Способ получения диоксида титана

 

Изобретение относится к хлоридной технологии получения пигментного диоксида титана и может быть использовано в лакокрасочной промышленности, в производстве бумаги, искусственных волокон и пластмасс и т.п. Способ включает генерацию плазмы кислорода или кислородосодержащего газа с температурой 1300-3600°С в электродуговом генераторе плазмы. В плазменный поток вводят тетрахлорид титана в жидком состоянии. Проводят окисление тетрахлорида титана при понижении температуры продуктов реакции до 1000-1600°С, охлаждение образовавшихся продуктов реакции и отделение целевого продукта. Диоксид титана модифицируют введением паров трихлорида алюминия в зону дугового разряда генератора плазмы из расчета содержания оксида алюминия в целевом продукте 0,2-10,0 мас.%. Диоксид титана дополнительно модифицируют путем введения тетрахлорида кремния в плазменный поток из расчета содержания диоксида кремния в целевом продукте 0,1-1,0 мас.%. Дополнительно тетрахлорид кремния вводят в поток продуктов реакции. Температура тетрахлорида кремния не ниже 250°С. Количество берут из расчета содержания диоксида кремния в целевом продукте 0,5-10,0 мас.%. Результат изобретения – повышение качества диоксида титана путем модифицирования кристаллической структуры, размеров и поверхности частиц диоксида титана. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области химической технологии, а именно к хлоридной технологии получения пигментного диоксида титана, и может быть использовано в лакокрасочной промышленности, в производстве бумаги, искусственных волокон и пластмасс и т.п.

Из уровня техники известен способ получения диоксида титана, включающий генерацию плазмы кислорода или кислородосодержащего газа, введение в плазменный поток при температуре 1500-3500°С тетрахлорида титана в жидком состоянии, последующее окисление тетрахлорида титана при понижении температуры продуктов реакции до 1000-1600°С, охлаждение образовавшихся продуктов реакции и отделение целевого продукта (WО 97/19895 A, C 01 G 23/04, 1997).

Основным недостатком данного способа является отсутствие модифицирования диоксида титана в процессе его получения, причем отсутствие модифицирования структуры кристаллической решетки в процессе ее формирования не позволяет получать диоксид титана с высоким содержанием рутильной модификации при наличии в тетрахлориде титана примесей соединений кремния, ванадия или ниобия, снижающих содержание рутильной модификации в диоксиде титана, вследствие чего требуется глубокая очистка тетрахлорида титана от указанных примесей. Кроме того, отсутствие модифицирования размеров частиц не обеспечивает их оптимальный гранулометрический состав, а отсутствие модифицирования поверхности диоксида титана не позволяет получать продукт с высокой фотохимической активностью, что снижает долговечность лакокрасочных покрытий.

Известен также способ получения диоксида титана, включающий генерацию плазмы кислорода или кислородосодержащего газа, введение в плазменный поток при температуре 2500-3000°С тетрахлорида титана в жидком состоянии и металлического алюминия в виде суспензии порошка алюминия в тетрахлориде титана, последующее окисление тетрахлорида титана и алюминия в плазме, охлаждение продуктов реакции и отделение целевого продукта (RU №2160230/С1, C 01 G 23/07, 2000).

Способ включает модификацию кристаллической структуры частиц диоксида титана, что позволяет получать целевой продукт с высоким содержанием рутильной модификации при наличии в тетрахлориде титана примесей ванадия, ниобия или кремния, но при этом не происходит модифицирования размеров и поверхности частиц диоксида титана. Кроме того, введение в плазменный поток тетрахлорида титана с диспергированным в нем порошком алюминия приводит к затягиванию физико-химических процессов в зоне реакции и к образованию наростов на стенках реактора, что нарушает устойчивость работы реактора.

Наиболее близким к изобретению является способ получения диоксида титана, включающий генерацию плазмы кислорода с температурой 1300-6500°С в электродуговом генераторе плазмы, введение в плазменный поток тетрахлорида титана в жидком состоянии и паров трихлорида алюминия, последующее окисление паров хлоридов в плазме при понижении температуры продуктов реакции до 1000-1900°С, охлаждение образовавшихся продуктов реакции и отделение целевого продукта (FR №2187699 А, C 01 G 23/00, 1972; DE №2225794 А, C 01 G 23/04, 1972; СА №1008799 А, C 01 G 23/00, 1972).

Введение паров трихлорида алюминия позволяет модифицировать кристаллическую структуру частиц диоксида титана и получать целевой продукт с высоким содержанием рутильной модификации, однако при этом не решаются задачи модифицирования размеров и поверхности частиц диоксида титана.

Изобретение направлено на повышение качества диоксида титана, путем модифицирования кристаллической структуры, размеров и поверхности частиц диоксида титана.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения диоксида титана, включающем генерацию плазмы кислорода или кислородосодержащего газа с температурой 1300-3600°С в электродуговом генераторе плазмы, введение в плазменный поток тетрахлорида титана в жидком состоянии, последующее окисление тетрахлорида титана при понижении температуры продуктов реакции до 1000-1600°С, охлаждение образовавшихся продуктов реакции и отделение целевого продукта, при этом диоксид титана модифицируют путем введения паров трихлорида алюминия, отличающийся тем, что пары трихлорида алюминия вводят в зону дугового разряда генератора плазмы из расчета содержания оксида алюминия в целевом продукте 0,2-10,0 мас.%, причем диоксид титана дополнительно модифицируют путем введения тетрахлорида кремния в плазменный поток из расчета содержания диоксида кремния в целевом продукте 0,1-10,0 мас.%.

Кроме того, после модификации диоксида титана парами трихлорида алюминия и тетрахлоридом кремния в поток продуктов реакции дополнительно вводят тетрахлорид кремния при температуре последнего не ниже 250°С из расчета содержания диоксида кремния в целевом продукте 0,5-10,0 мас.%.

При этом тетрахлорид кремния в плазменный поток вводят в виде раствора в тетрахлориде титана.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что при введении паров трихлорида алюминия в зону дугового разряда генератора плазмы, где температура достигает нескольких тысяч градусов, оксид алюминия образуется в виде пара и аэрозоля жидких капель, которые являются более активными по сравнению с частицами оксида алюминия, образовавшимися в потоке плазмы вне зоны дугового разряда. Оксид алюминия в виде пара и капель аэрозоля является не только модификатором кристаллической структуры диоксида титана, но и, конденсируясь на поверхности частиц диоксида титана, повышает тем самым фотохимическую устойчивость диоксида титана.

Кроме того, при введении тетрахлорида кремния в плазменный поток и последующем окислении совместно с тетрахлоридом титана происходит модифицирование размеров частиц получаемого продукта улучшается гранулометрический состав частиц диоксида титана вследствие уменьшения среднего размера частиц и разброса их размеров, при этом также уменьшается слипаемость диоксида титана, то приводит к уменьшению налипания его на стенках аппаратуры.

Модификация поверхности частиц пигмента диоксидом кремния дополнительно к модифицированию этой поверхности оксидом алюминия, который вводят в поток продуктов реакции при температуре последнего не ниже 250°С как в жидком, так и газообразном состояниях, повышает фотохимическую стойкость и уменьшает слипаемость титанового пигмента.

Таким образом, реализация предложенного способа получения диоксида титана позволяет в одном процессе с окислением тетрахлорида титана и охлаждением продуктов реакции осуществить модифицирование кристаллической структуры, размеров и поверхности диоксида титана, что упрощает способ и снижает энергозатраты на получение модифицированного диоксида титана.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит двухструйный генератор плазмы, включающий катодный и анодный узлы 1, 2 и камеру 3, плазмохимический реактор 4, закалочную камеру 5, генератор 6 паров трихлорида алюминия, расходную емкость 7, насос 8, расходную емкость 9, теплоприемник 10 и блок отделения целевого продукта 11.

Способ получения диоксида титана осуществляется следующим образом.

Кислород (O₂) или кислородосодержащий газ попадают в катодный и анодный узлы 1, 2, откуда он поступает в камеру 3 генератора плазмы, где под действием электрической дуги нагревается до температуры 1300-3600°С с образованием плазменного потока. Электрическая дуга горит в каналах катодного и анодного узлов 1, 2 генератора плазмы и смыкается в камере 3. Газообразный трихлорид алюминия (АlСl₃) из генератора 6 паров трихлорида алюминия подают в камеру 3 в зону электрической дуги в количестве, определяемом из расчета содержания оксида алюминия в целевом продукте 0,2-10,0 мас.%.

Пар трихлорида алюминия получают, например, хлорированием алюминия или испарением кристаллического трихлорида алюминия. В камере 3 трихлорид алюминия окисляется до оксида алюминия (Аl₂О₃).

Оксид алюминия в виде пара и аэрозоля жидких частиц поступает в потоке плазмы в плазмохимический реактор 4, куда из расходной емкости 7 насосом 8 подают жидкий тетрахлорид титана (TiCl₄) с растворенным 1в нем тетрахлоридом кремния (SiCl₄), количество которого определяют из расчета содержания диоксида кремния в целевом продукте 0,1-1,0 мас.%. В реакторе 4 тетрахлорид титана распыляется в потоке плазмы на мелкие капли, которые под воздействием высокой температуры (1000-1600°С) плазмы испаряются. Пары тетрахлоридов титана и кремния взаимодействуют с кислородом при температуре 1000-1600°С, в результате чего образуются диоксиды титана (TiO₂) и кремния (SiO₂).

Молекулы оксидов титана и кремния конденсируются в частицы, при этом диоксид кремния растворяется в кристаллах диоксида титана. Наличие молекул диоксида кремния в кристаллической решетке диоксида титана приводит к улучшению гранулометрического состава титанового пигмента - уменьшению среднего размера и разброса размеров частиц.

Молекулы диоксидов титана и кремния конденсируются на частицах аэрозоля оксида алюминия, что способствует образованию кристаллов диоксида титана рутильной модификации. Растворимость оксида алюминия в кристаллах диоксида титана ограничена, и поэтому избыток оксида алюминия осаждается на поверхности частиц диоксида титана, тем самым модифицируя ее. Наличие на поверхности частиц диоксида титана слоя оксида алюминия повышает фотохимическую устойчивость титанового пигмента.

Из плазмохимического реактора 4 продукты реакций с температурой 1000-1600°С поступают в закалочную камеру 5, проходят в теплообменник 10, где охлаждаются и затем направляются в блок 11 отделения целевого продукта, где диоксид титана осаждается из пылегазового потока продуктов реакции, а газовая фаза (Cl₂) отводится для дальнейшего использования.

При производстве ряда марок титанового пигмента требуется дополнительное модифицирование поверхности диоксида титана диоксидом кремния. В этом случае из расходной емкости 9 подают тетрахлорид кремния в поток продуктов реакций при температуре последнего не ниже 250°С в количестве, определяемом из расчета содержания диоксида кремния в целевом продукте 0,5-10,0 мас.%. Тетрахлорид кремния окисляется в этом потоке с образованием диоксида кремния, который осаждается на частицах диоксида титана, модифицируя эту поверхность слоем диоксида кремния, что приводит к повышению фотохимической устойчивости титанового пигмента.

В таблице приведены основные режимные параметры примеров реализации предложенного способа.

Формула изобретения

1. Способ получения диоксида титана, включающий генерацию плазмы кислорода или кислородосодержащего газа с температурой 1300÷3600°С в электродуговом генераторе плазмы, введение в плазменный поток тетрахлорида титана в жидком состоянии, последующее окисление тетрахлорида титана при понижении температуры продуктов реакции до 1000÷1600°С, охлаждение образовавшихся продуктов реакции и отделение целевого продукта, при этом диоксид титана модифицируют путем введения паров трихлорида алюминия, отличающийся тем, что пары трихлорида алюминия вводят в зону дугового разряда генератора плазмы из расчета содержания оксида алюминия в целевом продукте 0,2÷10,0 мас.%, причем диоксид титана дополнительно модифицируют путем введения тетрахлорида кремния в плазменный поток из расчета содержания диоксида кремния в целевом продукте 0,1÷1,0 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно в поток продуктов реакции вводят тетрахлорид кремния при температуре последнего не ниже 250°С из расчета содержания диоксида кремния в целевом продукте 0,5-10,0 мас.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что тетрахлорид кремния в плазменный поток вводят в виде раствора в тетрахлориде титана.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2