Titanium Dioxide là một trong những vật liệu vô cơ thiết yếu nhất mà ngành công nghiệp hiện đại tiêu thụ. Nó được sử dụng rộng rãi trên thế giới và là sản phẩm thương mại chính của ngành sản xuất Titan. Titanium Dioxide được sản xuất và sử dụng như thế nào? Chúng tôi sẽ thảo luận về nó trong bài viết này cùng với các khía cạnh liên quan khác.

Titanium Dioxide tinh khiết (TiO2) là một chất rắn kết tinh không màu. Khi được đun nóng, các tinh thể của nó chuyển sang màu vàng và khi làm mát, chúng trở lại trạng thái không màu.

Titanium Dioxide được sản xuất dưới hai dạng: Rutile (loại R) và Anatase (loại A).

Rutile Titanium Dioxide

Tán xạ ánh sáng tốt hơn khoảng 30% so với Anatase và có khả năng che phủ tốt hơn (Sử dụng che phủ màu của bề mặt được sơn).

Rutile Titanium Dioxide được ưa chuộng trong sản xuất sơn, chất phủ, nhựa và mỹ phẩm.

Dạng Anatase

Khả năng chịu được điều kiện thời tiết, khí hậu và chống bức xạ UV kém hơn Rutile. Các sắc tố Anatase được ứng dụng trong sản xuất giấy, cao su và xà phòng.

Sử dụng Titan tùy thuộc vào tính chất

Thông thường phần lớn (khoảng 95%) các loại Titan Dioxide được sản xuất ra dùng để làm sơn và lớp phủ.

Sản phẩm sử dụng Titan Dioxide nổi bật bởi khả năng phân tán, cũng như khả năng chịu nhiệt và hóa chất, khả năng làm trắng, khả năng chống chịu với điều kiện thời tiết, chỉ số khúc xạ cao, v.v. Các tính chất này phụ thuộc vào kích thước của các hạt nguyên liệu thô và được cải thiện đáng kể nhờ cấu trúc nano của chúng.

Trong ngành sơn và lớp phủ, chức năng chính của TiO2 là tạo cho sơn tăng trắng và độ sáng, đồng thời tăng khả năng che phủ. Nó cũng bảo vệ chống lại các tia cực tím có hại và ngăn ngừa mất màu và ố vàng trên bề mặt sơn.

Titan Dioxide là một chất ổn định (là chất ổn định nhất trong số tất cả các chất tạo trắng đã biết). Nó không bay hơi và không hòa tan trong axit, kiềm và dung dịch trong điều kiện bình thường.

Titan Dioxide là chất lưỡng tính, nghĩa là nó có tính chất kiềm và axit (mặc dù nó phản ứng với axit đậm đặc). Nó thể hiện tính ổn định hóa học cao đối với nhiều hợp chất khác nhau, bao gồm cả những hợp chất độc hại có trong môi trường. Do tính trơ của nó, Titanium Rutile không độc hại và thường được coi là một chất rất an toàn. Nó có thể tiếp xúc với các sản phẩm đóng gói và thậm chí được sử dụng làm chất tạo màu thực phẩm ở một số nồng độ nhất định.

Nó thậm chí có thể đi vào cơ thể dưới dạng khí dung thông qua việc hít phải hoặc nuốt phải. Nó không bắt lửa.

Các đặc tính cụ thể của Titanium Rutile khiến nó trở nên không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, góp phần vào sự phát triển nhanh chóng của thị trường Titanium Rutile toàn cầu.

Thị trường sản xuất bột màu Titan Rutile trên thế giới.

Nhu cầu về Titan Rutile trên thị trường toàn cầu rất cao và dự kiến ​​sẽ tiếp tục tăng. Ngoài ra, nhu cầu về bột màu vô cơ trên toàn thế giới cũng không ngừng tăng. Theo ước tính của các chuyên gia, trong những năm gần đây, bột màu Titan Rutile chiếm 65-70% tổng lượng bột màu vô cơ tiêu thụ và hơn 90% lượng bột màu trắng tiêu thụ.

Năm 2021, thị trường Titan Rutile ước tính đạt hơn 6 triệu tấn và dự kiến ​​từ năm 2022 đến năm 2027, thị trường sẽ chứng kiến ​​tốc độ tăng trưởng trung bình hàng năm trên 6%. Trong ngắn hạn, nhu cầu tăng nhanh từ ngành sơn và chất phủ sẽ là động lực chính thúc đẩy tăng trưởng thị trường Titan Rutile.

Bột màu Titan Rutile được sản xuất tại 15 quốc gia, trong đó 33% công suất sản xuất nằm ở Hoa Kỳ. Ngoài ra, gần 40% sản lượng nằm ở Trung Quốc, Ukraine, Đức, Vương quốc Anh, Phần Lan, Ả Rập Xê Út, Nhật Bản, Pháp, Úc và các quốc gia khác.

Phân bố sản lượng Titan Rutile toàn cầu như sau: 

Trung Quốc có năng lực sản xuất Titanium Rutile lớn nhất, sản xuất khoảng 3 triệu tấn mỗi năm.

Các nhà sản xuất lớn nhất thế giới là các công ty sau: DuPont Titanium Technologies (Hoa Kỳ), National Titanium Rutile Co., Ltd. Cristal (Ả-rập Xê-út), Huntsman Pigments (Hoa Kỳ), Tronox, Inc. (Hoa Kỳ), Kronos Worldwide, Inc. (Hoa Kỳ), Sachtleben Chemie GmbH (Đức; Rockwood Holdings sở hữu 100% cổ phần), Ishihara Sangyo Kaisha, Ltd. (Nhật Bản). 

Nguyên liệu thô để sản xuất bột màu Titan Rutile

Một khía cạnh quan trọng của quy trình sản xuất Titan Rutile là nguồn cung cấp quặng Titan chất lượng cao. Mặc dù Titan là một trong những nguyên tố hóa học dồi dào nhất của Trái đất, nhưng nó lại có nồng độ tự nhiên không đủ. Do đó, để thiết lập nguồn cung cấp quặng Titan đủ đáp ứng nhu cầu của sản xuất TiO2, điều cần thiết là phải triển khai các phương pháp khai thác và tinh chế hợp lý khoáng chất này.

FeTiO3

Nguyên liệu thô chính trong quy trình sản xuất Titan Rutile là ilmenit cô đặc (FeTiO3), được sản xuất bằng cách khai thác và chế biến. FeTiO3 là một loại quặng, xét về mặt hóa học, là hỗn hợp các oxit, phần lớn là Titan và oxit sắt.

Xỉ Titan

Nguyên liệu thô quan trọng thứ hai cho quy trình sản xuất tio2 là xỉ Titan, chứa 75-90% TiO2 và 5-7% FeO.

Ứng dụng của Titan Rutile.

Do độ trắng rất cao và kích thước hạt mịn, Titan Rutile đã được ứng dụng rộng rãi như một chất tạo trắng trong ngành sơn và chất phủ. Ưu điểm của nó là không độc hại, tính chất quang học cao (khả năng tán xạ ánh sáng), tính khả dụng, tính trơ về mặt hóa học, khả năng chống chịu với điều kiện khí quyển, v.v. Đã qua rồi cái thời sơn được tạo ra bằng chất tạo trắng có chứa kẽm hoặc chì.

Ngành sơn và chất phủ

Đây là ngành chính sử dụng Titan Rutile. Nhưng không phải là ngành cuối cùng.

TiO2 được sử dụng rộng rãi như một chất tạo trắng trong ngành bột giấy và giấy để sản xuất sợi tổng hợp, sản phẩm cao su, nhựa, kính chịu nhiệt và quang học, chất điện môi gốm, v.v. 

Các ứng dụng của Titan Rutile ngoài sản xuất bột màu như sau:

Sản xuất các sản phẩm sợi quang

Titan Rutile, với độ tinh khiết hóa học là 99,9998%, được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm sợi quang, thiết bị y tế và ngành công nghiệp điện tử vô tuyến. Trong sản xuất kính siêu tinh khiết, Titan Rutile đóng vai trò là chuẩn tinh khiết.

Sợi tổng hợp và hàng dệt

Để làm mờ sợi xoắn.

Mỹ phẩm

Để bảo vệ chống lại tia cực tím trong kem chống nắng, để tăng hiệu quả làm trắng của kem đánh răng, xà phòng, v.v.

Ngành công nghiệp thực phẩm

Để tăng hiệu quả làm trắng trong các sản phẩm, để bảo vệ màu sắc của bao bì sản phẩm (nhựa) khỏi tia cực tím.

Ngành công nghiệp dược phẩm

Để tăng hiệu quả làm trắng trong các sản phẩm dược phẩm.

Sơn in

Để tăng khả năng chống chịu thời tiết của lớp phủ.

Chất xúc tác

Chất xúc tác quang và vật liệu nền gốm trơ cho các thành phần hoạt tính.

Công nghệ nano

Bột nano titan rutile được sử dụng để lọc không khí trong thành phố, sản xuất giấy sợi nano dựa trên TiO2, trong năng lượng hydro, v.v.

Sản xuất các sản phẩm cao su

Sản xuất vật liệu chịu lửa

Phủ điện cực hàn và phủ khuôn đúc. 

Công nghệ sản xuất Titan Rutile

Trên thực tế, sắc tố Titan Rutile phân tán cao được sản xuất bằng phương pháp sunfatee (axit sunfuric) và chloride.

Phương pháp sunfatee dựa trên quá trình phân hủy các tinh quặng ilmenit chứa 45-56% TiO2 hoặc xỉ Titan có hàm lượng 75-80% TiO2, sau đó chuyển đổi Titan sunfatee thành Rutile.

Phương pháp chloride bao gồm quá trình clo hóa các tinh quặng Rutile tự nhiên, xỉ Rutile tổng hợp hoặc xỉ Titan có hàm lượng TiO2 từ 85% trở lên, cũng như các xỉ đặc biệt đã trải qua quá trình xử lý bổ sung và chứa hơn 92% TiO2.

Xem xét các đặc điểm cụ thể của cả hai quy trình sản xuất TiO2, tiêu chí chính để lựa chọn giữa phương pháp sunfatee và chloride là khả năng cung cấp nguyên liệu thô có chất lượng phù hợp và các vấn đề liên quan đến môi trường.

Cả hai phương pháp đều giúp thu được các sản phẩm chất lượng cao với các đặc tính giống hệt nhau.

Sự phân bố công nghệ sản xuất giữa các nhà sản xuất trên toàn thế giới là 45% theo phương pháp sunfatee và 55% theo phương pháp chloride.

Các giai đoạn chính của quá trình sản xuất TiO2 bằng phương pháp sunfate và chloride được trình bày trong bảng.

Phương pháp sunfate (axit sunfuric) để sản xuất TiO2

Phương pháp sunfate được áp dụng trong công nghiệp vào năm 1931 để sản xuất dạng Anatase của Titan và sau đó, vào năm 1941, để sản xuất dạng Rutile. Trong phương pháp này, nguyên liệu thô ban đầu – tinh quặng ilmenit hoặc xỉ Titan – được hòa tan trong axit sunfuric, tạo ra dung dịch titan, sắt và các kim loại sunfate khác. Sau đó, TiO2 cơ bản với kích thước hạt cần thiết được hình thành sau một loạt các biến đổi công nghệ, bao gồm khử hóa học, tinh chế, kết tủa, rửa và nung. Cấu trúc tinh thể (dạng Anatase hoặc Rutile) được kiểm soát trong quá trình hình thành hạt và nung.

Phương trình mô tả phương pháp sunfate của quy trình Titan Rutile:

FeTiO3 + 2H2SO4 → TiOSO4 + FeSO4 + 2H2O TiOSO4 + H2O → TiO2 + H2SO4.

Sơ đồ quy trình sản xuất TiO2 bằng phương pháp sunfate (với ilmenit làm nguyên liệu) 

Sơ đồ quy trình sản xuất Titan Rutile bằng phương pháp sunfate (sử dụng xỉ Titan làm nguyên liệu thô). 

Phương pháp chloride để sản xuất TiO2

Phương pháp chloride được phát minh vào năm 1950 để sản xuất dạng Rutile của TiO2.

Phương pháp chloride chuyển đổi Rutile (tự nhiên hoặc tổng hợp) hoặc xỉ Titan thành Titan tetrachloride (TiCl4) thông qua quá trình clo hóa. Bất kỳ tạp chất nào của chloride kim loại khác sau đó đều được loại bỏ. Phương trình sau đây mô tả phương pháp chloride để thu được TiO2:

2FeTiO3 + 7CI2 + ЗС → 2TiCI4 + 2FeCI3 + 3CO2TiCI4 + O2 → TiO2 + 2CI2.

Hoạt động quan trọng nhất trong quá trình sản xuất TiO2 bằng phương pháp chloride là đốt cháy Titan tetrachloride. Quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ từ 900-1000°C bằng đầu đốt có thiết kế đặc biệt.

Phản ứng đốt cháy Titan tetrachloride như sau:

TiCl4 + O2 = TiO2 + 2С12.

Clo được giải phóng có thể được đưa trở lại quy trình sản xuất để thu được Titan tetrachloride.

Ba phương pháp chính để thu được Titan Rutile từ Titan tetrachloride:

• Thủy phân dung dịch nước của Titan tetrachloride (sau đó xử lý nhiệt trầm tích);

• Thủy phân pha hơi của Titan tetrachloride (dựa trên sự tương tác của hơi Titan tetrachloride với hơi nước). Quy trình này thường được thực hiện ở nhiệt độ 900-1000°C;

Xử lý nhiệt tetrachloride (đốt trong luồng oxy).

Các sắc tố titan thu được bằng cách đốt cháy titan tetrachloride có thể chứa tới 0,6% clo hấp phụ. Dung dịch nước của sản phẩm như vậy có độ pH dưới 7 và không phù hợp để sản xuất sơn. Có thể giải hấp clo khỏi sắc tố bằng cách đun nóng ở nhiệt độ 300-900 °C. Nồng độ clo giảm xuống 0,1% trong quá trình này. Một sản phẩm như vậy phù hợp để sản xuất sơn và men nhưng cần xử lý bề mặt bằng hợp chất silicon và nhôm để thu được sắc tố chất lượng cao hơn.

Phương pháp chloride có tính chọn lọc và khắt khe về nguyên liệu thô. Do sử dụng clo và nhiệt độ cao nên cần thiết bị chống ăn mòn. 

Đặc điểm so sánh của hai phương pháp sản xuất Titan Rutile

Trong cả hai quy trình công nghệ – sunfate và chloride – các sản phẩm trung gian là sự tích tụ của các tinh thể TiO2 có kích thước sắc tố, cần được tách (nghiền) để đạt được các đặc tính quang học tối ưu.

Tùy thuộc vào yêu cầu của người dùng cuối, nhiều phương pháp xử lý khác nhau được sử dụng để biến đổi TiO2, bao gồm lắng đọng các oxit silic, nhôm, zirconi hoặc kẽm lên bề mặt của các phân đoạn sắc tố.

Ưu điểm của phương pháp chloride:

• Chất lượng TiO2 cao;

• Giảm số lượng công đoạn sản xuất và chất thải so với phương pháp sunfate.

Nhược điểm của phương pháp chloride:

• Yêu cầu cao về nguyên liệu thô – sử dụng các chất cô đặc Rutile tự nhiên, xỉ Rutile hoặc Titan tổng hợp có hàm lượng TiO2 từ 85% trở lên làm nguyên liệu thô, cũng như xỉ đặc biệt đã trải qua quá trình xử lý bổ sung và chứa hơn 92% TiO2;

• Sản xuất cực kỳ phức tạp với clo và cần phải có biện pháp ngăn ngừa thất thoát clo;

• Sự phức tạp của việc sản xuất và tái chế chloride sắt và tạp chất có trong xỉ;

• Nhu cầu cấp thiết phải sử dụng thiết bị làm bằng vật liệu chống ăn mòn đắt tiền.

Ưu điểm của phương pháp sunfate:

• Chất lượng của thành phẩm không kém hơn chất lượng sản phẩm được sản xuất bằng phương pháp chloride (bằng cách sử dụng các giải pháp công nghệ hiện đại ở giai đoạn rửa tạp chất tạo màu từ TiO2 ngậm nước);

• Sản xuất “không” chất thải – khả năng tái chế hoàn toàn tất cả chất thải sản xuất thành các sản phẩm có thể bán được trên thị trường. Ngày nay, việc xử lý chất thải sau phương pháp sunfate khá tinh vi. Tại một số nhà máy, doanh số bán sản phẩm thu được từ chất thải sản xuất tương đương với doanh số bán sản phẩm thương mại;

• Thiết bị, công nghệ rẻ hơn so với việc áp dụng phương pháp chloride để sản xuất TiO2.

Nhược điểm của phương pháp sunfate:

• Ảnh hưởng của tạp chất tạo màu đến các chỉ tiêu chất lượng thành phẩm;

• Không thể sử dụng Rutile tự nhiên (hoặc nhân tạo) làm nguyên liệu thô;

• Sử dụng các tinh quặng ilmenit đã biến tính và biến tính nhẹ làm nguyên liệu thô.

Kết luận

1. Titan Rutile là một trong những vật liệu vô cơ được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp hiện đại, là sản phẩm thương mại chính của ngành công nghiệp Titan.

2. Sản xuất bột màu Titan Rutile có lợi nhuận kinh tế và khả thi về mặt công nghệ. Sản xuất Titan Rutile là một ngành kinh doanh đáng tin cậy, bởi vì trong thế giới hiện đại, nhu cầu về bột màu vô cơ không ngừng tăng lên và thị trường Titan Rutile toàn cầu đang phát triển nhanh chóng.

3. Nguyên liệu thô chính để sản xuất Titan Rutile là quặng ilmenit cô đặc và xỉ Titan, chứa 75-90% TiO2 và 5-7% FeO.

4. Lĩnh vực ứng dụng chính của bột màu Titan Rutile như một loại bột màu trắng là ngành công nghiệp sơn và vecni. Các ứng dụng khác cũng rộng rãi và quan trọng không kém.

5. Trong thực tế thế giới, bột màu Titan Rutile phân tán cao được sản xuất bằng hai phương pháp - sunfate (axit sunfuric) và chloride. Cả hai phương pháp đều cho phép bạn thu được sản phẩm chất lượng cao với các đặc tính giống hệt nhau.

6. Tiêu chí chính để lựa chọn giữa phương pháp sunfate và chloride là khả năng đảm bảo sản xuất bằng nguyên liệu thô có chất lượng phù hợp và đáp ứng các yêu cầu về môi trường.