Titaanidioksidi

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Titaanidioksidi

Titanium(IV) oxide.jpg

Tunnisteet
CAS-numero 13463-67-7
Ominaisuudet
Molekyylikaava TiO2
Moolimassa 79,9
Ulkomuoto Valkoinen jauhe
Sulamispiste 1 855 °C
Kiehumispiste 2 500–3 000 °C
Tiheys 3,9–4,3 g/cm³
Liukoisuus veteen Ei liukene veteen
Titaanidioksidin valmistuksessa syntyy sivutuotteena ferrisulfaattia. Sitä ja sen prosessoitua muotoa ferrisulfaattia voidaan käyttää jätevedenpuhdistuksessa, mutta tuotteen markkinat ovat liian pienet suhteessa valmistusmääriin. Niinpä tuotetta jää yli ja esimerkiksi Porin titaanidioksiditehtaalla Suomessa sitä kerätään kuvan tapaisiin kasoihin tehtaan pihalle. Kasoja yritetään maisemoida jäteveden ylijäämälietteellä.

Titaanidioksidi eli titaanivalkoinen (titaani(IV)oksidi, TiO2) on ominaisuuksiltaan hyvin kestävä ja monipuolinen yhdiste.

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Titaanidioksidi (TiO2) on hyvin inertti, myrkytön valkoinen yhdiste, jonka moolimassa on 79,90. Sen taittokerroin on erittäin korkea (2,6–2,9) minkä takia sitä käytetään maaleissa, papereissa ja muoveissa lisäämään niiden peittokykyä. Titaanidioksidipigmentit ovat parempien ominaisuuksiensa vuoksi syrjäyttäneet lyijypohjaiset pigmentit ja TiO2 onkin ominaisuuksiensa takia tuotetuin epäorgaaninen väriaine. Esimerkiksi maalien painosta on usein yli 20 % titaanipigmenttiä.[1]

Titaanidioksidin moolimassa on 79,9 g/mol, sulamispiste 1 855 °C, kiehumispiste 2 500–3 000 °C, tiheys 3,9–4,3 g/cm³ ja CAS-numero 13463-67-7.

Käyttö ja muodot[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Vuonna 1994 valmistetusta titaanipigmentistä käytettiin 59 % pinnoitteina ja maaleina, 20 % muovien lisäaineena, 13 % paperin lisäaineena ja 8 % muuhun käyttöön. Väriaineen lisäksi titaanidioksidia käytetään esimerkiksi katalysaattoreissa voima- ja teollisuuslaitoksilla, UV-suojana aurinkovoiteissa sekä elektrokeraamisissa tuotteissa.[2]

TiO2 esiintyy kolmessa eri kidemuodossa: tetragonisina rutiilina ja anataasina sekä harvinaisena rombisena brookiittina. Teollisuudessa valmistetaan rutiilia ja anantaasia, joiden valmistustavat sekä käyttötarkoitukset ovat erilaiset. Termodynaamisesti rutiili on vakain kidemuoto: jos anantaasia lämmitetään yli 700 °C lämpötilaan, sen kiderakenne muuttuu pysyvästi rutiiliksi.[3]

Rutiili on titaanidioksidin kidemuodoista tihein ja kovin. Sen tiheys on 4,21 g/cm3 ja kovuus Mohsin asteikolla 6,5 – 7,0 kun anantaasin tiheys on 4,06 g/cm3 ja kovuus 5,5.[4]

Titaanipigmenttejä tuotetaan kahdella eri prosessilla: sulfaattiprosessilla ja kloridiprosessilla. Sulfaattiprosessissa raakamateriaali hajotetaan rikkihapon avulla 150–220 °C lämpötilassa. Prosessissa syntyvä titaanidioksidihydraatti saostetaan ja sen epäpuhtaudet poistetaan jatkoprosesseissa. Kloridiprosessissa raakamateriaalit reagoivat kloorin kanssa 700–1200 °C lämpötilassa, ja syntyy titaanitetrakloridia. Se tislataan muista klooriyhdisteistä ja sitten sitä poltetaan 900–1400 °C lämpötilassa, jolloin muodostuu puhdasta TiO2:ta. Molemmissa prosesseissa puhdasta titaanidioksidia vielä muokataan sen käyttötarkoituksen mukaan. Titaanipigmenttilaatuja eri tarkoituksiin onkin yli 400.[5]

TiO2-tuotanto vuosittain.[6]
Sulfaattiprosessi Kloridiprosessi Yhteensä
Vuosi kt/a Prosenttiosuus
tuotannosta
kt/a Prosenttiosuus
tuotannosta
kt/a
1965 1254 90,3 135 9,7 1389
1970 1499 77,4 437 22,6 1936
1977 1873 72,3 716 27,7 2589
1988 1781 60,2 1178 39,8 2959
1995 1481 46,0 1739 54,0 3220
2000 (arvio) 1540 40,0 2310 60,0 3850

Valmistus[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Puhtaan titaanioksidin valmistusreaktio keksittiin 1908 ja sen teollinen valmistus alkoi Norjassa vuonna 1916.[7] Titaanidioksidia voidaan valmistaa sulfaatti- tai kloridiprosessilla. Kloridiprosessia käytetään kun raaka-aineena on rutiilimineraali ja sulfaattiprosessia kun raaka-aine on esimerkiksi ilmeniitti. Esimerkiksi Porin titaanidioksiditehtaalla Suomessa jalostetaan slagia ja ilmeniittiä, jolloin käytetään sulfaattiprosessia.[8] Titaanidioksidin sulamispiste on noin 1 800 °C ja se reagoi yli 500 °C lämpötilassa kloorin kanssa muodostaen titaanitetrakloridia kun hiiltä on läsnä.[9]

Kloridiprosessissa titaanimineraalit muutetaan titaanitetrakloridiksi ja siitä titaanidioksidiksi tai titaanimetalliksi. Kloridimenetelmä on uudempi kuin sulfaattimenetelmä ja se saastuttaa vähemmän, mutta se vaatii raaka-aineekseen paljon titaanidioksidia sisältävän malmin (yli 70 %). Jotkut tehtaat ovat kuitenkin onnistuneet tuottamaan kloridiprosessin kautta titaanidioksidia myös muuttuneesta ilmeniitistä, jonka titaanidioksidipitoisuus on noin 60 %. Joka tapauksessa tätä tuotantotapaa käyttävien tehtaiden pääraaka-aine ei ole ilmeniitti.[10]

Sulfaattimenetelmässä TiO2 tiivistetään malmista rikkihapon avulla monimutkaisessa prosessissa. Tässä prosessissa ei raaka-aineelta vaadita korkeaa titaanidioksidipitoisuutta, mutta sen jätteet ovat ympäristömyrkkyjä, ellei niitä neutraloida. Itse asiassa tässä prosessissa raaka-aineet, joissa on korkea titaanidioksidipitoisuus, eivät ole reaktiokykyisiä. Yleensä sulfaattiprosessia käyttävien titaanipigmenttitehtaiden käyttämän ilmeniittiraaka-aineen titaanidioksidipitoisuus on 45–60 %.[11]

Ilmeniittiä ja muita matalan TiO2-pitoisuuden raaka-aineita voidaan muokata niin, että niitä voidaan käyttää hyväksi kloridiprosessissa. Tämä voidaan tehdä siksikin, että puhtaampi raaka-aine vähentää sulfaattiprosessissa syntyvien jätteiden määrää.[12]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  • Force, E. 1991. Geology of titanium-mineral deposits. Geological Society of America. 259, 112 s.
  • Güther, V., Sibum, H., Roidl, O., Habashi, F., & Wolf, H. 2005. Titanium, Titanium Alloys, and Titanium Compounds. Teoksessa: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley InterScience. 29 s.
  • Griebler, W. D., Kischkewitz, J., Liedekerke, M., Westerhaus, A., & Woditsch, P. 2006. Pigments, Inorganic. Teoksessa: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley InterScience. 77 s.
  • Murphy, P. & Frick, L. 2006. Titanium. Teoksessa: Industrial minerals & rocks: commodities, markets, and uses. Kogel, J. (Toim.) SME., 987-1003.
  • Seppälä, E. 1999. Lujalla maalla. Kemira Oy 1945–1980. Kemira. ISBN 951-97173-4-X. 362 s.

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Force 1991, Griebler et al. 2006
  2. Griebler et al. 2006
  3. Murphy & Frick 2006
  4. Griebler et al. 2006
  5. Griebler et al. 2006
  6. Griebler et al. 2006
  7. Güther et al. 2005
  8. Seppälä 1999
  9. Griebler et al. 2006
  10. Force 1991
  11. Force 1991
  12. Force 1991

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tämä kemiaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.