لقد ظهر إنتاج ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) منذ ما يقرب من 100 عام. يستخدم الناس هذا الصباغ الأبيض الرئيسي يوميًا، إذ يُستخدم في الدهانات والبلاستيك والأغذية والمشروبات ومستحضرات التجميل والمنسوجات والورق. بلغ الطلب العالمي على TiO2 في عام 2012 ما مقداره 5.3 مليون طن (8 أرطال للفرد في أمريكا الشمالية).

بصفته صباغًا، يُوزّع TiO2 في مجموعات مختلفة من المركبات لكي يسمح بتشتت وانعكاس الضوء المرئي. لسنوات عديدة، استُخدمت مواد مختلفة تتميز بمعامل انكسارها (RI)، لتحقيق انعكاس الضوء—فكلما ارتفع معامل الانكسار، ارتفع الانعكاس أيضًا. يتمتع TiO2 بأعلى معامل انكسار بين الصبغات البيضاء المستخدمة عادةً في الصناعة.

إن تشتت الضوء المرئي يمنح TiO2 خصائصه البصرية الأكثر أهمية، بما في ذلك العتمة والسطوع واللمعان والنغمة (الأبيض) والنغمة الأساسية (اللون)، وقوة التفتيح (قوة التلوين)، ومقاومة الطقس، والمتانة، والخشونة.

حتى الآن، كان يتم إنتاج TiO2 إما بواسطة عملية الكبريتات (1916) أو عملية الكلوريد (1948). لكل عملية نقاط قوة وضعف خاصة بها. قامت شركة Argex Titanium Inc., وهي شركة كندية، مؤخرًا بالانتقال من شركة للتنقيب عن المعادن تملك أصولًا في لابرادور، إلى شركة لإنتاج TiO2 على المدى القريب مع تطوير عملية ثالثة لـ TiO2 تُدعى تقنية Argex (AT). هذه العملية الهيدروميتالرجية الخاصة والمسجلة ببراءة اختراع، والتي تعتمد على تقنية الاستخلاص بالمذيبات CTL، تستخدم الاستخلاص بالمذيبات (SX). إن SX، وهي عملية ميتالرجية (استخلاص سائل-سائل)، هي تقنية معروفة تُستخدم لفصل المركبات. وقد استُخدمت لسنوات عديدة في تطبيقات متعددة، مثل إنتاج اليورانيوم.

عملية AT

خلال عملية AT، يُستخرج خام الإلمنيت بواسطة الأحماض، ثم يُجرى استخلاص أولي بالمذيبات لإزالة الحديد، وبعد ذلك يُجرى استخلاص ثانٍ بالمذيبات لإزالة TiOCl2 وتحقيق محلول واضح يحتوي على التيتانيوم. إن التحلل المائي لهذا المحلول الواضح، الخالي من الشوائب والملوثات، سيؤدي إلى الحصول على TiO2 نقي. خطوات غسل الصباغ في عملية AT أسهل وأكثر كفاءة مقارنةً بعملية الكبريتات.

يُستخدم كمادة خام لـ TiO2 مادة خام غير مكلفة ومتوفرة، وتُورد من قبل موردي الخامات التقليدية (مثل الإلمنيت)؛ كما تُستخدم “المخلفات” (أقل تكلفة) من صناعات التعدين، وهي مواد خام لا تستطيع العمليات الأخرى استخدامها. وباعتبارها عملية فعالة من حيث التكلفة، فإن AT جذابة بيئيًا، لأنها موفرة للطاقة، ولا تستخدم ضغطًا أو درجات حرارة عالية، ولا كلورًا، وهي عملية مغلقة ولديها مخلفات خاملة منخفضة جدًا يسهل استعادتها. جميع المنتجات الثانوية ذات مستوى عالٍ من النقاء ويمكن إعادة استخدامها بسهولة في صناعات مختلفة مثل معالجة المياه. تمثل عملية AT خطوة جديدة نحو الاستدامة البيئية وتحسين البصمة الكربونية لعملية TiO2.

تُجرى هذه العملية الفعالة في محطة تجريبية حالية لشركة Argex، تعمل بشكل مستمر في سالابيري دي فاليفيلد، كيبيك. ستكون وحدة الإنتاج الأولى بسعة 50,000 طن متري أيضًا في هذا الموقع. البنية التحتية الصناعية الحالية في موقع سابق يوفر الوقت والإنفاق الرأسمالي الكبير، ويمكن أن تستوعب وحدات إضافية لإنتاج TiO2، مما يتيح إمكانات كبيرة للتوسع. إن القرب من البنية التحتية الرئيسية للموانئ والسكك الحديدية والطرق السريعة يسهّل شحن المواد الخام والبضائع عبر الطرق البرية والبحرية. المنطقة مفضلة بالفعل من قبل صناعات المعالجة الهيدروميتالرجية والكيميائية، مع قربها من إنتاج حمض HCl، وإمكانية الوصول إلى إمدادات الغاز الطبيعي، والقرب من محطة توليد Beauharnois التابعة لشركة Hydro Quebec، والقرب من مطار ترودو الدولي في مونتريال. سيتم تشغيل مصنع فاليفيلد في أوائل عام 2015، وسيبدأ الإنتاج خلال النصف الأول من العام نفسه.

TiO2 الروتيل النقي عبر عملية AT

تبدأ عملية الكلوريد بمعالجة الخام بالكلور عند درجة حرارة حوالي 1000 درجة مئوية في مفاعل سرير مميع في وجود فحم الكوك. فحم الكوك هو وقود يحتوي على القليل من الشوائب ونسبة عالية من الكربون، ويُصنع عادةً من الفحم. وهو المادة الصلبة الكربونية الناتجة عن التقطير التدميري للفحم القاري المنخفض الرماد والكبريت.

تقوم عملية الكبريتات بترسيب TiO2 بواسطة التحلل المائي من محلول (الشراب الأسود) الذي يُصنع بتحلل الإلمنيت (FeTiO3) باستخدام حمض الكبريتيك (H2SO4) وكميات ضئيلة من المعادن، وخاصة الكروم (Cr)، والفاناديوم (V)، والحديد (Fe)، التي تؤثر على لون المنتج وتعطيه نغمة صفراء.

كل من العمليتين تحتوي على كميات ضئيلة من الشوائب قبل الحصول على جزيئات TiO2 الصلبة النهائية. يمكن لهذه الشوائب أن تؤثر على المورفولوجيا وحجم الجزيئات ونغمة اللون للصباغ. ومع خطوتَي الاستخلاص بالمذيبات، فإن عملية AT تترسب TiO2 من محلول واضح خالٍ من الشوائب.

تختلف عمليات إنتاج TiO2 الثلاثة اختلافًا كبيرًا. تُظهر عملية AT تحسنًا كبيرًا من حيث الجودة والتكلفة، وهي الأكثر صداقة للبيئة.

الخصائص المتحققة من عملية AT

يمكن وصف البياض بواسطة معلمات مثل قدرة التستر (العتمة)، والسطوع، ونغمة اللون. في الطلاءات، لن تتطور هذه الخصائص إلا إذا كان صباغ TiO2 موزعًا بشكل مثالي في المصفوفة.

تعتمد قدرة التستر بشكل رئيسي على تشتت الضوء. يستجيب العين البشرية العادية لأطوال موجية تتراوح من حوالي 400 إلى 700 نانومتر. عادةً ما يكون للعين المتكيفة مع الضوء أقصى حساسية عند حوالي 555 نانومتر. يصبح تشتت الأطوال الموجية أكثر كفاءة عندما يكون قطر الجسيم حوالي نصف حجم الطول الموجي الساقط. تحقق TiO2 أعلى قدرة تشتت بكفاءة عند متوسط وزن حجم الجسيمات حوالي 0.28 ميكرون. تشمل المعلمات الحرجة الأخرى تصميم الجسيمات (كلما كانت كروية أكثر، كان أفضل) وتوزيع حجم الجسيمات (كلما كان توزيع حجم الجسيمات أضيق، كان أفضل). مع عملية AT، تُصنع جسيمات TiO2، بعد خطوتَي الاستخلاص بالمذيبات، من محلول TiOCl2 نقي. الترسيب الذي يحدث دون شوائب من أيونات معدنية أخرى في الشبكة البلورية للتيتانيا، مثل Fe وCr وV، سيسمح بالتحكم الأفضل في تصميم وتوزيع حجم الجسيمات.

يعتمد السطوع بشكل رئيسي على نقاء الصباغ. مرة أخرى، بسبب خطوتَي الاستخلاص بالمذيبات في عملية AT، فإن صباغ TiO2 الناتج سيحتوي على أقل كمية من العناصر الملونة الدقيقة مقارنةً بعمليتي الكلوريد أو الكبريتات.

يمكن اعتبار نغمة اللون هوية الصباغ. هناك قيمتان يجب أخذهما بعين الاعتبار: النغمة (باللون الأبيض)، التي تعتمد بشكل أكبر أو أقل على متوسط الوزن لحجم الجسيمات، والنغمة الأساسية (باللون الرمادي)، التي تعتمد على توزيع حجم الجسيمات. عند توزيعها في معجون من الأصباغ الملونة، يمكن أن يكون اللون الناتج مختلفًا، اعتمادًا على دفعة TiO2، لأن الأطوال الموجية الأقصر والأطول تتشتت بشكل مختلف. TiO2 ذو توزيع حجم الجسيمات الأكبر يشتت الأطوال الموجية الحمراء والخضراء بشكل أفضل، بينما توزيع حجم الجسيمات الأدق يشتت الأطوال الموجية الزرقاء بشكل أفضل.

نظرًا لأن اللون الرمادي بنغمة زرقاء يبدو أكثر نضارة للعين البشرية، واللون الأصفر يعطي مظهرًا ملطخًا، فإن TiO2 ذا النغمة الزرقاء يُفضّل. لكن يجب أن نتذكر أن توزيع حجم الجسيمات الدقيق، والذي يعني نغمة زرقاء، سيؤدي إلى فقدان قدرة التشتت للأطوال الموجية الأطول (مثل اللون الأحمر)، مما يعني انخفاضًا في قدرة التستر أو العتمة الكلية.

في عمليتي الكلوريد والكبريتات الحاليتين، نادرًا ما تكون جسيمات TiO2 متطابقة من دفعة لأخرى، مما يؤدي أحيانًا إلى مواصفات نغمة أساسية كبيرة. مع عملية AT وخطوات الاستخلاص بالمذيبات الخاصة بها، من الأسهل التحكم في توزيع حجم الجسيمات.

المعالجة السطحية

إن الحصول على جسيمات TiO2 نقية وموزعة جيدًا جدًا أمر ضروري، لكنه ليس كافيًا—وخاصة في صناعة الطلاءات، حيث تحتاج جسيمات TiO2 النقية إلى بعض المعالجات السطحية، مثل المعالجة العضوية لتحسين السيولة والانتشار في الرابط، والمعالجة غير العضوية لتحسين الاستقرار ومقاومة الضوء (المتانة).

تعدّ توزيع الصباغ من الأولويات. ففي حالة التوزيع السيئ، لن يتمكن حتى أفضل صباغ من إظهار خصائصه البصرية الخاصة به. من الناحية النظرية، يمكن توزيع جميع الأصباغ بشكل جيد—الأمر لا يتطلب سوى الوقت و/أو استخدام مساعدات كيميائية. إلا أن ذلك يرفع التكلفة.

بصفتنا منتجًا جديدًا لثاني أكسيد التيتانيوم، لا نواجه القيود التي تفرضها المنشآت القائمة فيما يتعلق بأساليب المعالجة السطحية، وستقدم موادنا أحدث التقنيات المتاحة، مثل الألومينا بالإضافة إلى سيليكا ذات الغشاء الكثيف و/أو الزركونيوم. ويتم تطوير هذه التقنية بالتعاون مع شركة PPG.

سيتم توفير ثلاث سلاسل من الأصباغ بسرعة:
– سلسلة RGX 100: روتيل غير معالج لمستحضرات التجميل والأغذية والطب والورق؛;
– سلسلة RGX 200: روتيل معالج للبلاستيك؛ و
– سلسلة RGX 300: روتيل معالج للطلاءات.