Мазмұны

4.4 Титан диоксиді өндірісі

Күкірт қышқылды әдіс
Ильменит концентратынан (немесе титан қождарынан) алынатын титан диоксидінің негізгі массасы осы күкірт қышқылды әдіспен алынады, бұл әдіс келесі сатылар арқылы жүзеге асырылады:
1) концентратты күкірт қышқылымен ыдырату және сумен шаймалау;
2) ерітіндіні темірден тазарту;
3) күкірт қышқылы ерітіндісінен метатитан қышқылының гидролитикалық бөлінуі;
4) титан диоксидін алу үшін тұнбаны күйдіру.
Бұл әдіс дайын өнімге титанды жоғары дәрежеде бөліп алуды қамтамасыз етеді, сонымен қоса технологияда бір ғана реагент — күкірт қышқылы қолданылады.
Концентратты ыдырату концентрленген \(\small \text{H}_2\text{SO}_4\) (92-94%) немесе болат реакторларындағы олеум арқылы жүзеге асырылады. Қышқылды ұсақталған концентратпен 125-135 \(^\circ\text{C}\)-ге дейін қыздырғаннан кейін процестің экзотермиялық сипатына байланысты реакция 180-200 \(^\circ\text{C}\)-қа дейін өздігінен қызады және 5-10 минутта аяқталады. Алынған жартылай құрғақ масса («балқыма») құрамында титан (IV) оксосульфаты (\(\small \text{TiOSO}_4 \times \text{H}_2\text{O}\)), \(\small \text{FeSO}_4\) және артық \(\small \text{H}_2\text{SO}_4\) болады. Ары қарай балқыма сумен шаймаланады.
Ерітіндіні темірден тазарту. Ерітінділерде 110-120 г/л \(\small \text{TiO}_2\) (\(\small \text{TiOSO}_2\) құрамында), темір сульфаттары \(\small \text{FeSO}_4\) және \(\small \text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3\), және 200-240 г/л белсенді \(\small \text{H}_2\text{SO}_4\) (белсенді \(\small \text{H}_2\text{SO}_4\) — титан сульфатымен байланысты қышқыл мен бос қышқылдың қосындысы) болады.
Темірдің негізгі массасынан тазарту үшін темір жоңқасы арқылы \(\small \text{Fe}^{3+}\)-ті \(\small \text{Fe}^{2+}\)-ге дейін тотықсыздандырады, содан кейін ерітінділерді -5 \(^\circ\text{C}\)-ге дейін салқындатып, темір купоросын \(\small \text{FeSO}_4 \times 7\text{H}_2\text{O}\) кристалдандырады. Кристалдандыру нәтижесінде ерітіндідегі темір мөлшері \(\sim 20\) г/л дейін төмендейді.
Темір купоросы — ауыл шаруашылығында инсектофунгицид ретінде қолданылатын пайдалы жанама өнім.
Метатитан қышқылын тұндыру. Құрамында титан оксосульфаты бар ерітінділерден метатитан қышқылы (гидратталған титан диоксиді) гидролитикалық ыдырау арқылы бөлінеді:
\[
\small \text{TiOSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{TiO}_2 \cdot \text{H}_2\text{O} + \text{H}_2\text{SO}_4 \quad (1.146)
\]
Шындығында, тұрақсыз гидролиз өнімінде \(\small \text{TiO}_2\) және \(\small \text{H}_2\text{O}\)-дан басқа \(\small \text{SO}_3\)-тің едәуір мөлшері болатынын ескеру қажет.
Гидролизді жүргізудің екі әдісі қолданылады: тұндырғыш қоспа (затравка) енгізу әдісі және сұйылту әдісі.
Бірінші әдісте ерітіндіге титан гидроксидінің коллоидты ерітіндісі түріндегі ~1% мөлшерде бөлек дайындалған тұндырғыш қоспа (затравка) салынады. Қайнағанға дейін қыздырғанда тұнбаға 95-96% \(\small \text{TiO}_2\) түседі.
Сұйылту әдісін қолданған жағдайда бастапқы ерітінділерді 240 - 260 г/л \(\small \text{TiO}_2\) құрамына дейін булау арқылы концентрлейді, содан кейін қыздырылған ерітіндіге су құйып, белгілі бір режимде сұйылтылады. Ерітінді сұйылтылған кезде дәндер пайда болады — кристалдану орталықтары, содан кейін метатитан қышқылының тұнбасы пайда болады.
Метатитан қышқылын күйдіру. Метатитан қышқылының сүзілген және жуылған тұнбасын максималды температурасы 850-1000 ℃ (\(\small \text{TiO}_2\) мақсатына байланысты) болатын, жоғары алюминий кірпішпен қапталған барабан пештерде күйдіреді. Судан басқа, күйдіру кезінде тұнба құрамындағы \(\small \text{SO}_3\) жойылады.
Титан тетрахлоридін "жағу" әдісі.
Соңғы жылдары титан тетрахлоридінен титан диоксидін «жағу» әдісімен алу өндірісі дамып келеді.
\[
\small \text{TiCl}_4 + \text{O}_2 \rightarrow \text{TiO}_2 + 2\text{Cl}_2, \quad \Delta G^\circ_{1100K} = -81,5 \, \text{кДж} \quad (1.147)
\]
Бұл реакция 900-1000 ℃ температурада жеткілікті жылдамдықпен жүреді. Алынған хлор титан шикізатын хлорлауға қайтарылады.
"Жағу" процесін жүргізудің бірнеше нұсқалары белгілі. Олардың екеуін қарастырайық.
1. Реакция саптама орнатылған камерада жүзеге асырылады, онда оттегі мен титан тетрахлоридінің булары 1000-1100 ℃ дейін алдын ала қыздырылады. Саптамадан шыққан кезде \(\small \text{TiCl}_4\) жұптары оттегімен әрекеттесіп, сары-жасыл жалын түзеді. Газ ағыны титан диоксиді бөлшектерін шаң камерасына және сүзгілерге әкетеді. Құрамында 80-85% хлор бар қалдық газдар \(\small \text{TiCl}_4\) өндірісінде қолдануға жарамды.
Әдісті қолданудағы негізгі қиындық — реакцияға түсетін компоненттерді 1000-1100 ℃ дейін алдын ала қыздыру қажеттілігі.
2. Плазманы жылу көзі ретінде қолдану ең перспективалы әдіс. Оттегі плазмасының алауы бар жоғары жиілікті плазмалық оттықты қолданған жөн. Температурасы 6000-10000 ℃ болатын алауға титан тетрахлоридінің булары енгізіледі және жоғары температурада оттегімен тез әрекеттесіп, рутильді модификацияланған титан диоксидін түзеді.
Титан тетрахлоридінен титан диоксидін алу технологиясының "жану" әдісінің күкірт қышқылы әдісімен салыстырғандағы негізгі артықшылықтары:
а) технологиялық схема қарапайым, күрделі шығындар орта есеппен 1,5 есе төмен;
б) сызба жабық (хлор жойылады), ал күкірт қышқылды әдіс сызбасында күкірт қышқылының гидролизін жою қиын;
в) титан диоксидінің тазалығы жоғары, ал одан алынған пигменттің сапасы күкірт қышқылы әдісімен салыстырғанда жоғары.