이산화티타늄(TiO2)의 생산은 거의 100년 동안 이어져 왔습니다. 사람들은 매일 이 주요 백색 안료를 사용하며, 이를 페인트, 플라스틱, 식음료, 화장품, 섬유 및 종이 등에 활용합니다. 2012년 전 세계 TiO2 수요량은 530만 톤이었습니다(북미에서는 1인당 8파운드).
안료로서 TiO2는 가시광선의 산란과 반사를 가능하게 하기 위해 다양한 매트릭스에 분산됩니다. 오랜 세월 동안 굴절률(RI)로 특징지어지는 다양한 물질들이 빛의 반사를 얻기 위해 사용되어 왔으며, RI가 높을수록 반사율도 높아집니다. TiO2는 일반적으로 산업에서 사용되는 백색 안료 중 가장 높은 RI를 가지고 있습니다.
가시광선의 산란은 TiO2의 가장 중요한 광학적 특성들을 부여하며, 여기에는 불투명성, 밝기, 광택, 색조(백색), 언더톤(색상), 발색력(착색 강도), 내후성, 내구성 및 마모성이 포함됩니다.
현재까지 TiO2는 황산 공정(1916년)이나 염화 공정(1948년)을 통해 생산되어 왔습니다. 각 공정은 고유한 장점과 단점을 지니고 있습니다. 캐나다 기업인 아르젝 티타늄사는 최근 라브라도에 자산을 보유한 광업 탐사 회사에서, 아르젝 테크놀로지(AT)라는 제3의 TiO2 공정 개발을 통해 단기적인 TiO2 생산자로 전환했습니다. 이 독창적이고 특허받은 수용성 야금 공정은 CTL 용매 추출 기술을 기반으로 하며, 용매추출(SX)을 사용합니다. SX는 야금 공정(액체-액체 추출)으로, 화합물을 분리하는 데 널리 사용되는 기술입니다. 우라늄 생산 등 여러 응용 분야에서 오랜 세월 동안 사용되어 왔습니다.
AT 공정
AT 공정 동안 일메나이트 광석은 산으로 침출된 후, 첫 번째 용매추출을 통해 철을 제거하고, 두 번째 용매추출을 통해 TiOCl2를 제거하여 티타늄을 함유한 맑은 용액을 얻습니다. 이 맑은 용액에 불순물과 오염물이 없는 상태에서 가수분해를 진행하면 순수한 TiO2가 생성됩니다. AT 공정에서의 안료 세척 단계는 황산 공정에 비해 더 쉽고 효율적입니다.
저렴하고 구하기 쉬운 TiO2 원료가 원재료로 사용되며, 이는 일반적인 광석 공급업체(예: 일메나이트)에서 제공됩니다. 또한 광산업에서 나오는 “테일링”(저비용)도 사용되는데, 이는 다른 공정에서는 사용할 수 없는 원료입니다. 비용 효율적인 공정인 AT는 에너지 효율이 높고, 고압이나 고온, 염소를 사용하지 않으며, 폐쇄형 운영 방식이며, 회수하기 쉬운 낮은 비활성 테일링을 갖추고 있어 환경적으로 매력적입니다. 모든 부산물은 높은 순도를 유지하며, 수처리와 같은 다양한 산업에서 쉽게 재사용될 수 있습니다. AT 공정은 환경 지속 가능성의 새로운 단계이며, TiO2 공정의 탄소 발자국을 개선하는 데 기여합니다.
이 효율적인 공정은 현재 퀘벡주 살라베리 드 발리필드에서 운영 중인 아르젝 시험공장에서 진행되고 있으며, 최초의 5만 톤 규모 생산 설비 역시 이곳에 위치할 예정입니다. 기존의 브라운필드 현장에 있는 산업 인프라는 시간과 막대한 자본 지출을 절약해주며, 추가적인 TiO2 생산 모듈을 설치할 수 있어 확장 잠재력이 큽니다. 주요 항구, 철도 및 고속도로 인프라와의 근접성 덕분에 원료와 상품의 육상 및 해상 운송이 용이합니다. 이 지역은 이미 수용성 야금 및 화학 처리 산업에서 선호되며, HCl 산 생산과 가까운 위치, 천연가스 공급 접근성, 퀘벡주 보하르누아 발전소와의 근접성, 몬트리올 트뤼도 국제공항과의 가까움을 갖추고 있습니다. 발리필드 공장은 2015년 초에 가동을 시작해 같은 해 상반기부터 본격적으로 생산을 시작할 예정입니다.
AT 공정을 통한 순수 루틸 TiO2
염화 공정은 약 1000도 섭씨 온도에서 유동층 반응기에서 코크스를 첨가한 상태에서 광석을 염소화하는 것으로 시작됩니다. 코크스는 불순물이 적고 탄소 함량이 높은 연료로, 보통 석탄으로 만들어집니다. 이는 회분이 적고 황 함량이 낮은 역청탄을 파괴 증류하여 얻은 고체 탄소 물질입니다.
황산 공정은 일메나이트(FeTiO3)를 황산(H2SO4)과 미량의 금속, 특히 크롬(Cr), 바나듐(V) 및 철(Fe)으로 침출해 만든 용액(블랙 리쿼)에서 가수분해를 통해 TiO2를 침전시킵니다. 이들 금속은 제품의 색상에 영향을 미치며 노란색을 띠게 합니다.
두 공정 모두 최종 고체 TiO2 입자를 얻기 전에 미세한 불순물이 남아 있습니다. 이러한 불순물은 안료의 형태학, 입자 크기 및 색조에 영향을 줄 수 있습니다. AT 공정은 두 차례의 용매추출을 통해 불순물이 없는 맑은 용액에서 TiO2를 침전시킵니다.
세 가지 TiO2 생산 공정은 큰 차이를 보입니다. AT 공정은 품질과 비용 면에서 크게 개선되었으며, 가장 환경 친화적입니다.
AT 공정에서 얻어진 특성
백색도는 은폐력(불투명성), 밝기 및 색조와 같은 매개변수로 특징지을 수 있습니다. 코팅에서 이러한 특성은 TiO2 안료가 매트릭스에 완벽히 분산된 경우에만 나타납니다.
은폐력은 주로 빛의 산란에 의존합니다. 일반적인 인간의 눈은 약 400~700nm의 파장을 감지합니다. 빛에 적응된 눈은 일반적으로 약 555nm에서 최대 민감도를 보입니다. 입자가 입사 파장의 약 절반 크기일 때 파장 산란이 더욱 효과적입니다. TiO2의 가장 효율적인 산란 능력은 약 0.28μm의 입자 크기 평균에서 달성됩니다. 기타 중요한 요소로는 입자 디자인(구형일수록 좋음)과 입자 크기 분포(분포가 좁을수록 좋음)가 있습니다. AT 공정에서는 두 차례의 용매추출을 거친 후 순수한 TiOCl2 용액에서 TiO2 입자를 생성합니다. 이 과정에서 철(Fe), 크롬(Cr) 및 바나듐(V)과 같은 다른 금속 이온의 불순물 없이 결정 격자 내에 침전이 이루어져 입자 크기 디자인과 분포를 더욱 잘 제어할 수 있습니다.
밝기는 주로 안료의 순도에 의존합니다. 다시 말해, AT 공정의 두 차례 용매추출 덕분에 얻어진 TiO2 안료는 염화나 황산 공정보다 더 적은 착색 미량 원소를 함유하게 됩니다.
색조는 안료의 정체성으로 볼 수 있습니다. 두 가지 값이 고려되어야 하는데, 하나는 색조(백색)로 입자 크기 평균에 따라 다소 달라지고, 다른 하나는 언더톤(회색)으로 입자 크기 분포에 따라 달라집니다. 색깔 있는 안료의 페이스트에 분산될 때 결과 색상은 TiO2 배치에 따라 달라질 수 있는데, 짧은 파장과 긴 파장이 다르게 산란되기 때문입니다. 입자 크기가 더 거친 TiO2는 붉은색과 녹색 파장을 우선적으로 산란시키는 반면, 입자 크기가 더 미세한 TiO2는 파란색 파장을 더 잘 산란시킵니다.
회색이지만 푸른빛을 띠는 색상이 인간의 눈에 더 신선해 보이고, 노란빛을 띠는 색상은 얼룩진 느낌을 주기 때문에 푸른빛을 띠는 TiO2가 선호됩니다. 그러나 입자 크기가 미세하고 푸른빛을 띠는 것은 장파장(예: 빨간색)의 산란 능력을 저하시킬 수 있다는 점을 기억해야 합니다. 이는 전체 은폐력 또는 불투명성을 감소시키는 것을 의미합니다.
현재 염화 및 황산 공정에서는 TiO2 입자가 배치마다 거의 동일하지 않아 때때로 큰 언더톤 규격을 초래하기도 합니다. AT 공정과 그 독창적인 용매추출 단계를 통해 입자 크기 분포를 더욱 쉽게 제어할 수 있습니다.
표면 처리
순수하고 매우 균일하게 분산된 TiO2 입자를 얻는 것은 필요하지만 충분하지 않습니다—특히 코팅 산업에서는 순수한 TiO2 입자가 유동성과 분산성을 향상시키기 위한 유기 처리와 안정성 및 내광성을 개선하기 위한 무기 처리와 같은 표면 처리를 받아야 합니다.
안료 분산은 최우선 과제입니다. 분산이 불량하면 아무리 우수한 안료라도 자체적인 광학적 특성을 발현할 수 없습니다. 이론적으로 모든 안료는 잘 분산될 수 있습니다—단지 시간과/또는 화학적 보조제의 사용 여부만의 문제일 뿐입니다. 그러나 이는 비용을 증가시킵니다.
새로운 TiO2 생산자로서, 우리는 기존 설비의 제약으로 인해 표면 처리 방법을 강제당하지 않으며, 당사의 재료는 알루미나와 밀도 높은 실리카 및/또는 지르코늄과 같은 최신 기술을 도입할 것입니다. 이 기술은 PPG와의 협력을 통해 개발되고 있습니다.
세 가지 안료 시리즈를 신속히 제공할 예정입니다:
– RGX 100 시리즈: 화장품, 식품, 의료 및 종이용 미처리 루틸;
– RGX 200 시리즈: 플라스틱용 처리된 루틸; 그리고
– RGX 300 시리즈: 코팅용 처리된 루틸.
