Титан диоксиді – суда ерімейтін ақ ұнтақ, негізінен ақ бояғыш. Бұл өте қызықты зат, ең алдымен, оның кең қолданылуына байланысты. Сондықтан титан диоксидін өндіру әлемдік өнеркәсіптің маңызды құрамдас бөлігі болып табылады.

Әлемдегі титан диоксиді өндірісі

2000 жылдардың ортасында дүние жүзінде 4,2 миллион тонна титан диоксиді пайдаланылды. Бұл химиялық заттың ең ірі өндірушілері АҚШ пен Қытай болып табылады. Сонымен қатар, нарықтың үлкен үлесін Ұлыбритания, Жапония және Германия алады.

Титан диоксидін өндіру үшін құрамында титан бар кендер қолданылады:

• рутилдер (титан диоксидінің мөлшері — 93–96%);
• көріністерде (44-70%);
• лейкоксендер (90% дейін).

Титан кендерінің ең ірі кен орындары АҚШ, Үндістан, Австралия, Бразилия, Оңтүстік Африка және Кенияда орналасқан.

Титан диоксидін қолдану өрістері

Жоғарыда айтқанымыздай, титан диоксиді өнеркәсіп саласында кеңінен қолданылады. Оның ең үлкен пайдаланушылары:

• бояу және лак өнеркәсібі (жалпы пайдаланудың 59%). Бояулардағы титан диоксиді пигментінің орташа үлесі 25% құрайды;
• пластмасса өндірісі (20%);
• қағаз өндірісі (13%). Титан диоксиді пигмент ретінде пайдаланылады және бірте-бірте каолинді ауыстырады.

Табиғи каучук, жасанды талшықтар, косметика, линолеум, сылақ және цемент ерітінділерін өндіру жалпы титан диоксидін пайдаланудың салыстырмалы түрде аз бөлігін құрайды.

Ильменит көмегімен титан диоксидін өндіру

Ильменит көмегімен титан диоксиді өндірісін талқылайық. Оны ыңғайлы түрде бірнеше кезеңге бөлуге болады:

1. күкірт қышқылын пайдаланып ильмениттің ыдырауы;
2. титан сульфатының ерітіндісіне және ерімейтін тұнбаға — темір сульфатына бөлу;
3. титан сульфаты тұнбасын сүзу, булану, күйдіру;
4. дайын өнімді алу үшін қалпына келтіру — титан диоксиді.

Біріншіден, ильменитті күкірт қышқылымен әрекеттесу үшін дайындау керек. Ол үшін 1% аспайтын қалдық ылғалдылыққа дейін кептіріледі; одан әрі ондаған және жүздеген киловатт қуат тұтынатын энергияны үнемдейтін шар диірмендері арқылы ұнтақталған. Ұнтақталғаннан кейін титан концентраты бөлшектерінің дисперстік қабілеті 0,056 мм-ден аспауы керек. Үлкенірек бөлшектердің шағын үлесіне рұқсат етіледі: ол үздіксіз процесс үшін тек 0,1% және партиялық процесс үшін 2-5% құрайды.

Келесі кезең дерлік ұнтақты концентрат пен концентрлі күкірт қышқылын арнайы реакторларға беруді қамтиды. Дәл осы жерде ильменит 200 °C температурада ыдырайды.

Ильмениттің негізгі компоненттері — TiO2, FeO және Fe2O3 — күкірт қышқылымен әрекеттеседі. Нәтижесінде TiOSO4, FeSO4, Fe2(SO4)3 және су түзіліп, жылу бөлінеді. Дегенмен, 200 ° C температураны ұстап тұру үшін өндірілген жылу әлі де жеткіліксіз; осылайша, процесс қыздыру үшін қосымша энергия шығынын қажет етеді.

Ұнтақталған ильмениттің толық ыдырауы күкірт қышқылын жоғары тұтынуды талап етеді. Ыдырағаннан кейін сульфат қорытпасы алынады және пісіп жетілуі бір сағаттан үш сағатқа дейін созылады. Пісіп, 70 °C дейін салқындағаннан кейін сол реактордағы сульфат қорытпасы аздап қышқылдандырылған сумен шайылады, бұл титан сульфатының ерітіндіге айналуына әкеледі. Шаймалау бірнеше сағатқа созылады.

Содан кейін темір шойын және шойын үгінділері арқылы темір темірге дейін тотықсызданады; титан сульфаты ерітіндісінен механикалық қоспалар жойылады; темір витриолының қалдықтарын кетіру үшін ерітінділер кристалданады және центрифугаланады. Осыдан кейін вакуумды булану және күйдіру жүргізіледі. Салқындағаннан кейін алынған пигмент ұнтақталып, пакеттерге салынып, соңғы тұтынушыға жіберіледі.

Күкірт қышқылын пайдалана отырып, титан диоксидін өндіруге осы тәсілдің кемшіліктерін қорытындылайық:

• процестердің көп сатылы сипаты мен күрделілігі;
• жоғары энергия тұтыну;
• күкірт қышқылын шамадан тыс тұтыну;
• көп мөлшерде түзілетін қалдықтар, олардың кейбіреулері қауіп төндіреді (сұйылтылған гидролитикалық күкірт қышқылы және темір витриолы);
• титан шикізатының бір бөлігі өңделмеген күйінде қалады.

Ильменитті қолдану арқылы титан диоксиді өндірісінде құйынды қабат құрылғыларының келешегі

Аталған кемшіліктер титан диоксиді өндірісінің тиімділігін арттыру жолдарын іздеуді өзекті етеді. Осыған байланысты біз осы түрді енгізу мүмкіндігін талқылауды ұсынамы з құйынды қабат құрылғылары (АВС) технологиялық желілерде.

Құйынды қабат құрылғысы – бұл бір уақытта ұнтақтайтын, араластыратын, белсендіретін және химиялық реакцияларды тездететін әмбебап жабдық. Бұл әмбебаптық қалай мүмкін болды? Жауапты құрылғы дизайнын талдау арқылы табуға болады. Құйынды қабат құрылғысы айналмалы электромагниттік өріс индукторынан, индуктордың ішіне орналастырылған магнитті емес материалдан жасалған жұмыс камерасынан және бірнеше ондаған бірнеше жүзге дейінгі мөлшердегі ферромагниттік бөлшектерден тұрады. Ферромагниттік бөлшектердің мөлшері мен геометриялық өлшемдерінің қатынасы технологиялық процестің түріне байланысты және әрбір технологиялық процесс үшін әртүрлі болуы мүмкін.

Индуктор орамасына кернеу берілгеннен кейін жұмыс камерасында айналмалы электромагниттік өріс индукцияланады және осы өрістің әсерінен ферромагниттік бөлшектер қозғала бастайды және бір-бірімен және жұмыс камерасының қабырғаларымен соқтығысады. Нәтижесінде әрбір бөлшектің траекториясы күрделене түседі және осы траекториялардың жиынтығы құйынды қабат түзеді. Бұл құйынды қабатта өңделген заттарға қолайлы әсер ететін бірқатар процестер мен құбылыстар пайда болады. Оларға мыналар жатады:

• электромагниттік өріс әсері;
• ферромагниттік бөлшектердің соққы әсерлері;
• жоғары жергілікті қысым;
• ультрадыбыстық тербеліс;
• кавитация (сұйық ортада) және т.б.

Нәтижесінде АВС жұмыс камерасына түсетін заттар ұнтақталып, араласып, жаңа қасиеттерге ие болады. Ал химиялық реакциялар он және жүз есе жылдамдайды. Ильменит концентратын ұнтақтау қажеттілігіне, оның күкірт қышқылымен химиялық әрекеттестігіне және титан диоксиді өндірісінің ұзаққа созылуына байланысты АВС қолдану орынды болып көрінеді.

АВС көмегімен титан диоксидін алу — Эксперимент нәтижелері

Тәжірибе үшін әрқайсысының салмағы 150 грамм ильменит концентратының екі үлгісі алынды. Бұл үлгілер АВС-100 құйынды қабат құрылғысының жұмыс камерасында тиісінше 40 және 60 секунд ұнтақталды. Өңдеуден кейін екі үлгі де електен өтті. Нәтижелер 1-кестеде көрсетілген.

1-кесте – АВС-100 құйынды қабат құрылғысында ильменит концентратын ұнтақтау нәтижелері

Бастапқы үлгі, мм	Елеуіш (ұяшық), мм	Үлгі No1 (40 с өңдеу), електе % қалдық	Үлгі №2 (60 с өңдеу), електе % қалдық
4.4	0.2	0.1	0,0
30.5	0.1	0.4	0.1
63.6	0,05	1.9	0.4
1.5	0,05-тен аз	97.6	99.5

Алынған деректер көрсеткендей, үлгіні тиімді ұнтақтау үшін қырық секундтық өңдеу жеткілікті.

Ұнтақтаудан кейін үлгілер күкірт қышқылында ыдырайды. Декомпозицияны өңдеуге бірнеше секунд қажет болды. Осыдан кейін олар үлгілерді құрылғының жұмыс камерасынан шығармай, қажетті концентрацияға дейін сумен сұйылтылған.

Титан диоксиді өндірісіндегі құйынды қабат құрылғыларының артықшылықтары

Титан диоксидін өндіру процесінде АВС қолдану келесі артықшылықтарға ие:

• АВС жұмыс камерасында жүзеге асырылуы мүмкін бірнеше процестердің комбинациясы: ильменит концентратын ұнтақтау, күкірт қышқылымен ыдырату, сумен сұйылту. Бұл АВС диірмендер мен реакторларды ауыстырады дегенді білдіреді, бұл технологиялық желінің көлемін және оның алатын еден кеңістігін азайтуға көмектеседі.
• Құрылғының жұмыс камерасындағы интенсификациялаушы факторлардың әсерінен титан диоксидін алу процесінің жылдамдауы. Ильмениттің күкірт қышқылымен ыдырау реакциясы бірнеше секунд ішінде жүреді.
• Құрылғының жұмыс камерасындағы химиялық реакциялардың тезірек және толық жүруіне байланысты күкірт қышқылын үнемдеу.
• Электр энергиясын үнемдеу. Шарлы диірмендермен салыстырғанда АВС көп қуат тұтынбайды (үлгіге байланысты 4,5–9,5 кВт).
• АВС орнату үшін арнайы тұғырларды қажет етпейді және диірмен немесе реакторлардың орнына бар технологиялық желілерге оңай біріктіріледі.

Титан диоксидін өндіруге арналған технологиялық желілерге АВС енгізуге қатысты техникалық мамандарымыздан кеңес алу үшін веб-сайттың сәйкес бөлімінде қамтылған кейбір байланыс мәліметтерін пайдаланыңыз.