Производство диоксида титана (TiO2) существует уже почти 100 лет. Этот основной белый пигмент используется людьми ежедневно — он входит в состав красок, пластмасс, пищевых продуктов и напитков, косметики, текстиля и бумаги. Глобальный спрос на TiO2 в 2012 году составил 5,3 миллиона тонн (8 фунтов на душу населения в Северной Америке).

Как пигмент, TiO2 распределяется в различных матрицах, чтобы обеспечить рассеяние и отражение видимого света. На протяжении многих лет для достижения отражения света использовались различные вещества, характеризующиеся своим показателем преломления (RI); чем выше RI, тем выше отражение. TiO2 обладает самым высоким показателем преломления среди белых пигментов, обычно используемых в промышленности.

Рассеяние видимого света придает TiO2 его наиболее важные оптические свойства, включая непрозрачность, яркость, блеск, тон (белый цвет) и подтон (цвет), светоотражающую способность (интенсивность окрашивания), устойчивость к атмосферным воздействиям, долговечность и абразивность.

До сих пор TiO2 производили либо по сульфатному процессу (1916 год), либо по хлоридному процессу (1948 год). Каждый из этих процессов имеет свои преимущества и недостатки. Компания Argex Titanium Inc., канадская фирма, недавно перешла от горнодобывающей компании с активами в Лабрадоре к производителю TiO2 в ближайшей перспективе благодаря разработке третьего процесса производства TiO2, получившего название Argex Technology (AT). Этот запатентованный гидрометаллургический процесс, основанный на технологии экстракции растворителя CTL, использует процесс экстракции растворителем (SX). SX — это металлургический процесс (экстракция жидкость-жидкость), хорошо известная технология, применяемая для разделения соединений. Она используется уже много лет для таких целей, как производство урана.

Процесс AT

В процессе AT руда ильменита выщелачивается кислотами, затем проводится первая экстракция растворителем для удаления железа, а затем вторая экстракция растворителем для удаления TiOCl2 и получения чистого раствора, содержащего титан. Гидролиз этого чистого раствора без примесей и загрязнений приведёт к получению чистого TiO2. Стадии промывки пигмента в процессе AT проще и эффективнее по сравнению с сульфатным процессом.

В качестве сырья используется недорогой и доступный исходный материал TiO2, поставляемый обычными поставщиками руды (например, ильменит); также используются “отходы” (более низкая стоимость) горнодобывающих предприятий, которые не могут быть использованы другими процессами. Как экономически эффективный процесс, AT является экологически привлекательным, поскольку он энергоэффективен, не требует высокого давления или температур, не использует хлор, представляет собой замкнутый цикл и даёт очень мало инертных отходов, которые легко восстанавливаются. Все побочные продукты обладают высокой степенью чистоты и легко повторно используются в различных отраслях, таких как очистка воды. Процесс AT представляет собой новый шаг в области экологической устойчивости и улучшение углеродного следа для процесса производства TiO2.

Этот эффективный процесс осуществляется на действующей пилотной установке Argex, которая постоянно работает в Салабери-де-Валлифилд, Квебек. Первая производственная единица мощностью 50 000 тонн также будет расположена здесь. Существующая промышленная инфраструктура на заброшенной территории позволяет сэкономить время и крупные капиталовложения и может вместить дополнительные модули производства TiO2, что открывает значительный потенциал для расширения. Близость к крупным портовым, железнодорожным и шоссейным инфраструктурам облегчает перевозку сырья и готовой продукции как наземным, так и морским транспортом. Регион уже пользуется преимуществами гидрометаллургической и химической промышленности благодаря близости к производству HCl-кислоты, доступу к поставкам природного газа, близости к электростанции Beauharnois Hydro Quebec и к международному аэропорту Трюдо в Монреале. Завод в Валлифилде будет введён в эксплуатацию к началу 2015 года и начнёт производство в первой половине того же года.

Чистый рутиловый TiO2 по процессу AT

Хлоридный процесс начинается с хлорирования руды при температуре около 1000 градусов Цельсия в реакторе с псевдоожиженным слоем в присутствии кокса. Кокс — это топливо с минимальным количеством примесей и высоким содержанием углерода, обычно производимое из угля. Это твердый углеродистый материал, получаемый путем разрушительной перегонки низзольного, низкосернистого битуминозного угля.

Сульфатный процесс осаждает TiO2 путём гидролиза из раствора (черного щёлока), полученного при выщелачивании ильменита (FeTiO3) серной кислотой (H2SO4) и следовыми количествами металлов, особенно хрома (Cr), ванадия (V) и железа (Fe), которые влияют на цвет продукта и придают ему жёлтый оттенок.

Каждый из двух процессов содержит следовые количества примесей перед получением конечных твёрдых частиц TiO2. Эти примеси могут влиять на морфологию, размер частиц и цветовой тон пигмента. Благодаря двум стадиям экстракции растворителем процесс AT осаждает TiO2 из чистого раствора без примесей.

Три процесса производства TiO2 имеют существенные различия. Процесс AT демонстрирует значительное улучшение качества и снижение затрат, а также является самым экологически чистым.

Свойства, достигаемые по процессу AT

Белизна может характеризоваться такими параметрами, как скрывающая способность (непрозрачность), яркость и цветовой тон. В покрытиях эти свойства будут проявляться только в том случае, если пигмент TiO2 идеально распределён в матрице.

Скрывающая способность в основном зависит от рассеяния света. Обычный человеческий глаз реагирует на длины волн от примерно 400 до 700 нм. Адаптированный к свету глаз обычно имеет максимальную чувствительность примерно на 555 нм. Рассеяние длин волн становится более эффективным, когда размер частицы составляет примерно половину длины падающей волны. Наибольшая эффективность рассеивания TiO2 достигается при среднем весе частиц примерно 0,28 мкм. Другие критические параметры включают дизайн частиц (чем сферичнее, тем лучше) и распределение размеров частиц (чем уже распределение размеров частиц, тем лучше). В процессе AT частицы TiO2 образуются после двух стадий экстракции растворителем из чистого раствора TiOCl2. Осаждение, происходящее без примесей других ионов металлов в кристаллической решётке титана, таких как Fe, Cr и V, позволит лучше контролировать дизайн и распределение размеров частиц.

Яркость в основном зависит от чистоты пигмента. Опять же, благодаря двум стадиям экстракции растворителем в процессе AT полученный пигмент TiO2 будет содержать меньше цветообразующих следовых элементов, чем в хлоридном или сульфатном процессах.

Цветовой тон можно рассматривать как идентичность пигмента. Необходимо учитывать два значения: тон (в белом цвете), который больше или меньше зависит от среднего веса размера частиц, и подтон (в сером цвете), который зависит от распределения размеров частиц. При распределении в пасту из цветных пигментов полученный цвет может отличаться в зависимости от партии TiO2, поскольку короткие и длинные волны рассеиваются по-разному. TiO2 с более грубым распределением размеров частиц предпочитает рассеивать красные и зелёные волны, тогда как более мелкое распределение размеров частиц лучше рассеивает синие волны.

Поскольку серый цвет с голубоватым оттенком кажется человеческому глазу более свежим, а жёлтый оттенок — испачканным, TiO2 с голубоватым оттенком предпочтительнее. Однако следует помнить, что мелкое распределение размеров частиц, то есть голубоватый оттенок, приведёт к потере рассеивающей способности для длинных волн (например, красных), что означает снижение общей скрывающей способности или непрозрачности.

В текущих хлоридном и сульфатном процессах частицы TiO2 редко одинаковы от партии к партии, иногда давая большие допуски по подтону. В процессе AT и его запатентованных стадиях экстракции растворителем легче контролировать распределение размеров частиц.

Обработка поверхности

Получение чистых и очень хорошо распределённых частиц TiO2 необходимо, но недостаточно — особенно в лакокрасочной промышленности, где чистые частицы TiO2 должны проходить некоторые виды обработки поверхности, такие как органическая обработка для улучшения текучести и дисперсии в связующем веществе, и неорганическая обработка для повышения стабильности и светостойкости (долговечности).

Распределение пигмента является приоритетом. При плохом распределении даже самый лучший пигмент не сможет проявить свои оптические свойства. Теоретически все пигменты можно хорошо распределить — это лишь вопрос времени и/или использования химических добавок. Однако это повышает стоимость.

Как новый производитель TiO2, мы не сталкиваемся с ограничениями существующей установки, которые диктовали бы методы обработки поверхности, и наши материалы будут использовать самые современные доступные технологии, такие как оксид алюминия плюс плотная кремнезёмная оболочка и/или цирконий. Эта технология разрабатывается в сотрудничестве с компанией PPG.

Будут быстро представлены три серии пигментов:
— серия RGX 100: необработанный рутил для косметики, пищевой промышленности, медицины и бумаги;
— серия RGX 200: обработанный рутил для пластмасс; и
— серия RGX 300: обработанный рутил для покрытий.