końcowego użytkownika.

Podsumujmy wady takiego podejścia do produkcji dwutlenku tytanu przy użyciu kwasu siarkowego:

• wieloetapowość i złożoność procesów;
• wysokie zużycie energii;
• nadmierne zużycie kwasu siarkowego;
• odpady wytwarzane w dużych ilościach, a niektóre z nich stanowią zagrożenie (rozcieńczony hydrolityczny kwas siarkowy i witriol żelaza);
• część surowca tytanowego pozostaje nieprzetworzona.

Perspektywy młyn elektromagnetyczny w produkcji dwutlenku tytanu z wykorzystaniem ilmenitu

Wymienione wady skłaniają do poszukiwania sposobów na zwiększenie efektywności produkcji dwutlenku tytanu. W związku z tym proponujemy przedyskutować możliwość wprowadzenia tego rodzaju młyn elektromagnetyczny (AVS) w liniach technologicznych.

Młyn elektromagnetyczny to wszechstronne urządzenie, które może jednocześnie rozdrabniać, mieszać, aktywować i przyspieszać reakcje chemiczne. Jak ta wszechstronność stała się możliwa? Odpowiedź można znaleźć analizując konstrukcję urządzenia. Młyn elektromagnetyczny składa się z obracającego się induktora pola elektromagnetycznego, komory roboczej wykonanej z materiału niemagnetycznego umieszczonej wewnątrz induktora oraz cząstek ferromagnetycznych w ilości od kilkudziesięciu do kilkuset sztuk. Ilość i stosunek wymiarów geometrycznych cząstek ferromagnetycznych zależą od rodzaju procesu technologicznego i mogą być różne dla każdego procesu technologicznego.

Po przyłożeniu napięcia do uzwojenia induktora w komorze roboczej indukowane jest wirujące pole elektromagnetyczne, pod wpływem którego cząstki ferromagnetyczne zaczynają się poruszać i zderzać ze sobą oraz ze ściankami komory roboczej. W rezultacie trajektoria każdej cząstki staje się złożona, a zbiór tych trajektorii tworzy warstwę wirową. W tej warstwie wirowej zachodzi szereg procesów i zjawisk, które mają korzystny wpływ na przetwarzane substancje. Obejmują one:

• efekt pola elektromagnetycznego;
• efekty uderzeniowe cząstek ferromagnetycznych;
• wysokie lokalne ciśnienia;
• wibracje ultradźwiękowe;
• kawitacja (w ośrodku płynnym) itp.

W efekcie substancje, które trafiają do komory operacyjnej AVS są mielone, mieszane i nabierają nowych właściwości. A reakcje chemiczne są przyspieszane dziesięciokrotnie i stokrotnie. Zastosowanie AVS wydaje się zasadne ze względu na konieczność mielenia koncentratu ilmenitu, jego chemiczne oddziaływanie z kwasem siarkowym oraz długi czas produkcji dwutlenku tytanu.

Produkcja ditlenku tytanu przy użyciu AVS — wyniki eksperymentu

Do doświadczenia pobrano dwie próbki koncentratu ilmenitu o masie 150 gramów każda. Próbki te rozdrabniano w komorze operacyjnej urządzenia warstwy wirowej AVS-100 odpowiednio przez 40 i 60 sekund. Po obróbce obie próbki przeciskano przez sito. Wyniki przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1 – Wyniki mielenia koncentratu ilmenitu w urządzeniu do młyn elektromagnetyczny AVS-100

Początkowa próbka, mm	Sito (komórka), mm	Próbka nr 1 (obróbka 40 s), % pozostałości na sicie	Próbka nr 2 (przetwarzanie 60 s), % pozostałości na sicie
4.4	0.2	0.1	0.0
30.5	0.1	0.4	0.1
63.6	0.05	1.9	0.4
1.5	Mniej niż 0,05	97.6	99.5

Jak pokazują uzyskane dane, do sprawnego zmielenia próbki wystarczy zaledwie czterdzieści sekund obróbki.

Po zmieleniu próbki rozłożono w kwasie siarkowym. Dekompozycja zajęła kilka sekund przetwarzania. Następnie rozcieńczono je wodą do wymaganego stężenia bez wyjmowania próbek z komory roboczej urządzenia.

Zalety młyn elektromagnetyczny w produkcji dwutlenku tytanu

Zastosowanie AVS w procesie produkcji dwutlenku tytanu ma następujące zalety:

• Kombinacja kilku procesów, które można przeprowadzić w komorze operacyjnej AVS: mielenie koncentratu ilmenitu, rozkład kwasem siarkowym, rozcieńczanie wodą. Oznacza to, że AVS zastępuje młyny i reaktory, co pozwala na zmniejszenie wielkości linii technologicznej i zajmowanej przez nią powierzchni.
• Przyspieszenie procesu otrzymywania dwutlenku tytanu na skutek czynników intensyfikujących w komorze roboczej urządzenia. Reakcja rozkładu ilmenitu z kwasem siarkowym przebiega w ciągu kilku sekund.
• Duże oszczędności kwasu siarkowego dzięki szybszemu i pełniejszemu przebiegowi reakcji chemicznych w komorze roboczej urządzenia.
• Oszczędność energii elektrycznej. W porównaniu do młynów kulowych AVS nie zużywa dużo energii (4,5–9,5 kW w zależności od modelu).
• AVS nie wymaga żadnych specjalnych cokołów do instalacji i można go łatwo zintegrować z istniejącymi liniami technologicznymi zamiast młyna lub reaktorów.

W celu uzyskania porady naszych fachowców technicznych w zakresie wprowadzenia AVS na linie technologiczne do produkcji dwutlenku tytanu prosimy o skorzystanie z niektórych danych kontaktowych zawartych w odpowiedniej sekcji serwisu.