La produzione di biossido di titanio (TiO2) esiste da quasi 100 anni. Questo pigmento bianco principale viene utilizzato ogni giorno, poiché è impiegato in pitture, plastiche, alimenti e bevande, cosmetici, tessuti e carta. La domanda globale di TiO2 nel 2012 era di 5,3 milioni di tonnellate (8 libbre pro capite in Nord America).

Come pigmento, il TiO2 viene disperso in varie matrici per consentire la diffusione e la riflessione della luce visibile. Per molti anni, diverse sostanze, caratterizzate dall'indice di rifrazione (RI), sono state utilizzate per ottenere la riflessione della luce – più alto è l'RI, più elevata è la riflessione. Il TiO2 ha l'indice di rifrazione più alto tra i pigmenti bianchi tipicamente impiegati nell'industria.

La diffusione della luce visibile conferisce al TiO2 le sue proprietà ottiche più importanti, tra cui opacità, brillantezza, lucentezza, tonalità (bianco) e sottotono (colore), potere schiarente (intensità della colorazione), resistenza agli agenti atmosferici, durabilità e abrasività.

Finora, il TiO2 è stato prodotto tramite il processo solfato (1916) o il processo cloruro (1948). Ogni processo presenta vantaggi e svantaggi propri. Argex Titanium Inc., un'azienda canadese, è recentemente passata da una società di esplorazione mineraria con attività nel Labrador a un produttore di TiO2 a breve termine grazie allo sviluppo di un terzo processo per il TiO2 chiamato Tecnologia Argex (AT). Questo processo idrometallurgico proprietario e brevettato, basato sulla tecnologia di estrazione con solvente CTL, utilizza l'estrazione con solvente (SX). L'SX, un processo metallurgico (estrazione liquido-liquido), è una tecnologia ben nota usata per separare composti. È stata impiegata per molti anni in diverse applicazioni, come la produzione di uranio.

Il Processo AT

Durante il processo AT, il minerale ilmenite viene liofilizzato con acidi, seguito da una prima estrazione con solvente per rimuovere il ferro e poi da una seconda estrazione con solvente per rimuovere TiOCl2 e ottenere una soluzione limpida contenente titanio. Un'idrolisi su questa soluzione limpida, priva di impurità e contaminanti, darà origine a TiO2 puro. Le fasi di lavaggio del pigmento nel processo AT sono più facili ed efficienti rispetto al processo solfato.

Come materia prima si utilizza un feedstock di TiO2 economico e disponibile, fornito da fornitori convenzionali di minerali (cioè ilmenite); vengono inoltre utilizzati anche “scarti” (a costo inferiore) delle industrie minerarie, che sono materie prime che altri processi non possono utilizzare. In quanto processo economicamente vantaggioso, AT è ecologicamente attrattivo, poiché è energeticamente efficiente, non richiede alte pressioni o temperature né cloro, è un processo a ciclo chiuso e produce scarti inerti molto bassi e facilmente recuperabili. Tutti i sottoprodotti hanno un alto grado di purezza e sono facilmente riutilizzabili in varie industrie, come quella del trattamento delle acque. Il processo AT rappresenta un nuovo passo verso la sostenibilità ambientale e un miglioramento dell'impronta carbonica nel processo per il TiO2.

Questo processo efficiente è attualmente condotto nell'impianto pilota di Argex, in funzione continua a Salaberry-de-Valleyfield, Québec. La prima unità produttiva da 50.000 tonnellate sarà situata proprio qui. L'infrastruttura industriale già esistente su un sito brownfield consente di risparmiare tempo e ingenti spese capitali e può ospitare ulteriori moduli di produzione di TiO2, offrendo un significativo potenziale di espansione. La vicinanza alle principali infrastrutture portuali, ferroviarie e autostradali facilita la spedizione di materie prime e merci via terra e via mare. La regione è già favorita dalle industrie idrometallurgiche e chimiche, grazie alla vicinanza alla produzione di acido HCl, all'accesso alle forniture di gas naturale, alla prossimità della centrale elettrica Beauharnois di Hydro Quebec e alla vicinanza all'Aeroporto Internazionale Trudeau di Montréal. L'impianto di Valleyfield entrerà in funzione entro l'inizio del 2015 e sarà operativo nella prima metà dello stesso anno.

TiO2 rutilo puro tramite il Processo AT

Il processo cloruro inizia con la clorurazione del minerale a una temperatura di circa 1000 gradi centigradi in un reattore a letto fluidizzato in presenza di coke. Il coke è un combustibile con poche impurità e un alto contenuto di carbonio, solitamente derivato dal carbone. È il materiale carbonioso solido ottenuto dalla distillazione distruttiva di carbone bituminoso a bassa cenere e basso tenore di zolfo.

Il processo solfato precipita il TiO2 per idrolisi da una soluzione (la liquor nera) ottenuta per liofilizzazione dell'ilmenite (FeTiO3) con acido solforico (H2SO4) e tracce di metalli, in particolare cromo (Cr), vanadio (V) e ferro (Fe), che influiscono sul colore del prodotto e gli conferiscono una tonalità gialla.

Ciascuno dei due processi presenta tracce di impurità prima di ottenere le particelle solide finali di TiO2. Queste impurità possono influenzare la morfologia, la dimensione delle particelle e la tonalità del pigmento. Con le sue due fasi di estrazione con solvente, il processo AT precipita il TiO2 da una soluzione limpida priva di impurità.

I tre processi di produzione di TiO2 presentano grandi differenze. Il processo AT dimostra un grande miglioramento in termini di qualità e costi ed è il più ecologico.

Proprietà ottenute dal Processo AT

La bianchezza può essere caratterizzata da parametri quali potere coprente (opacità), brillantezza e tonalità del colore. Nei rivestimenti, queste proprietà si svilupperanno solo se il pigmento TiO2 è perfettamente disperso nella matrice.

Il potere coprente dipende principalmente dalla diffusione della luce. Un occhio umano tipico risponde a lunghezze d'onda comprese tra circa 400 e 700 nm. Un occhio adattato alla luce ha generalmente la massima sensibilità intorno a 555 nm. La diffusione delle lunghezze d'onda diventa più efficiente quando la particella ha un diametro pari a circa la metà della lunghezza d'onda incidente. Il potere di diffusione più efficiente del TiO2 si ottiene con una dimensione media ponderale delle particelle di circa 0,28 μm. Altri parametri critici includono il design delle particelle (più sono sferiche, meglio è) e la distribuzione granulometrica (più stretta è la distribuzione granulometrica, migliore è). Con il processo AT, le particelle di TiO2 vengono create, dopo le due fasi di estrazione con solvente, da una soluzione pura di TiOCl2. La precipitazione che avviene senza impurità di altri ioni metallici nella rete cristallina della titania, come Fe, Cr e V, permetterà un migliore controllo del design e della distribuzione granulometrica.

La brillantezza dipende principalmente dalla purezza del pigmento. Ancora una volta, grazie alle due fasi di estrazione con solvente nel processo AT, il pigmento TiO2 ottenuto conterrà meno elementi traccia coloranti rispetto ai processi cloruro o solfato.

La tonalità del colore può essere considerata l'identità del pigmento. Due valori devono essere presi in considerazione: la tonalità (nel bianco), che dipende più o meno dalla dimensione media ponderale delle particelle, e il sottotono (nel grigio), che dipende dalla distribuzione granulometrica. Quando disperso in una pasta di pigmenti colorati, il colore risultante può variare a seconda del lotto di TiO2, poiché lunghezze d'onda più corte e più lunghe si diffondono in modo diverso. Il TiO2 con una distribuzione granulometrica più grossolana diffonde preferenzialmente le lunghezze d'onda rosse e verdi, mentre una distribuzione granulometrica più fine diffonde meglio le lunghezze d'onda blu.

Poiché un colore grigio con una tonalità bluastra appare più fresco all'occhio umano e una tonalità giallastra ha un aspetto macchiato, il TiO2 con una tonalità bluastra è preferito. Tuttavia, dobbiamo ricordare che una distribuzione granulometrica fine, ovvero una tonalità bluastra, comporterà una perdita di potere di diffusione per le lunghezze d'onda più lunghe (ad esempio il rosso), il che significa una riduzione del potere coprente o dell'opacità totale.

Nei processi attuali cloruro e solfato, le particelle di TiO2 raramente sono identiche da lotto a lotto, dando talvolta ampie specifiche di sottotono. Con il processo AT e le sue fasi proprietarie di estrazione con solvente, è più facile controllare la distribuzione granulometrica.

Trattamento superficiale

Ottenere particelle di TiO2 pure e molto ben distribuite è necessario, ma non sufficiente – specialmente nell'industria dei rivestimenti, dove le particelle di TiO2 pure devono subire alcuni trattamenti superficiali, come un trattamento organico per migliorare la fluidità e la dispersione nel legante, e un trattamento inorganico per migliorare la stabilità e la resistenza alla luce (durabilità).

La dispersione dei pigmenti è una priorità. In caso di dispersione inefficace, anche il miglior pigmento non riuscirà a esprimere appieno le proprie proprietà ottiche. In teoria, tutti i pigmenti possono essere ben dispersi – si tratta soltanto di tempo e/o dell'impiego di additivi chimici. Tuttavia, ciò comporta un aumento dei costi.

In qualità di nuovo produttore di TiO2, non abbiamo i vincoli derivanti da un impianto già esistente che ci obblighino a seguire determinati metodi di trattamento superficiale; i nostri materiali proporranno le tecnologie più avanzate disponibili, quali allumina più silice a densità elevata e/o zirconio. Questa tecnologia è in fase di sviluppo con la collaborazione di PPG.

Saranno rapidamente messe a disposizione tre serie di pigmenti:
– Serie RGX 100: rutilo non trattato per cosmetici, alimenti, uso medico e carta;
– Serie RGX 200: rutilo trattato per materie plastiche; e
– Serie RGX 300: rutilo trattato per rivestimenti.