ОПИС ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОБНИЦТВА, ВЛАСТИВОСТІ ТА ЗАСТОСУВАННЯ ДІОКСИДУ ТИТАНУ

Що таке двоокис титану?

Оксид титану(IV), діоксид титану, двоокис титану

Технічний опис.

Чистий діоксид титану (TiO₂) - це безбарвна тверда кристалічна речовина. Незважаючи на безбарвність, у великих кількостях діоксид титану надзвичайно ефективний білий пігмент, якщо він добре очищений. TiO₂ практично не поглинає жодної падаючого світла у видимій області спектра. Світло або передається, або переломлюється через кристал або ж відбивається на поверхнях. TiO₂ - це стабільне (самий стабільний з усіх відомих білих пігментів), нелетучее, нерозчинна в кислотах, лугах і розчинах при нормальних умовах речовина. Двоокис титану відрізняється високою реакційною стійкістю до різних сполук, в тому числі і до токсичним, що містяться у повітряному середовищі. З-за своєї інертності, діоксид титану не токсичний і, загалом, вважається дуже безпечною речовиною. Він може контактувати з продуктами в упаковці, а в певних концентраціях його можна використовувати і як харчовий барвник.
Діоксид титану не розчиняється у воді і розведених мінеральних кислотах (крім плавикової) і розбавлених розчинах лугів.

Пігментний двооксид титану існують у двох формах - анатазная і рутильная і проводиться за двома технологічними схемами: сульфатний і хлорний способи. Обидві форми можуть бути зроблені будь-яким із способів.
Порівняно з сульфатним хлорний спосіб є більш екологічно чистим і досконалим завдяки можливості здійснювати процес в безперервному режимі, що передбачає повну автоматизацію виробництва. Однак хлорний спосіб вибірковий до сировини, а в зв'язку з використанням хлору і високих температур вимагає застосування корозійностійкого устаткування.
Двоокис титану, TiO₂, - з'єднання титану з киснем, в якому титан чотирьохвалентний. Білий порошок, жовтий в нагрітому стані. Зустрічається в природі головним чином у вигляді мінералу рутилу. Температура плавлення - 1855° С, температура кипіння - 2500-3000° C. Щільність 3,9 - 4,25 г/см3. Практично нерозчинні в лугах і кислотах, за винятком HF. В концентрованій Н₂SO₄ розчиняється лише при тривалому нагріванні. При сплавці двоокису титану з їдкими або вуглекислими лугами утворюються титанати, які легко гідролізуються з утворенням на холоді ортотитановой кислоти (або гідрату) Ti(OH)₄, легко розчинної в кислотах. При стоянні вона переходить в мстатитановую кислоту (форма), що має микрокристаллическую структуру і розчинну лише в гарячій концентрованої сірчаної і фтористоводневої кислоти. Більшість титанатов практично нерозчинні у воді.
Основні властивості двоокису титану виражені сильніше кислотних, але солі, у яких титан є катіоном, також значною мірою гідролізуються з утворенням двовалентного радикала титанила TiO₂+. Останній входить до складу солей у якості катіона (наприклад, сірчанокислий титанил TiOSO₄•2H₂O). Двоокис титану є одним з найважливіших сполук титану, служить вихідним матеріалом для отримання інших сполук, а також частково металевого титану. Використовується головним чином як мінеральна фарба, крім того, як наповнювач у виробництві гуми і пластичних металів. Входить до складу тугоплавких стекол, глазурей, форфоровых мас. З неї виготовляють штучні дорогоцінні камені, босцветные і пофарбовані.
TiO₂ - один з найважливіших неорганічних сполук, використовуваних сучасною промисловістю, унікальні властивості діоксиду титану визначають рівень технічного прогресу в різних секторах світової економіки.
Діоксид титану пігментний є найбільш затребуваним товаром на світовому ринку. Світовий обсяг його виробництва - 4,5 млн т.

Будова.

Оксид титану існує у вигляді декількох модифікацій. У природі зустрічаються кристали з тетрагональної сингонией (анатаз, рутил) і ромбічної сингонией (брук). Штучно отримані ще дві модифікації високого тиску - ромбічна IV і гексагональна V. Слід зазначити, що брукіт промислово майже не проводиться і в природі зустрічається рідко. Анатазная форма також істотно поступається по виробництву рутильної, так як гірше розсіює світло і менш атмосферостойка.

При нагріванні і анатаз, і брук необоротно перетворюються в рутил (температури переходу відповідно 400-1000° C і близько 750° C). Основою структур цих модифікацій є октаэдры TiO₆, тобто кожен іон Ti₄₊ оточений шістьма іонами O_2-, а кожен іон O_2- оточений трьома іонами Ti₄₊. Октаэдры розташовані таким чином, що кожен іон кисню належить трьом октаэдрам. У анатазе на один октаедр припадають 4 загальних ребра, в рутил - 2.

Знаходження в природі.

В чистому вигляді в природі зустрічається у вигляді мінералів рутилу, анатазу і брукіту (за будовою перші два мають тетрагональну, а останній - ромбічну сингонию), причому основну частину становить рутил.
Третє в світі за запасами рутилу родовище знаходиться в Рассказовском районі Тамбовської області. Великі родовища знаходяться в Чилі (Cerro Bianco), канадської провінції Квебек, Сьєрра-Леоне.

Рутил або анатаз?

TiO₂ - зустрічається в природі трьох основних кристалічних формах: антаз, рутил і брук, останній в природі зустрічаються рідко і комерційного інтересу не представляє. Рутильний діоксид приблизно на 30% краще розсіює світло (краще покриваність), ніж анатазный, тому останній використовується набагато рідше. До того ж, анатаз менш атмосферостоек, ніж рутил. Анатаз набагато гірше працює в захисті полімеру (акрилату, пластмаси) від УФ-променів призводить до фотокатализу (руйнування матеріалу під впливом сонячного світла) і втрати властивостей полімеру (відбувається деструкція, вицвітання, міленню і т. д.). Таким чином, саме рутильная форма діоксиду титану є єдиним та безальтернативним білим пігментом в стандартних галузях промисловості (фарби, пластмаси, папір) для додання білизни, покриваності (кількість пігменту в грамах, щоб укрити 1 кв. м. контрастною поверхні) і стабільності системі пігмент + носій. Єдине обґрунтоване застосування анатазного титану - це фарби для дорожньої розмітки. В даному типі карскі проявляються деякі специфічні властивості даної форми.

Властивості і технології.

Діоксид титану широко застосовується при виробництві виробів з полімерів. Даний матеріал давно відомий як чудовий білий пігмент, і саме в цій якості він знайомий більшості людей...
Разом з тим, діоксид титану привніс в полімерну промисловість не тільки можливість отримувати блискучі білизною поверхні. По своїй природі, діоксид титану є фотоактивным матеріалом, і саме ця здатність взаємодіяти зі світлом надає йому особливу цінність. Так, наприклад, подібна взаємодія може приймати форму звичайного розсіювання світла, що забезпечує непрозорість матеріалу, або форму поглинання енергії ультрафіолетового спектра світла, що захищає полімер від деструкції під впливом ультрафіолетового випромінювання. Ефект взаємодії частинок діоксиду титану зі світлом продовжує знаходити на практиці все більш широке застосування.
На тлі появи різних варіантів практичного застосування діоксиду титану його пігментні властивості продовжують зберігати наипервейшую значимість. Діоксид титану вважається в полімерної промисловості основним білим пігментом. Він широко використовується, оскільки ефективно розсіює видиме світло, надаючи тим самим пластиковому продукту, в якому він міститься, білизну, яскравість і непрозорість. Речовина хімічно інертно, не розчиняється в полімерах і відрізняється високою термостійкістю при самих жорстких умовах обробки. Промисловий діоксид титану поставляється у вигляді двох кристалічних модифікацій, іменованих анатаз і рутил. При виборі між ними перевага віддається рутиловим пігментів, оскільки вони краще розсіюють світло, більш стійкі і в меншій мірі сприяють фотодеструкції.
Практично відсутні промислово випускаються пігменти, що виготовляються з чистого діоксиду титану. Більшість з них мають неорганічну, а в деяких випадках органічну обробку, що наноситься на поверхню частинок TiO₂ шляхом осадження, механічного перемішування або яким-небудь іншим способом. Подібні способи поверхневої обробки призводять до поліпшенню одного, а то й декількох експлуатаційних властивостей пігменту, до яких можна віднести легкість диспергування, стійкість до атмосферних впливів або стійкість кольору. Поки ще не знайдено універсальний спосіб поверхневої обробки, який би дозволяв отримувати пігмент, максимально придатний для будь-яких практичних застосувань, так що мета безперервних досліджень - продовжувати розробляти нові марки діоксиду титану, які б відповідали безперервно мінливим вимогам індустрії пластмас.
Світлорозсіюючі властивості: діоксид титану забезпечує покриваність шляхом розсіювання світла На відміну від кольорових пігментів, які забезпечують покриваність за рахунок поглинання певних довжин хвиль видимого спектра світла, діоксид титану і інші білі пігменти досягають цього шляхом розсіювання світла. Ефект розсіювання в цьому випадку можливий завдяки тому, що білий пігмент заломлює світло. Якщо в композиції достатню кількість пігменту, то весь світло, що падає на її поверхню, за винятком малої частини, яка поглинається полімером або пігментом, розсіється зовні, і композиція буде виглядати білою і непрозорою. Розсіяння світла супроводжується заломленням і дифракцією світлових променів при їх проходженні через частинки пігменту або поблизу них.

Фізичні і термодинамическе властивості.

Чистий діоксид титану - безбарвні кристали, які жовтіють при нагріванні, але знебарвлюються після охолодження. Відомий у вигляді декількох модифікацій. Крім рутилу (кубічна сингония), анатазу (тетрагональная сингония) і брукіту (ромбічна сингония), отримані дві модифікації високого тиску: ромбічна IV і гексагональна V. Брукіт при всіх умовах метастабилен. При нагріванні анатаз і брук необоротно перетворюються в рутил відповідно при 400-1000° С і ~750° С. Як в рутил, так і в анатазе кожен атом Ti знаходиться в центрі октаедра і оточений 6 атомами кисню. Октаэдры розташовані таким чином, що кожен іон кисню належить трьом октаэдрам. У анатазе на 1 октаедр припадають 4 загальних ребра, в рутил - 2.
Внаслідок більш щільної упаковки іонів у кристалі рутилу збільшується їх взаємне тяжіння, знижується фотохімічна активність, збільшуються твердість (абразивність), показник заломлення (2,55 - у анатазу і 2,7 - у рутилу), діелектрична постійна. Діоксид титану не розчиняється у воді і розведених мінеральних кислотах (крім плавикової) і розбавлених розчинах лугів.
Для технічних цілей застосовується в роздробленому стані, представляючи собою білий порошок. Гідроксид TiO₂xnH₂O залежно від умов його осадження може містити змінне число пов'язаних з титаном ОН-груп. Отриманий при невисоких температурах TiO₂xnH₂O (альфа-форма) добре розчиняється в розведених мінеральних і сильних органічних кислотах, але практично не розчиняється в розчинах лугів, легко пептизируется з утворенням стійких колоїдних розчинів. Після сушки на повітрі утворює білий порошок щільністю 2,6 г/см3, що наближається за складом до формули TiO₂x2H₂O (метатитановая кислота).
Діоксид титану широко застосовується в якості білого пігменту у лакофарбовій промисловості, целюлозно-паперовій промисловості, виробництві синтетичних волокон, пластмас, гумових виробів, у виробництві керамічних діелектриків, термостійкого та оптичного скла, білої емалі, в якості компонента обмазки електродів для електрозварювання і покриттів ливарних форм.
Температура плавлення для рутилу - 1870° C (за іншими даними - 1850° C, 1855° C).
Температура кипіння для рутилу - 2500° C.
Щільність при 20° C:
для рутилу 4,235 г/см3;
для анатазу 4,05 г/см3 (3,95 г/см3);
для брукіту 4,1 г/см3.
Температура розкладання для рутилу 2900° C.
Температура плавлення, кипіння і розкладання для інших модифікацій не зазначена, оскільки вони переходять у рутильную форму при нагріванні (див. вище).

Внаслідок більш щільної упаковки іонів у кристалі рутилу збільшується їх взаємне тяжіння, знижується фотохімічна активність, збільшуються твердість (абразивність), показник заломлення (2,55 - у анатазу і 2,7 - у рутилу), діелектрична постійна.

Хімічні властивості.

Діоксид титану амфотерен, тобто проявляє як основні, так і кислотні властивості (хоча реагує головним чином з концентрованими кислотами).
Повільно розчиняється в концентированной сірчаної кислоті, утворюючи відповідні солі четирехвалентного титану:
TiO₂ + 2H₂SO₄ → Ti(SO₄)₂ + 2H₂O.
У концентрованих розчинах лугів або при сплавці з ними утворюються титанати - солі титанової кислоти (амфотерного гідроксиду титану TiO(OH)₂):
TiO₂ + 2NaOH → Na₂TiO₃ + H₂O.
Те ж відбувається і в концентрованих розчинах карбонатів або гідрокарбонатів:
TiO₂ + K₂CO₃ → K₂TiO₃ + CO₂↑ TiO₂ + 2KHCO₃ → K₂TiO₃ + 2CO₂↑ + H₂O.
C перекисом водню дає ортотитанову кислоту:
TiO₂ + 2H₂O₂ → H₄TiO₄ + О₂↑.
При нагріванні з аміаком дає нітрид титану:
2TiO₂ + 4NH₃ →(t) 4TiN + 6H₂O + O₂↑.
При сплавці з оксидами, гідроксидами і карбонатами утворюються титанати і подвійні оксиди:
TiO₂ + BaO → BaO•TiO₂
TiO₂ + BaCO₃ → BaO•TiO₂ + CO₂↑
TiO₂ + Ba(OH)₂ → BaO•TiO₂ + H₂O.
При нагріванні відновлюється вуглецем і активними металами (Mg, Ca, Na) до нижчих оксидів. При нагріванні з хлором у присутності відновників (вуглецю) утворює тетрахлорид титану. Нагрівання до 2200° C призводить спочатку до відщеплювання кисню з утворенням синього Ti₃O₅ (тобто TiO₂•Ti₂O₃), а потім і темно-фіолетового Ti₂O₃.
Гідратований діоксид TiO₂•nH₂O [гідроксид титану(IV), оксо-гідрат титану, оксогидроксид титану] в залежності від умов отримання може містити змінні кількості пов'язаних з Ti груп ВІН, структурну воду, кислотні залишки і адсорбовані катіони. Отриманий на холоді свежеосажденный TiO₂•nH₂O добре розчиняється в розведених мінеральних і сильних органічних кислотах, але майже не розчиняється в розчинах лугів. Легко пептизируется з утворенням стійких колоїдних розчинів. При висушуванні на повітрі утворює об'ємистий білий порошок щільністю 2,6 г/см3, що наближається за складом до формули TiO₂•2H₂O (ортотитановая кислота). При нагріванні і тривалій сушці в вакуумі поступово зневоднюється, наближаючись за складом до формули TiO₂•H₂O (метатитановая кислота). Опади такого складу виходять при осадженні з гарячих розчинів, при взаємодії металевого титану з HNO₃ і т. п. Їх щільність ~ 3,2 г/см3 і вище. Вони практично не розчиняються в розбавлених кислотах, не здатні пептизироваться.
При старінні опади TiO₂•nH₂O поступово перетворюється в діоксид безводний, що утримує в зв'язаному стані адсорбовані катіони і аніони. Старіння прискорюється кип'ятінням суспензії з водою. Структура утворюється при старінні TiO₂ визначається умовами осадження. При осадженні аміаком з солянокислих розчинів при рН < 2 отримуються зразки зі структурою рутилу, при рН 2-5 - зі структурою анатазу, з лужного середовища - рентгеноаморфные. З сульфатних розчинів продукти зі структурою рутилу не утворюються.

Оптичні властивості.

Головна властивість титану як пігменту - надавати яскравий білий колір носія, куди він вноситься. Колір визначається в системі кольорів Lab, де L - яскравість кольору, а - почервоніння/зелень, b - жовтизна/блакить. У цій системі можна задати будь-який колір. Оскільки діоксид титану білий або біло-жовтий пігмент, то зазвичай вказується тільки координати L і b. На колір кінцевого продукту крім основних параметрів очищення також впливає розмір частинок. Так, наприклад, середньорозмірні і крупнорзамерные діоксид титану (від 25 нм) показують високу покривність і криючу силу при вмісті пігменту у сполучному 15-30%. Дана концентрація стандартна величина для більшості фарб. При концентрації пігменту 10%, як наприклад, в пластиках, дрібні частинки діоксиду титану забезпечують хорошу покриваність і криючу силу.
Наукове обґрунтування феномену.
Так як рутилові пігменти абсорбують випромінювання в ультрафіолетовій і короткохвильовій області світла, то з'являються незначна нестача відбитого короткохвильового синього світла, що призводить до легкого жовтого відтінку. Зміщуючи гранулометричний склад пігменту у бік більш дрібних частинок, можна компенсувати цей ефект. Можна також отримати блакитний відтінок в сірих і кольорових фарбах за рахунок створення більш вузького діапазону розміру частинок.

Токсичні властивості і фізіологічна дія.

TLV (гранична порогова концентрація, США): як TWA (середньозмінна концентрація, США) 10 мг/м3 A4 (ACGIH 2001).
ГДК в повітрі робочої зони 10 мг/м3 (1998).
ООН - 2546.
Будучи хімічно інертним, діоксид титану є малонебезпечним речовиною. В організм може надходити у вигляді аерозолю при вдиханні або при прийомі всередину.
ГДК в повітрі робочої зони 10 мг/м3 (1998).
Молекулярна маса: 79.9.

Пігменти діоксиду титану рутильної і анатазній форми.

TiO₂ - полиморфен і зустрічається в трьох основних кристалічних формах. Існують три форми, анатаз (октаэдрит), рутил і брук, останній в природі зустрічаються рідко і, хоча цю форму і готують в лабораторіях, комерційного інтересу вона не представляє.
Рутильний діоксид приблизно на 30% краще розсіює світло (покриваність), ніж анатазный, тому останній використовується набагато рідше. До того ж, анатаз менш атмосферостоек, ніж рутил.
Анатаз набагато гірше працює в захисті полімеру (акрилату, пластмаси) від УФ-променів призводить до фотокатализу і втрати властивостей полімеру (відбувається деструкція, вицвітання, міленню і т. д.).
Пігменти діоксиду титану виробляються за двома технологічними схемами: сульфатний і хлорний способи. Обидві, анатазная і рутильная форми діоксиду титану, можуть бути зроблені будь-яким із способів.

Технічні характеристики.
Сульфатний спосіб впроваджено у промисловість у 1931 р., для виробництва анатазній форми діоксиду титану, а пізніше, в 1941 р. - рутильної. У цьому способі руда, що містить титан (ільменіт та ін), розчиняється в сірчаній кислоті, утворюючи розчини сульфатів титану, заліза та інших металів. Потім, у ряді хімічних реакцій, що включають в себе хімічне відновлення, очищення, осадження, промивання і кальцинації, утворюючи базовий діоксид титану з необхідним розміром частинок. Будова кристалів (анатазная або рутильная форма) контролюється в процесі ядрообразования і кальцинації.
Хлорний спосіб був винайдений в 1950 р. для виробництва діоксиду титану рутильної форми. Титансодержащая руда вступає в реакцію з хлорним газом при зниженому тиску, в результаті чого утворюється тетрахлорид титану TiCl4 і домішки хлоридів інших металів, які згодом видаляються. TiCl4 високого ступеня чистоти потім окислюють при високій температурі, в результаті чого утворюється діоксид титану.

Діоксид титану як оболочковый пігмент.

Результат помелу TiO₂ + наповнювач:

Оболочковый пігмент - композиційний матеріал, що складається з частинок оптично нейтрального наповнювача покритих шаром пігменту. Пігментний шар часто покривається захисною плівкою для поліпшення фізичних і хімічних характеристик.
Може бути отриманий за допомогою обробки в механоактиваторах частинок наповнювача спільно з пігментом-цветоносителем, хімічними модифікаторами та поверхнево-активними речовинами.
Склад білого оболонкового пігменту:
- наповнювачі: мінерали природного або штучного походження, наприклад - волластоном, кальцит;
- пігмент: оксид титану;
- захисний шар: оксиди кремнію, алюмінію, цирконію, церію та ін.
Застосування: Пігменти використовуються у лакофарбовій, будівельної, полімерної, гумотехнічної та інших галузях промисловості.

Області застосування.

Діоксид титану використовується у виробництві широкого кола товарів різного призначення.
- Виробництво лакофарбових матеріалів, зокрема, титанових білил - 57% від усього споживання (діоксид титану рутильної модифікації володіє більш високими пігментними властивостями - світлостійкістю, разбеливающей здатністю та ін), оскільки діоксид володіє відмінними фарбувальними властивостями. Це: фарби (глянцеві, матові і напівматові, силікатні, кремнійорганічні, порошкові, емульсійні і з наповнювачами для різноманітних будівельних, ремонтних і промислових робіт, друку), лаки та емалі, суміші та розчини для грунтовки, шпаклівки, штукатурки, цементування, а також поліуретанові і епоксидні покриття, у тому числі і для деревини. Діоксид, як і метал, білого кольору, тому він використовується в якості пігменту. Головне його достоїнство - нетоксичність і нешкідливість. Крім того, покриття набувають високу стійкість до впливу ультрафіолету, не жовтіють і практично не старіють.
- Понад 20% обсягу виробництва двоокису титану споживається для виготовлення пластичних мас і виробів на їх основі з високими термічними властивостями (наприклад, віконний пластик, різна меблі, предмети побуту, деталі автомобілів, машин і техніки), а також каучуку, лінолеуму і гуми. Тут він виступає в ролі наповнювача, забезпечуючи стійкість виробів і поверхонь до змін светопогоды, опір при зміні середовища, захист від агресивних факторів.
- Близько 14% використовується при виробництві паперу (білого, кольорового, просоченої), картону, шпалер. Діоксид титану відіграє важливу роль при пигментовании. Для додання папері гладкості, белости і високих властивостей при друку на поверхню наносять діоксид або його суміші з іншими пігментами.
За прогнозами найближчим часом найбільш високими темпами буде зростати споживання двоокису титану для виробництва ламінованих сортів паперу - приблизно на 5-6% в рік і пластмас - 4%. При цьому у виробництві л/до матеріалів приріст хоч і буде, але в меншій мірі - всього 1,8-2% в рік.

Інші області застосування діоксиду титану:
- Синтетичні волокна та тканини: для матування скрученого волокна.
- Косметика: для захисту від ультрафіолетової радіації в сонцезахисних кремах, для додання високого відбілюючого і укрывистостного заглушающего ефекту зубної пасти, мила і т. д.
- Харчова промисловість: для додання високого відбілюючого і укрывистостного ефекту продуктів, для захисту кольору та упаковки (пластик) продуктів від ультрафіолетового випромінювання.
- Фармацевтична промисловість: пігментний двооксид титану, високої хімічної чистоти, для додання високого відбілюючого і укрывистосного ефекту в фармацевтиці.
- Друкарська фарба: для підвищення стійкості покриттів до атмосферних впливів.
- Каталізатор: діоксид титану може бути використаний як каталізатор, як фотокаталізатора і як інертний базовий керамічний матеріал для активних компонентів.
- Нанотехнології: нанопорошки діоксиду титану, використання діоксиду титану для очищення повітря в містах, папір з нановолокна на основі діоксиду титану, воднева енергетика та ін.
- У виробництві гумових виробів, скляному виробництві (термостійке і оптичне скло), як вогнетрив (обмазка зварювальних електродів і покриттів ливарних форм), в косметичних засобах (мило тощо), у харчовій промисловості (харчова добавка E171).
Діоксид титану виступає в ролі наповнювача, забезпечуючи стійкість виробів і поверхонь до змін светопогоды, опір при зміні середовища, захист від агресивних факторів.

Діоксид титану (двоокис) знаходить широке застосування як пігмент у лакофарбовій промисловості (титанові білила), у виробництві паперу, синтетичних волокон, пластмас, гумових виробів, керамічних діелектриків, білої емалі, термостійкого та оптичного скла (в т. ч. для волоконної оптики), харчових продуктів, лікарських препаратів та косметичних виробів (помади, лаку для нігтів, тіні для повік тощо).
Двоокис титану входить до складу фарфорових мас, тугоплавких стекол, керамічних матеріалів з високою діелектричною проникністю.
Діоксид титану хімічної чистоти 99,9998% застосовується при виробництві оптоволоконних виробів, медичного обладнання, радіоелектронної промисловості. При виготовленні надчистих стекол діоксид служить еталоном чистоти. Також він незамінний при виробленні термостійкого та оптичного скла, як вогнетривке захисне покриття при зварювальних роботах. При виробництві кераміки діоксид використовується для надання максимальної белости черепку або ж емалі (ангобам).
Інші сфери використання: оберігання деревини (підвищення атмосферостійкості з допомогою оптичної фільтрації шкідливою для деревини сонячної радіації), наповнення гуми, скляних емалей, скла і скляної кераміки, электрокерамики, очищення повітря, зварювальні флюксы, тверді сплави, хімічні проміжні сполуки, матеріали, що містять діоксид титану, придатних для використання при високих температурах (наприклад, протипожежний захист печей з примусовою тягою), аналітична і досвідчена хроматографія рідин.
Окремо слід зазначити діоксид титану чистотою 99,999% марки ОСЧ 7-5 (ТУ-б-09-01-640-84), який застосовується як еталон чистоти, у виробництві оптично прозорих стекол, у волоконній оптиці, радіоелектроніці, для п'єзокераміки, у медичній промисловості і т. д. Це особливо чисте хімічна речовина, отримане методом термічного гідролізу.
Для задоволення різних потреб, описаних вище, TiO₂ застосовують у різних фракціях, чиї характеристики спеціально адаптовані для відповідного використання. Залежно від застосування, використовують кристали різних форм (рутил і анатаз), розмір часток, а так само не і/або органічну обробку поверхонь.

Використання діоксиду титану в лакофарбових матеріалах (ЛКМ).

Внаслідок дуже високої білизни тонкодисперсного діоксиду титану він знайшов широке застосування в якості білого пігменту у лакофарбовій промисловості. Серед його переваг: нетоксичність, високі оптичні характеристики (здатність до розсіювання світла), доступність, хімічна інертність, атмосферостійкість та ін. У далекому минулому залишилися фарби, що готуються з використанням цинкових або свинцевомістких білих пігментів.
Отже, основною функцією діоксиду титану у фарбах є надання їм білого кольору. Є, однак, у двоокису титану TiO₂ і конкуренти в цьому відношенні. Це, насамперед, крейда і мармуровий кальцит (CaCO₃). Обидва цих пігменту теж мають білий колір і за ціною більш доступні, ніж діоксид титану. Саме тому більшість фарб містить не один пігмент, а їх суміш.
У загальному випадку, чим більше діоксиду титану у фарбі, тим вона біліше, тим вище її щільність, але, зазвичай, і вище ціна порівняно з фарбою, де більше крейди або мармурового кальциту і менше діоксиду титану. У відповідній літературі можна зустріти рекомендації по частковій заміні двоокису титану на тальк і окис алюмінію. Втім, це теж компромісні рішення, що диктуються економічними міркуваннями.

Діоксид титану в харчовій промисловості.

Використання діоксиду титану в харчовій промисловості дуже багатогранно. Двоокис титану (Е171) можна використовувати практично в будь-яких продуктах, яким для естетичного вигляду необхідний білий колір у дозі 0,1 - 1%. Про сферах використання ми часто дізнаємося від наших клієнтів. Ось деякі з них: карамель, жувальна гумка, цукор пудра і рафінад, жаб'ячі лапки, курка, свинячі і яловичі мови, молочні поросята, борошно, тісто, цукрова глазур, джеми, молочні коктейлі, бринза, сироватка, молоко згущене, будь рибо і морепродукция і т. д.
Застосування в рибопереробної промисловості: використовується для відбілювання всіх сортів рибного фаршу, філе, напівфабрикатів, сурімі, паштетів та інших продуктів (наприклад кальмарів, м'яса криля, рибних відходів, крабових паличок тощо) при дозі від 0,1 до 1%, в залежності від ступеня відбілювання.
Фарбування фаршу:
Вноситься у фарш на початковому етапі, краще одночасно з фосфатами. У цьому випадку, крім вибілювання, фарш збереже вологу.
Фарбування філе:
Для відбілювання філе, його занурюють у водний розчин діоксиду титану. Дозування діоксиду титану 25-50 г на 100 кг обсягу (вода+сировина). До складу розсолу повинна входити сіль (в невеликій кількості). Час витримки в розсолі в середньому 20-30 хвилин. Для погано піддається відбілюванню сировини діоксид титану розвести в підходящої ємності невеликою кількістю води, добре перемішати, дати відстоятися 40-60 хвилин і злити надлишок води. Філе занурити в концентрований розсіл на 30-60 секунд, дати стекти надлишків розчину і злегка сполоснути в промивної ємності. Розчин придатний для багаторазового використання протягом декількох днів за умови додавання антисептиків, що перешкоджають розвитку мікрофлори.

Технології отримання діоксиду титану.

В залежності від специфіки будови кристалічної решітки діоксид титану в природі зустрічається в кількох модифікаціях: кубічна сингония (рутил), тетрагональная сингония (анатаз) і рідше - ромбічна сингония (брук). При добуванні в основному отримують модифікації анатаз і рутил двома методами: сульфатним або хлоридним.
Пігментний двооксид титану (TiO₂) проводиться з титановмісних концентратів хлоридним і сульфатним способами. За хлоридного способом (52% світових потужностей з виробництва діоксиду титану) рутил (природний або синтетичний і так званий «хлоридний» шлак) переводиться в тетрахлорид титану TiCl₄ хлоруванням в присутності нафтового коксу. В сульфатно процесі (48% світових потужностей) ільменітовий концентрат або титановий шлак розкладається сірчаною кислотою. Рутильний пігмент може виготовлятися будь-яким способом, в той час як анатазный пігмент може виготовлятися тільки сульфатним способом. У тетрахлоридном методі TiCl₄ або гідролізують до гідроксиду в рідкій фазі з наступною термообробкою випав осаду, або проводять гідроліз в парах води, або ж спалюють в струмі кисню.
Хлоридний метод простіше сульфатного. Існують три різновиди хлоридного методу отримання діоксиду. Сіль титану гідролізують у воді, а потім нерозчинний осад гідроксиду титану піддають термічному впливу для отримання оксиду титану. Можна проводити реакцію гідролізу за допомогою водяної пари та пари тетрахлоридной солі титану при температурі не нижче 1000 градусів, при цьому діоксид набуває властивості пігменту.
Третій спосіб полягає в спалюванні хлориду титану в кисневій атмосфері.
Найчастіше вихідним матеріалом для одержання двоокису титану сульфатним методом служить ільменіт - природна суміш різних оксидів, в основному четирехвалентного титану і тривалентного ферума. При хлоридно методі вихідною сировиною є хлоридна сіль четирехвалентного металевого титану. Ці два методи дозволяють добувати пігмент діоксид титану обох модифікацій.
Ильменитный метод полягає в обробці ільменітового концентрату сульфатною кислотою. Отриманий розчин сульфату титану (IV) очищають і обробляють розчином гідроксиду натрію, в результаті чого виходить осад гідроксиду титану (IV). Осад у подальшому піддають термообробці.
Сульфатний метод був впроваджений у виробництво в 1931 р., почавшись з випуску анатазній форми Ti02, а пізніше (1941) було освоєно виготовлення рутилу. При цій технології руда, що містить титан, розчиняється в сірчаній кислоті з утворенням розчину сульфату титану, заліза та інших металів. Потім в результаті виконання послідовності операцій, що включають хімічне відновлення, очищення, осадження, промивання та прожарювання, отримують проміжні фракції TiO₂ пігментного розміру. Кристалічна структура - анатазу або рутилу - контролюється на етапах освіти ядер кристалізації та подальшого прожарювання.
FeTiO₃ + 2H₂SO₄ → TiOSO₄ + FeSO₄ + 2H₂O TiOSO₄ + H₂O → TiO₂ + H₂SO₄.
Хлоридний метод був розроблений і впроваджений у виробництво компанією DuPont в 1948 р., коли почався випуск рутильної модифікації TiO₂. Даний технологічний процес побудований на двох високотемпературних безводних парофазных реакціях. В умовах відновлення титанова руда взаємодіє з газоподібним хлором з отриманням хлористого титану і побічних хлоридів інших металів, які згодом відокремлюються. Після цього пройшов тонку очистку TiCI₄ окислюється при високій температурі з отриманням проміжної двоокису титану високої яскравості. На етапі окислення в рамках хлорування є можливість жорстко контролювати розподіл частинок за розмірами, а також тип кристала, що дозволяє отримувати діоксид титану з відмінними показниками з покривною і разбеливающей здібностям.
2FeTiO₃ + 7CI₂ + ЗС → 2TiCI₄ + 2FeCI₃ + 3CO₂TiCI₄ + O₂ → TiO₂ + 2CI₂.
В обох технологічних процесах - сульфатно і хлоридно - проміжними продуктами є скупчення кристалів TiO₂пігментного розміру, які повинні бути розділені (размельчены) для отримання оптимальних оптичних характеристик. В залежності від вимог кінцевого користувача для модифікації TiO₂ використовуються різні методи обробки, включаючи осадження оксидів кремнію, алюмінію, цирконію або цинку на поверхню пігментних фракцій. З метою оптимізації робочих характеристик для конкретних застосувань можуть використовуватися спеціальні методи обробки оксидами у водних або безводних середовищах або їх різні комбінації. Крім того, за допомогою різних методів можуть наноситися органічні добавки з метою поліпшення окремих характеристик пігменту.
Найважливішим моментом для виробництва діоксиду титану є поставка титанової руди. Хоча титан входить в десятку найбільш поширених хімічних елементів на Землі, в природі поширений в дуже малих концентраціях. Так що для організації ефективної поставки титанової руди, яка змогла б задовольнити економічні потреби виробництва TiO₂, необхідно впроваджувати раціональні методи видобутку і збагачення цього мінералу.

Виробництво хлорне або сульфатное?

Пігменти двоокису титану виробляються за двома технологічними схемами: сульфатний і хлорний способи. Обидві, анатазная і рутильная форми діоксиду титану, можуть бути зроблені будь-яким із способів. Світові потужності з виробництва діоксиду титану хлорним способом перевищують потужності сульфатного, і продовжують рости. Відмінності в техпроцесі полягають в різних типах речовини для очищення титанової руди. При очищенні сірчаною кислотою (сульфатний процес), частинки домішок титанової руди утворюють з сірчаною кислотою солі, які складно надалі вичистити. При очищенні хлором відбувається згорання домішок і кінцевий продукт виходить більш білим при інших рівних умовах.

Виробництво ільменітового концентрату.

Вихідною сировиною при виробництві двоокису титану є ільменітовий концентрат. Ільменіт - це руда, яка з хімічної точки зору являє собою суміш оксидів, більшу частину з яких складають оксиди титану і заліза. Сульфатна технологія виробництва двоокису титану заснована на обробці ільменіту сірчаною кислотою.
1). Ільменіт подрібнюють, висушують, а потім розкладають в концентрованої сірчаної кислоті. Отриманий плав титанилсульфата охолоджують і розводять водою до певної концентрації. Потім відновлюють в розчині титанилсульфата тривалентне залізо до двовалентного. Отриманий розчин відстоюють і подають на чорну фільтрацію. У відфільтрованому розчині при охолодженні выкристаллизовывают залізний купорос і відокремлюють його від маточного розчину на центрифугах. Далі розчин титанилсульфата упарюють до стандартної концентрації і відправляють його на гідроліз.
Під час такого процесу, гідролізу, виділяються аморфні пластівці гідрату діоксиду титану. Отриману пульпу гідрату діоксиду титану піддають фільтрації в дві стадії, на яких здійснюється її відмивання від хромофорных домішок і відбілювання. Після додавання необхідних компонентів пасту гідрату діоксиду титану прожарюють в прокалочных печах. В процесі прожарювання відщеплюється гидратированная волога і отриманої діоксиду титану надаються пігментні властивості. Прожарений продукт подрібнюється в дві стадії і передається на поверхневу обробку. Поверхневу обробку ведуть певними хімічними речовинами для надання пигментному діоксиду титану визначених споживчих властивостей. Оброблений пігментний двооксид титану сушать і передають на микроизмельчение. Подрібнений готовий продукт упаковують і передають на склад.
2). Технологія виробництва складається з трьох етапів:
- Отримання розчинів сульфату титану (шляхом обробки ільменітових концентратів сірчаною кислотою). В результаті отримують суміш сульфату титану та сульфату заліза (II) і (III), останній відновлюють металевим залізом до ступеня окислення заліза +2. Після відновлення на барабанних вакуум-фільтрах відокремлюють розчинів сульфтов від шламу. Сульфат заліза (II) відокремлюють у вакуум-кристаллизаторе.
- Гідроліз розчину сульфатних солей титану. Гідроліз проводять методом введення зародків (їх готують облягаючи Ti(OH)₄ з розчинів сульфату титану гідроксидом натрію). На етапі гідролізу утворюються частинки гідролізату (гідратів діоксиду титану) володіють високою адсорбційною здатністю, особливо по відношенню до солей Fe3+, саме з цієї причини на попередній стадії тривалентне залізо відновлюється до двовалентного. Варіюючи умови проведення гідролізу (концентрацію, тривалість стадій, кількість зародків, кислотність тощо) можна домогтися виходу частинок гідролізату із заданими властивостями, в залежності від передбачуваного застосування.
- Термообробка гідратів діоксиду титану. На цьому етапі, варіюючи температуру сушіння і використовуючи добавки (такі, як оксид цинку, хлорид титану і використовуючи інші методи можна провести рутилизацию (тобто перебудову оксиду титану в рутильную модифікацію). Для термообробки використовують барабанні печі довжиною 40-60 м. При термообробці випаровується вода (гідроксид титану і гідрат оксиду титану переходять у форму діоксиду титану), а також діоксид сірки.

Виробництво з тетрахлориду титану.

Існують три основних методи отримання діоксиду титану з його тетрахлориду:
- Гідроліз водних розчинів тетрахлориду титану (з наступною термообробкою осаду);
- Парофазный гідролізу тетрахлориду титану (заснований на взаємодії парів тетрахлориду титану з парами води). Процес зазвичай ведеться при температурі 900-1000°C;
- Термообробка тетрахлориду (спалювання в струмі кисню).