Neues Titandioxid-Verfahren

Die Produktion von Titandioxid (TiO2) besteht seit fast 100 Jahren. Dieses wichtigste weiße Pigment wird täglich verwendet, da es in Farben, Kunststoffen, Lebensmitteln und Getränken, Kosmetika, Textilien und Papier eingesetzt wird. Die globale Nachfrage nach TiO2 lag im Jahr 2012 bei 5,3 Millionen Tonnen (8 Pfund pro Kopf in Nordamerika).

Als Pigment wird TiO2 in verschiedenen Matrizen dispergiert, um Streuung und Reflexion des sichtbaren Lichts zu ermöglichen. Seit vielen Jahren werden verschiedene Substanzen mit unterschiedlichem Brechungsindex (RI) eingesetzt, um Lichtreflexion zu erzielen – je höher der RI, desto höher die Reflexion. TiO2 besitzt den höchsten RI unter den weißen Pigmenten, die üblicherweise in der Industrie verwendet werden.

Die Streuung des sichtbaren Lichts verleiht TiO2 seine wichtigsten optischen Eigenschaften, darunter Deckkraft, Helligkeit, Glanz, Farbton (Weiß) und Unterfarbe (Farbe), Aufhellkraft (Tönungsstärke), Wetterbeständigkeit, Haltbarkeit und Abriebfestigkeit.

Bisher wurde TiO2 entweder nach dem Sulfatverfahren (1916) oder nach dem Chloridverfahren (1948) hergestellt. Jedes Verfahren hat seine eigenen Stärken und Schwächen. Argex Titanium Inc., ein kanadisches Unternehmen, hat kürzlich den Übergang von einem Bergbau-Explorationsunternehmen mit Vermögenswerten in Labrador zu einem kurzfristigen TiO2-Produzenten vollzogen, indem es ein drittes TiO2-Verfahren namens Argex Technology (AT) entwickelt hat. Dieses proprietäre und patentierte hydrometallurgische Verfahren, das auf der CTL-Lösungsmittel-Extraktionstechnologie basiert, nutzt die Lösungsmittel-Extraktion (SX). SX, ein metallurgischer Prozess (Flüssig-Flüssig-Extraktion), ist eine bekannte Technologie zur Trennung von Verbindungen. Sie wird seit vielen Jahren für zahlreiche Anwendungen eingesetzt, etwa zur Uranproduktion.

Das AT-Verfahren

Beim AT-Verfahren wird Ilmenit-Erz mit Säuren aufgeschlossen, gefolgt von einer ersten Lösungsmittel-Extraktion zur Entfernung von Eisen und anschließend einer zweiten Lösungsmittel-Extraktion zur Entfernung von TiOCl2 sowie zur Erzielung einer klaren Lösung, die Titan enthält. Eine Hydrolyse dieser klaren Lösung ohne Verunreinigungen und Kontaminanten führt zu reinem TiO2. Die Waschschritte des Pigments im AT-Verfahren sind einfacher und effizienter als beim Sulfatverfahren.

Als Rohmaterial wird kostengünstiges und verfügbarer TiO2-Vorrat verwendet, der von konventionellen Erzlieferanten (z. B. Ilmenit) geliefert wird; außerdem werden “Tailings” (kostengünstiger) aus der Bergbauindustrie genutzt, die Rohstoffe sind, die andere Verfahren nicht verwenden können. Als kosteneffizientes Verfahren ist AT umweltfreundlich, da es energieeffizient ist, keinen hohen Druck oder hohe Temperaturen benötigt, kein Chlor verwendet, einen geschlossenen Kreislauf hat und sehr geringe inerte Rückstände produziert, die leicht rückgewonnen werden können. Alle Nebenprodukte weisen eine hohe Reinheit auf und lassen sich problemlos in verschiedenen Branchen wie der Wasseraufbereitung wiederverwenden. Das AT-Verfahren stellt einen neuen Schritt in Richtung ökologische Nachhaltigkeit dar und verbessert den CO2-Fußabdruck des TiO2-Prozesses.

Dieses effiziente Verfahren wird derzeit in der Pilotanlage von Argex durchgeführt, die kontinuierlich in Salaberry-de-Valleyfield, Quebec, betrieben wird. Die erste Produktionsanlage mit einer Kapazität von 50.000 mt wird ebenfalls an diesem Standort entstehen. Die bestehende industrielle Infrastruktur auf einem Brownfield-Gelände spart Zeit und hohe Investitionskosten und kann zusätzliche TiO2-Produktionsmodule aufnehmen, was großes Expansionspotenzial bietet. Die Nähe zu wichtigen Hafen-, Eisenbahn- und Autobahninfrastrukturen erleichtert den Versand von Rohstoffen und Handelswaren sowohl über Land als auch über See. Die Region wird bereits von der hydrometallurgischen und chemischen Verarbeitungsindustrie bevorzugt, da sie nahe an der HCl-Säureproduktion liegt, Zugang zu Erdgasversorgung hat, in unmittelbarer Nähe zur Beauharnois-Generierungsstation von Hydro Québec sowie zum internationalen Flughafen Trudeau in Montreal ist. Die Valleyfield-Anlage wird Anfang 2015 in Betrieb gehen und bereits in der ersten Jahreshälfte dieses Jahres in Produktion sein.

Reines Rutile-TiO2 über das AT-Verfahren

Das Chloridverfahren beginnt mit der Chlorierung des Erzes bei einer Temperatur von etwa 1000 Grad Celsius in einem Wirbelschichtreaktor in Gegenwart von Koks. Koks ist ein Brennstoff mit wenigen Verunreinigungen und hohem Kohlenstoffgehalt, der üblicherweise aus Kohle hergestellt wird. Es handelt sich um festes kohlenstoffhaltiges Material, das durch die pyrolytische Destillation von aschefreier, schwefelarmer bituminöser Kohle gewonnen wird.

Das Sulfatverfahren fällt TiO2 durch Hydrolyse aus einer Lösung (der schwarzen Lauge) aus, die durch Aufschluss von Ilmenit (FeTiO3) mit Schwefelsäure (H2SO4) und Spuren von Metallen, insbesondere Chrom (Cr), Vanadium (V) und Eisen (Fe), hergestellt wird, welche die Produktfarbe beeinflussen und ihr einen gelben Farbton verleihen.

Jedes der beiden Verfahren enthält Spuren von Verunreinigungen, bevor endgültige feste TiO2-Partikel entstehen. Diese Verunreinigungen können Morphologie, Partikelgröße und Farbton des Pigments beeinflussen. Durch seine zwei Lösungsmittel-Extraktionsstufen fällt das AT-Verfahren TiO2 aus einer klaren Lösung ohne Verunreinigungen aus.

Die drei TiO2-Produktionsverfahren unterscheiden sich stark voneinander. Das AT-Verfahren zeigt eine große Verbesserung in Bezug auf Qualität und Kosten und ist zugleich das umweltfreundlichste.

Eigenschaften, die durch das AT-Verfahren erreicht werden

Weiße Farbe lässt sich durch Parameter wie Deckkraft (Opazität), Helligkeit und Farbton charakterisieren. In Beschichtungen werden diese Eigenschaften nur dann ausgeprägt, wenn das TiO2-Pigment perfekt in der Matrix dispergiert ist.

Die Deckkraft hängt hauptsächlich von der Lichtstreuung ab. Ein typisches menschliches Auge reagiert auf Wellenlängen von etwa 400 bis 700 nm. Ein lichtadaptiertes Auge hat in der Regel seine maximale Empfindlichkeit bei etwa 555 nm. Die Streuung von Wellenlängen wird effizienter, wenn der Partikeldurchmesser etwa halb so groß ist wie die einfallende Wellenlänge. Die effizienteste Streukraft von TiO2 wird bei einem mittleren Partikeldurchmesser von etwa 0,28 µm erreicht. Weitere entscheidende Parameter sind die Partikelform (je sphärischer, desto besser) und die Partikelgrößenverteilung (je enger die Partikelgrößenverteilung, desto besser). Beim AT-Verfahren entstehen TiO2-Partikel nach den beiden Lösungsmittel-Extraktionen aus einer reinen TiOCl2-Lösung. Die Ausfällung erfolgt ohne Verunreinigungen anderer Metallionen im Kristallgitter des Titandioxids, wie Fe, Cr und V, was eine bessere Kontrolle der Partikelgrößenverteilung und -form ermöglicht.

Die Helligkeit hängt hauptsächlich von der Reinheit des Pigments ab. Wiederum wegen der beiden Lösungsmittel-Extraktionsstufen im AT-Verfahren enthält das gewonnene TiO2-Pigment weniger farbgebende Spurenelemente als beim Chlorid- oder Sulfatverfahren.

Der Farbton kann als Identität des Pigments betrachtet werden. Zwei Werte sind zu berücksichtigen: der Farbton (in Weiß), der mehr oder weniger vom mittleren Partikeldurchmesser abhängt, und der Unterfarbton (in Grau), der von der Partikelgrößenverteilung abhängt. Wenn es in eine Paste aus farbigen Pigmenten dispergiert wird, kann die resultierende Farbe je nach Charge von TiO2 unterschiedlich sein, da kürzere und längere Wellenlängen unterschiedlich streuen. TiO2 mit einer gröberen Partikelgrößenverteilung streut vorrangig rote und grüne Wellenlängen, während eine feinere Partikelgrößenverteilung blaue Wellenlängen besser streut.

Da eine graue Farbe mit bläulichem Farbton für das menschliche Auge frischer wirkt und ein gelblicher Farbton fleckig aussieht, wird TiO2 mit bläulichem Farbton bevorzugt. Allerdings müssen wir bedenken, dass eine feine Partikelgrößenverteilung, also ein bläulicher Farbton, zu einem Verlust der Streukraft für längere Wellenlängen (z. B. Rot) führt, was eine Verringerung der Gesamtdeckkraft oder Opazität bedeutet.

In den aktuellen Chlorid- und Sulfatverfahren sind TiO2-Partikel selten identisch von Charge zu Charge und ergeben manchmal große Spezifikationen für den Unterfarbton. Mit dem AT-Verfahren und seinen proprietären Lösungsmittel-Extraktionsstufen lässt sich die Partikelgrößenverteilung leichter kontrollieren.

Oberflächenbehandlung

Es ist notwendig, reine und sehr gut verteilte TiO2-Partikel zu erhalten, aber nicht ausreichend – besonders in der Beschichtungsindustrie, wo reine TiO2-Partikel bestimmte Oberflächenbehandlungen benötigen, wie organische Behandlung zur Verbesserung der Fließfähigkeit und Dispergierbarkeit im Bindemittel sowie anorganische Behandlung zur Verbesserung der Stabilität und Lichtbeständigkeit (Haltbarkeit).

Die Pigmentdispersion ist von höchster Priorität. Bei einer schlechten Dispersion wird selbst das beste Pigment nicht in der Lage sein, seine eigenen optischen Eigenschaften voll auszuschöpfen. Theoretisch können alle Pigmente gut dispergiert werden – es ist lediglich eine Frage von Zeit und/oder der Verwendung chemischer Hilfsmittel. Allerdings erhöht dies die Kosten.

Als neuer TiO2-Produzent unterliegen wir nicht den Beschränkungen einer bestehenden Anlage, was die vorgeschriebenen Oberflächenbehandlungsmethoden betrifft, und unsere Materialien werden die neuesten verfügbaren Technologien anbieten, wie beispielsweise Aluminiumoxid plus dichte Hautsiliciumdioxid und/oder Zirkonium. Diese Technologie wird in Zusammenarbeit mit PPG entwickelt.

Drei Pigmentserien werden rasch verfügbar sein:
– RGX 100-Serie: unbehandeltes Rutil für Kosmetik, Lebensmittel, Medizin und Papier;
– RGX 200-Serie: behandeltes Rutil für Kunststoffe; und
– RGX 300-Serie: behandeltes Rutil für Beschichtungen.