Способ получения треххлористого титана
Владельцы патента RU 2707362:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева" (РХТУ им. Д.И. Менделеева) (RU)
Изобретение относится к получению треххлористого титана, используемого в качестве компонента активного покрытия анодов, катализатора в органическом синтезе, а также в процессах очистки воды. Способ получения треххлористого титана включает восстановление тетрахлорида титана металлом при нагревании. При этом в качестве исходного раствора берут 15-55 мас.% водные растворы тетрахлорида титана. Количество металла варьируют от 10 до 100% от стехиометрического. Процесс восстановления ведут при температуре 30 - 110°С. В качестве металла используют алюминий, железо или смесь металлических отходов процесса термической утилизации твердых коммунальных отходов. Обеспечивается снижение энергозатрат, упрощение аппаратурной схемы и повышение экологической и производственной безопасности. 1 з.п. ф-лы, 8 пр.
Изобретение относится к получению треххлористого титана, используемого в качестве компонента активного покрытия анодов, катализатора в органическом синтезе, а также в процессах очистки воды.
Известны способы получения треххлористого титана, включающие взаимодействие металлического титана с водным раствором соляной кислоты концентрацией при нагревании [Пат. РФ 2316475 02.02.2008; JP 080208227, опубл. 13.08.1996].
Недостатками известных способов являются технологические затруднения ведения процесса, сложность и дороговизна аппаратурного оформления, дорогостоящее сырье.
Известны способы получения хлоридов титана (II и III) (ст. Низшие хлориды титана, их свойства, получение и применение (обзор литературы и патентов). - В.Г. Гопиенко, Г.Н. Гопиенко. - Ж. Цветная металлургия. - 1964. -№4, стр. 26-29; ст. Разработка технологии получения и очистки титансодержащих расплавов с применением механического перемешивания. - Р.А. Сандлер, А.И. Гулякин, Д.С. Абрамов, Е.Н. Пинаев, Э.И. Яскеляйнен, Л.М. Бердникова, Г.С. Лукашенко, Б.А. Карпов. - Труды ВАМИ - Производство магния и титана, №83, Ленинград, 1972, стр. 94-98; ст. Разработка технологических основ процесса получения низших хлоридов титана. - С.В. Александровский, Л.М. Бердникова, А.И. Гулякин, Е.Н. Пинаев, Д.С. Абрамов. - Ж. Цветная металлургия, №12, 1977, - стр. 29-31; Пат РФ №: 2370445 от 20.10.2009), включающий подачу в герметичный реактор расплава хлоридов металлов, металлического титана (отход) и подачу тетрахлорида титана в реактор. Процесс ведут в инертной атмосфере хлориды титана извлекают из реактора отстаиванием или фильтрованием.
Недостатком данных способов является высокая стоимость сырья, сложность аппаратурной схемы, высокие энергетические затраты (расплав солей) и значительные количества трудноутилизируемого остатка (сброс в отвал).
Известны способы получения катализатора на основе треххлористого титана (Патент СССР 504496, кл. C08F 10/14, 1972; Патент США 4235745, кл. C08F 4/64, 1980; Патент США 4199474, кл. C08F 4/64, 1980; Патент РФ 2053841, кл. B01J 37/00, 1993), включающие восстановление тетрахлорида титана органическими соединениями.
Недостатками данных способов являются: большая длительность процесса синтеза; низкая стабильность катализатора при его хранении (температура хранения), высокая стоимость исходных реагентов.
Наиболее близким по технической сущности (прототип) и достигаемому результату является способ получения треххлористого титана, включающий обработку концентрированного тетрахлорида титана металлом (алюминий, магний, титан) при температуре от 200 до 900°С (Лучинский Г.П. Химия титана. - М.: Издательство "Химия", 1971. - 471 с.):
Недостатками данного способа являются сложное аппаратурное оформление процесса и высокие энергозатраты на нагрев реакционной смеси. Помимо этого концентрированный тетрахлорид титана не реагирует с металлическим железом даже при температуре каления.
Существенным недостатком прототипа является работа с концентрированным безводным тетрахлоридом титана, который при контакте с воздухом гидролизируются с образованием паров соляной кислоты (белый дым). Образование летучих ядовитых паров, обладающих высокой коррозионной активностью требует применения герметичных реакторов, а также дополнительных мер безопасности персонала.
Задачей данного изобретения является разработка технологии получения треххлористого титана со сниженными энергозатратами, упрощенной аппаратурной схемой и повышенной экологической и производственной безопасностью, который может быть использован в процессах очистки сточных вод.
Поставленная задача решается способом получения треххлористого титана, включающий восстановление тетрахлорида титана металлом при нагревании, при этом в качестве исходного раствора берут 15-55 мас.% водные растворы тетрахлорида титана, количество металла варьируют от 10 до 100% от стехиометрического, а процесс восстановления ведут при температуре от 30 до 110°С, а в качестве металла используют алюминий или железо, или смесь металлических отходов процесса термической утилизации твердых коммунальных отходов.
К основным достоинствам предлагаемого способа следует отнести пониженные температуры проведения процесса восстановления, снижение энергозатрат на нагрев реакционной смеси, а также значительное упрощение аппаратурной схемы процесса, за счет отказа от герметичных сосудов, работающих под высоким давлением и при высокой температуре. Помимо этого становится возможным использование металлических отходов процессов сжигания твердых бытовых отходов. Водные растворы тетрахлорида титана подвержены гидролизу в меньшей степени, а количество выделяемых паров соляной кислоты снижается в 100 и более раз.
Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами
Содержание треххлористого титана определяют по данным титрования полученного раствора сульфатом аммония-железа в присутствии индикатора роданида или метиленовой сини (Лучинский Г.П. Химия титана. - М.: Издательство "Химия", 1971. - 471 с; стр. 397).
ПРИМЕР №1
В водный раствор тетрахлорида титана (15 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,355 грамм алюминия в виде гранул (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 90°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 100 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 12,1%.
ПРИМЕР №2
В водный раствор тетрахлорида титана (55 мас.%) массой 50 грамм, вводят 1,3 грамма алюминия в виде стружки (100% от стехиометрии). Процесс восстановления ведут при постоянном перешивании в течение 120 минут при температуре 30°С. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 44,7%.
ПРИМЕР №3
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,71 грамма алюминия в виде порошка (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 80°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 60 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 24,4%.
ПРИМЕР №4
В водный раствор тетрахлорида титана (25 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,59 грамм алюминия в виде электротехнического лома (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 100°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 30 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 20,3%.
ПРИМЕР №5
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 2,21 грамма железа в виде лома (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 110°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 45 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 40,6%.
В сточные воды гальванического производства объемом 1 литр и содержанием соединений хрома (VI) - 3,2 мг/л вводят 0,25 мл полученного раствора. Эффективность удаления соединений хрома (VI) составляет 99,9%.
ПРИМЕР №5 (а)
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,95 грамма магния в виде стружки или лома (100% от стехиометрии). Процесс восстановления ведут при постоянном перешивании в течение 120 минут при температуре 70°С. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 40,6%.
В сточные воды гальванического производства объемом 2 литра и содержанием соединений хрома (VI) - 2,3 мг/л вводят 0,55 мл полученного раствора. Эффективность удаления соединений хрома (VI) составляет 99,4%.
ПРИМЕР №6
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,071 грамма алюминия в виде порошка (10% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 110°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 5 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 2,44%.
ПРИМЕР №7
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,355 грамма алюминия в виде порошка (50% от стехиометрии).
Реакционную смесь нагревают до 100°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 15 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 12,2%.
В сточные воды гальванического производства объемом 1 литр и содержанием соединений хрома (VI) - 19,2 мг/л вводят 2,0 мл полученного раствора. Эффективность удаления соединений хрома (VI) составляет 99,9%.
ПРИМЕР №8
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,75 смеси металлов (отход) термической утилизации твердых коммунальных отходов (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 80°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 60 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 24,2%.
В сточные воды гальванического производства объемом 1 литр и содержанием соединений хрома (VI) - 12,7 мг/л вводят 1,0 мл полученного раствора. Эффективность удаления соединений хрома (VI) составляет 99,8%.
Как видно из примеров технический результат от вышеперечисленного снижение температуры проведения процесса, упрощение аппаратурной схемы и возможность использования дешевого металлического сырья и повышение экологической и производственной безопасности за счет использования разбавленных растворов. При использовании предлагаемого изобретения возможно получение широкой линейки реагентов для процессов органического синтеза и процессов очистки сточных вод различного происхождения (в т.ч. гальваники).
Помимо этого была установлена возможность использования железа для восстановления тетрахлорида титана, что также отличает предполагаемый способ от прототипа.
1. Способ получения треххлористого титана, включающий восстановление тетрахлорида титана металлом при нагревании, отличающийся тем, что в качестве исходного раствора берут 15-55 мас.% водные растворы тетрахлорида титана, количество металла варьируют от 10 до 100% от стехиометрического, а процесс восстановления ведут при температуре от 30 до 110°С.
2. Способ получения треххлористого титана по п. 1, отличающийся чем, что в качестве металла используют алюминий, или железо, или смесь металлических отходов процесса термической утилизации твердых коммунальных отходов.
