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新型钛白粉工艺
文章出处: 加拿大魁北克阿克斯钛业公司(Argex)  网责任编辑: 管理员  作者: 佚名  人气:2564 发表时间:[ 2014/9/18] 
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钛白粉生产已有100多年的历史。人们每天都在使用这种重要的白色颜料,因为它可用于油漆、塑料、食品和饮料、化妆品、纺织以及造纸等行业。2012年全球钛白粉的需求量为530万吨(北美地区人均约为8磅)。

作为颜料,钛白粉被分散到各种基料中,目的是散射和反射可见光。多年来,通过其折射率(RI),不同物质可实现光的反射——折射率越高,反射就越高。在行业里通常使用的白色颜料中,二氧化钛的折射率最高(表1)。可见光的散射为二氧化钛提供最重要的光学性能,包括遮盖率、亮度、光泽、色调(白度)和色相(彩色)、消色力(着色强度)、耐候性、耐久性以及耐磨性。

到目前为止,钛白粉的生产还是采用硫酸法工艺(1916年)或者氯化法工艺(1948年)。这两种工艺各有自己的优缺点。最近位于加拿大的阿克斯钛业公司(Argex)已从采矿企业(拥有Labrador矿资源)转型为一家现代化钛白粉生产商,采用公司开发的第三种钛白粉生产工艺——Argex技术(AT)。这种专有和专利的湿法工艺是使用溶剂提取(SX),即基于CTL溶剂提取技术。溶剂提取是一种冶金过程(液-液萃取),它是一种众所周知的分离化合物技术。多年以来,广泛应用于多种领域(如铀生产)。


AT工艺(Argex技术工艺) 

在AT工艺中,用酸过滤钛铁矿,接着用第一种溶剂提取,去除铁;然后,用第二种溶剂提取,去除二氯氧钛(TiOCl2),获得一种含钛的透明溶液。水解该透明溶液,无杂质和污染物,从而得到纯的二氧化钛。与硫酸法工艺相比,在AT工艺中颜料水洗步骤变得更加简单有效(图1)。

用价格低廉、可用的二氧化钛给料作为原材料,其由常规矿石供应商提供(如钛铁矿),也可使用采矿业的“尾矿”(成本更低),这些原材料是其它工艺不能使用的。作为一种经济有效的工艺,AT对环境很有益,因为高效节能、不使用高压或高温和氯气,该工艺也是封闭操作的,且惰性尾矿非常少,也易于回收处理。所有的副产品纯度都很高、在各行各业(如水处理)中再利用都很容易。AT工艺是代表了环境可持续发展的新技术,同时改善了钛白粉生产工艺的碳排放量。

当前在阿克斯工厂正在开展这种有效的工艺,在魁北克的Sala-berry-de-Valleyfield进行连续生产。

首个50000吨的生产装置也将在这里进行投建。利用褐地(Brownfield)的现有工业基础设施可以节省时间和大量的资本支出,以及接纳新增的钛白粉生产模块,并为今后的扩张打下基础。靠近主要港口、铁路和高速公路等基础设施为海陆运输原材料和商品提供便利。该地区早已青睐湿法冶金和化学法加工工业,接近盐酸的生产产地,毗邻天然气供应站和魁北克水电公司(Hydro Quebec)的Beauharnois发电站,同时接近蒙特利尔特鲁多(Trudeau)国际机场,使新工厂占尽天时地利。瓦利菲尔德(Valleyfield)工厂将于2015年初投入运营,并于2015年上半年开始投产。

AT工艺制备纯金红石型钛白粉

氯化法工艺始于在焦炭存在下,在流化床中于1000°C左右对矿物进行氯化处理。焦炭是一种含碳量很高杂质很少的原料,通常由煤炭制得。它是由低灰、低硫生煤通过分解蒸馏衍生出的固体含碳物。

硫酸法工艺是通过溶液(黑液)水解,沉淀出二氧化钛,该黑液的制备是过滤含硫酸和其它少量金属(特别是铬、钒和铁)的钛铁矿(FeTiO3),这些金属会影响产品的颜色,使产品带有黄色相(图2)。

这两种工艺在获得最终固体二氧化钛粒子前都含有少量的杂质。这些杂质会影响颜料的形态、粒径和色调。通过两种溶液萃取步骤,AT可以从透明溶液中沉淀出无杂质的二氧化钛(图3)。

这三种钛白粉生产工艺有很大的差异。AT工艺在质量和成本上都有很大改善,它也是最理想的环保工艺(表2)。

从AT工艺中获得的性能

可以通过参数,如遮盖力(不透明度)、亮度和色调来表征白度。在涂料中,如果二氧化钛能完全分散于基体中的话,这些性能将能被很好地开发出来。

遮盖力主要取决于光散射。通常人眼能看到400~700nm的波长。通常眼睛适应的最高灵敏度约为555nm。当粒子的直径只有入射波长的一半时,波长散射变得更有效。二氧化钛达到最有效的散射率时的平均粒径约为0.28μm。其它主要参数包括:粒子设计(越球形越好)以及粒度分布(粒度分布越窄越好)。

通过AT工艺,经过两种溶液萃取后,从纯二氯氧钛溶液中获得了二氧化钛粒子。在二氧化钛晶格沉淀中没有其它金属离子杂质,如铁、铬、钒。因此这能更好地控制粒子大小的设计和分布。

亮度主要取决于颜料的纯度。因为AT工艺中的两种溶液萃取步骤,通过该工艺获得钛白粉颜料比氯化法或硫酸法工艺生产的颜料含更少的有色微量元素。

色调可以看作是颜料的身份。必须要考虑两个特性:色调(白色),其取决于粒径平均值的多少;色相(灰色),取决于粒径的分散。当分散于彩色颜料的浆料中时,所得颜色可以不同,这取决于钛白粉的批次,因为更短和更长的波长分散是不一样的。具有越粗粒径分布的钛白粉优先分散红色和绿色波长,而更细粒径分布的钛白粉对蓝色波长有更好的分散性。

因为带浅蓝色相的灰色更入人们的法眼,微黄色相具有褪色外观,因此浅蓝色相的钛白粉是首选。但是,我们必须记住:含浅蓝色相钛白粉的细微粒径的分布将会导致对更长波长的散射能力的丧失,这意味着总遮盖力或不透明度的降低。

在当前氯化法和硫酸法工艺中,逐批次的二氧化钛粒子很少相同,有时具有不同的色相。而AT工艺及其专有的溶剂萃取步骤更易控制粒径分布。

表面处理

获得纯的并且分布很好的二氧化钛粒子,这是必须的,但这还不够——尤其是在涂料行业,因为纯二氧化钛粒子需要有一定的表面处理,如有机处理来改善基料的流动性和分散性;无机处理来改善稳定性和耐光性(耐久性)。

颜料分散是优先考虑的事。在不充分的分散中,即使是最好的颜料也不能显示出其自身的光学性能。理论上,所有的颜料都能很好地分散——只是时间或化学助剂的使用问题。但是,这将会增加成本。

作为一家新的钛白粉生产商,我们没有改变现有装置和表面处理方法,但我们的材料将推出最新的技术,如氧化铝加上密集外壳的二氧化硅或锆。这一技术正在与PPG工业合作研发之中。

将会很快推出三个颜料系列:RGX™ 100 系列:可用于化妆品、食品、医药和造纸的未处理金红石型二氧化钛;RGX™ 200 系列:塑料用处理过的金红石型二氧化钛;RGX™  300 系列:涂料用处理过的金红石型二氧化钛。

结语

如今,钛白粉工业面临着巨大的变革和挑战。硫酸法工艺首次工业生产已经过去一个世纪了,而氯化法工艺的产生也已经有60年的历史,AT工艺为该行业带来了新的面貌。在原材料使用、成本效益以及环保方面具有更好的适应性,阿克斯(Argex)将为市场提供能更好满足当前和未来行业需求的钛白粉。而作为主要的终端用户和分销商的NDAs,则会有更多的合作和购买合同。

如需更多详情,请登录www.argex.ca。

 

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