EN
RUSДиоксид Титана
Что такое диоксид титана?
Диоксид титана — это простой оксид титана, который добывается из минералов природного происхождения, а именно ильменита, рутила и анатаза. Очищенный от природных минеральных форм, диоксид титана имеет порошкообразный белый цвет. В основном он используется в качестве пигмента в красках, а также является распространенным ингредиентом в чернилах, солнцезащитных кремах и пищевых красителях.
Какова химическая формула диоксида титана?
Диоксид титана имеет химическую формулу TiO2.
На самом деле он не встречается в природе в чистом виде. Вместо этого он обычно встречается в сочетании с другими соединениями, например, в магматических породах или в виде рутила он часто встречается в кристаллах кварца.
Природные минералы рутила могут содержать до 10 % железа, а также значительное количество ниобия и тантала. Рутил — самый распространенный источник диоксида титана в природе. Более редкими полиморфами этого соединения являются анатаз, акаогит и брукит.
Полиморфы имеют одинаковую химическую формулу, но разную кристаллическую структуру. Например, рутил имеет тетрагональную кристаллическую форму, а брукит — орторомбическую. Орторомбическая — это кристаллическая структура с тремя неравными осями, расположенными под прямым углом. Между тем тетрагональные формы имеют кристаллические решетки, которые образуются при растяжении кубической решетки вдоль одного из ее векторов решетки. При таком расположении куб превращается в прямоугольную призму, у которой основание и высота являются квадратами.
Каковы области применения диоксида титана?
Экономический спрос на диоксид титана в основном основан на его свойствах как пигмента и блокатора ультрафиолетовых лучей. Он добывается и перерабатывается в качестве ингредиента для различных продуктов, в основном связанных со следующими областями применения:
- Пигмент: Впервые TiO2 был массово получен в 1916 году для производства пигментов. Благодаря своему белому цвету он полезен для придания продуктам непрозрачности и используется в красках, покрытиях, пластмассах, бумаге, чернилах, продуктах питания и даже лекарствах. В качестве пигмента для красок он получается идеально белым благодаря кристаллической структуре частиц диоксида титана.
- Солнцезащитный крем: TiO2 используется в качестве ингредиента в солнцезащитных кремах, поскольку он способен блокировать ультрафиолетовые лучи солнца, а ультрафиолетовое излучение отражается от его частиц.
- Тонкое отражающее покрытие: Высокий коэффициент отражения TiO2 делает его отличным преломляющим оптическим покрытием, когда он наносится в виде тонкой пленки, например, на диэлектрические зеркала и оптику.
- Косметика: Высокий коэффициент преломления кристаллов TiO2 также обеспечивает блеск при нанесении макияжа и губной помады. TiO2 также используется для придания белого оттенка пудрам и хайлайтерам, при этом добавляя небольшой уровень защиты от солнца.
- Керамические глазури: Кристаллическая структура TiO2 обуславливает его высокий коэффициент преломления и белый блестящий цвет. Это делает его идеальным материалом для керамической глазури.
Безопасен ли диоксид титана?
Международное агентство по изучению рака назвало диоксид титана возможным канцерогеном для человека. В результате некоторые страны начали рассматривать возможность запрета на использование этого соединения во многих продуктах, в частности в пищевых красителях, косметике и зубных пастах.
Однако важно отметить, что выводы IARC основаны на весьма специфических данных, полученных на животных моделях. У подопытных крыс, подвергшихся воздействию частиц пигмента, содержащего это соединение, развился рак дыхательных путей. Это говорит о том, что TiO2 определенно может выступать в качестве канцерогена, однако убедительных мета-исследований на людях пока не проводилось.
Вреден ли диоксид титана?
Диоксид титана, как правило, безопасен в небольших количествах, если его не употреблять внутрь или не вдыхать. Краски и другие вещества, которые затвердевают после высыхания, представляют очень низкий риск. Долгосрочные исследования показывают, что нет никаких профессиональных опасностей, связанных с этим веществом.
Считается, что наибольшую опасность TiO2 представляет, когда его частицы имеют наноразмер. Продукты питания и другие товары, например косметика, содержат небольшое количество наноразмерных частиц TiO2. В таком состоянии частицы имеют тенденцию связываться вместе, образуя частицы большего размера, что дает им возможность накапливаться. Однако Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) признало диоксид титана безопасным при использовании в качестве пищевой добавки.
Как производится диоксид титана?
Впервые диоксид титана был массово произведен в качестве пигмента в 1916 году. Наиболее распространенным минеральным сырьем является ильменит. Рутиловый минеральный песок также может быть переработан для получения чистой формы соединения. Однако наиболее распространенным методом производства является хлоридный процесс, который используется для отделения титана от его руды:
TiO2 + C → Ti + CO2
Ti + 2Cl2 → TiCl4
TiCl4 + O2 → TiO2 + 2Cl2
Сульфатный процесс также используется на некоторых перерабатывающих предприятиях для получения пигмента в кристаллической форме. Этот же процесс позволяет извлечь соединение и получить анатазную форму диоксида титана. Анатаз, метастабильная минеральная форма TiO2, обычно используется в бумаге, чтобы сделать ее цвет более белым.
Сульфатный процесс производства диоксида титана состоит из нескольких этапов:
Титановая руда, обычно ильменит, растворяется в серной кислоте с образованием титанилсульфата (TiOSO4).
Затем сульфат титана подвергается гидролизу, в результате чего образуется нерастворимый и гидратированный TiO2.
Твердый TiO2 нагревается в кальцинаторе, чтобы испарить воду и разложить серную кислоту.
После охлаждения твердый продукт превращается в белые кристаллы.
Перерабатывающим предприятиям, использующим сульфатный процесс для производства TiO2, необходимы концентраты минералов ильменита. Если они недоступны, можно провести предварительную обработку других подходящих источников титана. Сначала из ильменита извлекают железо, обрабатывая его серной кислотой. В результате получается минерал рутил, который подвергается дальнейшей обработке в зависимости от предполагаемого использования, например, для получения пигмента.
Ильменит также можно перерабатывать по методу Бехера. При этом минерал окисляется, чтобы отделить железную составляющую. Ильменит, как и другие источники титана, может быть обработан элементарным хлором с получением тетрахлорида. Затем вводится кислород для регенерации хлора и окончательного образования диоксида титана.
По оценкам, мировое производство TiO2 в основном обусловлено спросом на белый пигмент. Мировое производство диоксида титана пигментного качества оценивается в среднем в 5,3 метрических тонны в год. В 2014 году мировой объем производства этого соединения в различных его видах и сферах применения превысил девять миллиардов тонн.
Рука в перчатке, держащая порошкообразный диоксид титана
Наиболее распространенным методом производства диоксида титана является хлоридный процесс
Является ли диоксид титана металлом?
Хотя диоксид титана содержит металл, он не является металлом. На самом деле это тип минерала с различными формами, встречающийся в природе в магматических и метаморфических породах вместе с другими минералами.
Основным признаком того, что это вещество не является металлом, является то, что оно не обладает общими характеристиками других металлов, такими как электропроводность или ковкость. Кроме того, металлы всегда находятся в элементарной форме, а диоксид титана не встречается в природе как элемент, его приходится добывать из таких минералов, как ильменит и рутил.