钛白粉的生产与应用

钛白粉的生产与应用

钛白粉是目前世界上最有效的白色有机材料。具无毒、不透明、白度、光亮度、可着色、防老化等性能,在涂料、塑料、造纸、纺织、化学纤维等工业领域优势凸显;此外,在其他行业如化妆品、高级油墨中,钛白粉也有应用。1利用硫酸溶解钛铁矿的方法生产和验证商业用硫酸法生产钛白粉以来,生产工艺发展史如下:1911年世界第一个制取TiO2的法国人申请了专利;1916年硫酸法在挪威首次用于工业生产;1921~1923年用硫酸溶解钛铁矿在法国制取钛白并取得专利;同年,该国生产出TiO2质量分数为90%~99%的颜料级钛白;1925年美国铅业公司也用此法生产钛白,1942年生产出金红石型产品;1932年德国法本公司发表了第一个四氯化钛气相氧化法制钛白粉专利;1959年开发了杜邦法生产工艺;2002年盐酸法生产工艺在美国申请取得发明专利;目前,硫酸法和氯化法是主要的生产方法,而盐酸法还处于实验室研究阶段。2钛白粉的生产钛白粉的生产流程分三步:原料预处理、生产过程、产品后处理。2.1钛白粉颜料加工生产钛白粉的原料为钛矿,现具有经济开采利用的两种钛矿主要是岩矿、砂矿。多数钛矿在其适用于钛白粉颜料加工前,宜进行浓缩、富集等加工方法来提高TiO2在原料中的含量。重选、磁选、静电选等都是通常选矿的方法,进一步的加工是电炉冶炼成高钛渣和铁还原与化学处理生产人造金红石。2.2生产过程2.2.1水合二氧化钛的预处理。在进行煅烧后再调硫酸法所涉反应:酸解FeTiO3+2H2SO4=TiOSO4+FeSO4+2H2O;水解TiOSO4+3H2O=Ti(OH)4+H2SO4;煅烧Ti(OH)4=TiO2+2H2O首先用浓硫酸分解钛矿,制取可溶性的钛的硫酸盐。在酸解浸取、还原后的体系中,含有多种杂质。其中某些硫酸盐的可溶性杂质在结晶或水解、水洗的过程中可以除去。而那些未分解的钛矿、沙粒等多数不溶性杂质,靠重力作用来自然沉降除掉。另一部分不溶性杂质硅和铝的胶体化合物和那些早期水解了的钛,尽管数量较小,却具备很高的动力稳定性,宜加絮凝剂以强化沉降澄清。经净化沉降后的泥渣中还含有大量的可溶、不可溶性钛,为保证收率,要通过用板框压滤机压滤法回收其中大部分可溶解钛元素,不溶性钛和其他未溶解杂质作为废渣排掉。此时溶液中还有FeSO4,其溶解度受溶液温度影响大,因此降温结晶去除FeSO4。沉降后的钛液中还有一些肉眼看不到的悬浮杂质,这些杂质如不除去,将影响成品色相。故需进行精密过滤。利用板框压滤机,并以木炭粉(或者硅藻土、珍珠岩)为助滤剂进行压滤,利用木炭粉的强吸附作用进一步除去钛液中的不溶性杂质,以达净化。然后浓缩钛液,将浓度提高到水解所需指标,经水解将二氧化钛从液相重新转变为固相的过程。水解后的水合二氧化钛含有硫酸以及铁、铝、锰、铜、镍、钒、铅等离子,这些离子如果随着水合二氧化钛进入转窑,经过煅烧就生成相应氧化物,显示各种颜色,从而不同程度污染产品,故要水洗,将它们除去。因水洗后偏钛酸中某些杂质是以固体氢氧化高铁形式存在,致使白度和消色力下降,影响了钛白粉的光学性质,经漂白后,铁含量下降,同时还能消除偏钛酸中吸附的铬、铜、钒等有害物质,从而令制得的成品的白度及光泽有明显提高。偏钛酸在煅烧前加入添加剂为不同类型,以便在煅烧过程中,温度适当,内部变化平稳,使成品的二氧化钛具有相应的晶型、色相、光泽及较好的着色力及遮盖力,较低的吸油量和合适的晶粒大小、形状,以及在使用介质中良好的分散性。最后经煅烧把水合二氧化钛经过脱水、脱硫转变为锐钛型或金红石型二氧化钛。以价低易得的钛铁矿与硫酸为原料采用的硫酸法,目前技术还算成熟,设备简单,防腐蚀材料易得到。但流程长,只间歇操作为主,湿法操作硫酸、水等耗费大,副产品多,污染大,不利环保。2.2.2fec3+2ticl4+6co的合成主涉反应:氯化:TiO2+2C12+C=TiCl4+CO2;2FeTiO3+6C+7Cl2=2FeCl3+2TiCl4+6CO;氧化:TiCl4+O2=TiO2+2C12约以下四步:氯化;精馏;氧化;精馏提纯得到纯TiO2。氯化法流程短,易扩大生产能力,连续自动化程度高,能耗低,“三废”少,可得质优产品。但设备结构复杂、对材料要求高,装置不易维修、投资多,研究开发费力。2.2.3含钛萃取工艺2002年,盐酸法生产工艺发明专利为美国公司所申请。盐酸浸取钛铁矿,不溶的残渣被分离。铁元素从高价还原为低价,冷却结晶分离氯化亚铁;分离氯化亚铁后的含钛浸取液进行第一次溶剂萃取,萃取相为含钛和高铁的溶液,萃余相为含亚铁的水溶液,返回工艺用于再生盐酸,回到浸取工序;含钛的萃取相进行第二次萃取,萃取相是含钛水溶液,萃余相乃含高铁的水溶液,返回盐酸再生工序;经过萃取提纯后的氯化钛溶液进行水解,经喷雾加热水解得到偏钛酸,气相的盐酸和水返回盐酸再生系统。水解后的偏钛酸进行煅烧、湿磨、无机包膜、过滤洗涤、干燥、汽粉和包装。此工艺能生产纳米钛白粉、锐钛性和金红石型钛白粉。在冷却结晶分离出的氯化亚铁进行热解得到氧化铁固体,气体为氯化氢和水蒸气返回开始的浸取工序。其特征是盐酸循环使用,副产只产生氧化铁渣。3硫酸法和其他法我国硫酸法生产经过了几十年的实践探索,尽管也取得了较大的小有成效,但较国外依然存在着诸多差距。对此,高档金红石型钛白粉表现尤为凸显。现在从两方面来做比较:生产技术方面:国内采用十几年来沿袭的硫酸法,此法多用钛精矿,其存在生产规模小且分散、技术落后、产品质量不稳定、档次低等状况,造成能耗和生产成本的提高。少数厂家虽引进国外硫酸法钛白粉生产技术,但在工艺技术、生产设备、自动控制、“三废”治理等方面较国外先进技术水平而言还有一定差距。而国外以氯化法为主,大都采用高品位的酸溶性钛渣。