La production de dioxyde de titane (TiO2) existe depuis près de 100 ans. Ce pigment blanc principal est utilisé chaque jour par les gens, car il entre dans la composition de peintures, de plastiques, d'aliments et de boissons, de cosmétiques, de textiles et de papier. En 2012, la demande mondiale de TiO2 s'élevait à 5,3 millions de tonnes (8 livres par habitant en Amérique du Nord).

En tant que pigment, le TiO2 est dispersé dans diverses matrices afin de permettre la diffusion et la réflexion de la lumière visible. Depuis de nombreuses années, différentes substances, caractérisées par leur indice de réfraction (IR), sont utilisées pour obtenir une réflexion lumineuse – plus l'IR est élevé, plus la réflexion est importante. Le TiO2 possède le plus haut IR parmi les pigments blancs couramment utilisés dans l'industrie.

La diffusion de la lumière visible confère au TiO2 ses propriétés optiques les plus importantes, notamment l'opacité, la brillance, la luminosité, la teinte (blanc) et la sous-teinte (couleur), le pouvoir éclaircissant (force colorante), la résistance aux intempéries, la durabilité et l'abrasivité.

Jusqu'à présent, le TiO2 était produit soit par le procédé sulfate (1916), soit par le procédé chlorure (1948). Chaque procédé présente ses propres forces et faiblesses. Argex Titanium Inc., une entreprise canadienne, est récemment passée d'une société d'exploration minière disposant d'actifs au Labrador à un producteur de TiO2 à court terme grâce au développement d'un troisième procédé de TiO2 appelé Technologie Argex (AT). Ce procédé hydrométallurgique exclusif et breveté, basé sur la technologie d'extraction par solvant CTL, utilise l'extraction par solvant (SX). La SX, un procédé métallurgique (extraction liquide-liquide), est une technologie bien connue utilisée pour séparer des composés. Elle est employée depuis de nombreuses années pour plusieurs applications, comme la production d'uranium.

Le procédé AT

Au cours du procédé AT, le minerai d'ilménite est lixivié par des acides, suivi d'une première extraction par solvant pour éliminer le fer, puis d'une seconde extraction par solvant pour retirer le TiOCl2 et obtenir une solution limpide contenant du titane. Une hydrolyse effectuée sur cette solution limpide, exempte d'impuretés et de contaminants, donnera lieu à du TiO2 pur. Les étapes de lavage du pigment dans le procédé AT sont plus faciles et plus efficaces par rapport au procédé sulfate.

Une matière première peu coûteuse et abondante, le TiO2, est utilisée comme matière première, fournie par des fournisseurs classiques de minerais (par exemple, l'ilménite) ; sont également utilisés des “ résidus ” (moins coûteux) issus des industries minières, qui constituent des matières premières que d'autres procédés ne peuvent pas utiliser. En tant que procédé rentable, AT est écologiquement attrayant, car il est économe en énergie, n'utilise ni haute pression ni températures élevées, ni chlore, fonctionne en boucle fermée et produit très peu de résidus inertes faciles à valoriser. Tous les sous-produits présentent un haut niveau de pureté et sont facilement réutilisables dans diverses industries, comme le traitement de l'eau. Le procédé AT représente une nouvelle étape vers la durabilité environnementale et une amélioration de l'empreinte carbone du procédé de TiO2.

Ce procédé efficace est actuellement mis en œuvre dans l'installation pilote d'Argex, en fonctionnement continu à Salaberry-de-Valleyfield, au Québec. La première unité de production de 50 000 tonnes sera également située à cet endroit. L'infrastructure industrielle existante sur un site industriel déjà aménagé permet de gagner du temps et d'éviter de lourds investissements, et peut accueillir d'autres modules de production de TiO2, offrant ainsi un potentiel important d'expansion. La proximité des principales infrastructures portuaires, ferroviaires et autoroutières facilite l'acheminement des matières premières et des marchandises par voie terrestre et maritime. La région est déjà privilégiée par les industries de l'hydrométallurgie et du traitement chimique, grâce à sa proximité avec la production d'acide HCl, son accès aux approvisionnements en gaz naturel, sa proximité avec la centrale électrique de Beauharnois d'Hydro Québec et son rapprochement de l'aéroport international Trudeau de Montréal. L'usine de Valleyfield sera mise en service début 2015 et commencera à produire au cours du premier semestre de cette même année.

Du TiO2 rutile pur via le procédé AT

Le procédé chlorure débute par la chloruration du minerai à une température d'environ 1000 degrés Celsius dans un réacteur à lit fluidisé en présence de coke. Le coke est un combustible peu contaminé et à forte teneur en carbone, généralement fabriqué à partir de charbon. Il s'agit d'un matériau carboné solide issu de la distillation destructive de charbon bitumineux à faible teneur en cendres et en soufre.

Le procédé sulfate précipite le TiO2 par hydrolyse à partir d'une solution (la liqueur noire) obtenue en lixiviant l'ilménite (FeTiO3) avec de l'acide sulfurique (H2SO4) et des traces de métaux, notamment du chrome (Cr), du vanadium (V) et du fer (Fe), qui influencent la couleur du produit et lui donnent une teinte jaune.

Chacun des deux procédés présente des traces d'impuretés avant d'obtenir les particules solides finales de TiO2. Ces impuretés peuvent affecter la morphologie, la taille des particules et la teinte du pigment. Grâce à ses deux étapes d'extraction par solvant, le procédé AT précipite le TiO2 à partir d'une solution limpide sans impuretés.

Les trois procédés de production de TiO2 présentent de grandes différences. Le procédé AT offre une amélioration considérable en termes de qualité et de coût, et il est le plus respectueux de l'environnement.

Propriétés obtenues grâce au procédé AT

La blancheur peut être caractérisée par des paramètres tels que le pouvoir couvrant (opacité), la brillance et la teinte. Dans les revêtements, ces propriétés ne se développeront pleinement que si le pigment TiO2 est parfaitement dispersé dans la matrice.

Le pouvoir couvrant dépend principalement de la diffusion de la lumière. L'œil humain typique répond aux longueurs d'onde comprises entre environ 400 et 700 nm. Un œil adapté à la lumière a généralement sa sensibilité maximale autour de 555 nm. La diffusion des longueurs d'onde devient plus efficace lorsque la particule mesure environ la moitié de la longueur d'onde incidente. Le TiO2 atteint son pouvoir de diffusion optimal avec une taille moyenne pondérale des particules d'environ 0,28 µm. D'autres paramètres critiques incluent la forme des particules (plus elles sont sphériques, mieux c'est) et la distribution granulométrique (plus la distribution granulométrique est étroite, meilleure est la qualité). Avec le procédé AT, les particules de TiO2 sont créées, après les deux étapes d'extraction par solvant, à partir d'une solution pure de TiOCl2. La précipitation qui se produit sans impuretés d'autres ions métalliques dans la structure cristalline de la titane, tels que le Fe, le Cr et le V, permettra un meilleur contrôle de la taille et de la distribution des particules.

La brillance dépend principalement de la pureté du pigment. Là encore, grâce aux deux étapes d'extraction par solvant du procédé AT, le pigment TiO2 obtenu contiendra moins d'éléments trace colorants que dans les procédés chlorure ou sulfate.

La teinte peut être considérée comme l'identité du pigment. Deux valeurs doivent être prises en compte : la teinte (en blanc), qui dépend plus ou moins de la taille moyenne pondérale des particules, et la sous-teinte (en gris), qui dépend de la distribution granulométrique. Lorsqu'ils sont dispersés dans une pâte de pigments colorés, la couleur résultante peut varier selon le lot de TiO2, car les longueurs d'onde plus courtes et plus longues se diffusent différemment. Un TiO2 dont la distribution granulométrique est plus grossière diffuse préférentiellement les longueurs d'onde rouges et vertes, tandis qu'une distribution granulométrique plus fine diffuse mieux les longueurs d'onde bleues.

Comme une couleur grise à dominante bleutée paraît plus fraîche à l'œil humain, et qu'une teinte jaunâtre donne une impression de tache, le TiO2 à dominante bleutée est préféré. Cependant, il faut garder à l'esprit qu'une distribution granulométrique fine, synonyme de teinte bleutée, entraînera une perte de pouvoir de diffusion pour les longueurs d'onde plus longues (par exemple, le rouge), ce qui signifie une réduction du pouvoir couvrant ou de l'opacité totale.

Dans les procédés chlorure et sulfate actuels, les particules de TiO2 sont rarement identiques d'un lot à l'autre, ce qui entraîne parfois des spécifications importantes de sous-teinte. Avec le procédé AT et ses étapes d'extraction par solvant exclusives, il est plus facile de contrôler la distribution granulométrique.

Traitement de surface

Obtenir des particules de TiO2 pures et très bien distribuées est nécessaire, mais pas suffisant – particulièrement dans l'industrie des revêtements, où les particules de TiO2 pures doivent subir certains traitements de surface, comme un traitement organique pour améliorer la fluidité et la dispersion dans le liant, et un traitement inorganique pour améliorer la stabilité et la résistance à la lumière (durabilité).

La dispersion des pigments est une priorité. Dans le cas d'une mauvaise dispersion, même le meilleur pigment ne pourra pas mettre en évidence ses propres propriétés optiques. En théorie, tous les pigments peuvent être bien dispersés – cela dépend seulement du temps et/ou de l'utilisation d'adjuvants chimiques. Cependant, cela augmente les coûts.

En tant que nouveau producteur de TiO2, nous ne sommes pas soumis aux contraintes d'une installation existante concernant les méthodes de traitement de surface, et nos matériaux proposeront les dernières technologies disponibles, telles que l'alumine associée à une silice à peau dense et/ou au zirconium. Cette technologie est en cours de développement en collaboration avec PPG.

Trois séries de pigments seront rapidement mises à disposition :
– Série RGX 100 : rutile non traité destiné aux cosmétiques, aux aliments, aux applications médicales et au papier ;
– Série RGX 200 : rutile traité destiné aux plastiques ; et
– Série RGX 300 : rutile traité destiné aux revêtements.