Titanyum dioksit suda çözünmeyen beyaz bir tozdur, temel olarak beyaz bir boyadır. Her şeyden önce geniş uygulama alanı nedeniyle çok ilginç bir maddedir. Bu nedenle titanyum dioksit üretimi küresel endüstrinin önemli bir bileşenidir.

Dünyada titanyum dioksit üretimi

2000’li yılların ortalarında dünya çapında 4,2 milyon ton titanyum dioksit kullanıldı. Bu kimyasalın en büyük üreticileri ABD ve Çin’dir. Ayrıca İngiltere, Japonya ve Almanya da büyük pazar paylarına sahiptir.

Titanyum dioksit üretiminde titanyum içeren cevherler kullanılır:

• rutil (titanyum dioksit içeriği — %93-96);
• tezahürlerde (%44-70);
• lökoksenler (%90’a kadar).

En büyük titanyum cevheri yatakları ABD, Hindistan, Avustralya, Brezilya, Güney Afrika ve Kenya’da bulunmaktadır.

Titanyum dioksit uygulama alanları

Daha önce de belirttiğimiz gibi titanyum dioksit endüstriyel sektörde yaygın olarak kullanılmaktadır. En büyük kullanıcıları şunları içerir:

• boya ve vernik endüstrisi (toplam kullanımın %59’u). Boyalardaki titanyum dioksit pigmentinin ortalama oranı %25’tir;
• plastik üretimi (%20);
• kağıt üretimi (%13). Titanyum dioksit pigment olarak kullanılır ve yavaş yavaş kaolinin yerini alır.

Doğal kauçuk, suni elyaf, kozmetik, linolyum, sıva ve çimento harçlarının üretimi, genel titanyum dioksit kullanımının nispeten küçük bir kısmını oluşturur.

İlmenit kullanılarak titanyum dioksit üretimi

İlmenit kullanarak titanyum dioksit üretimini tartışalım. Uygun bir şekilde birkaç aşamaya ayrılabilir:

1. ilmenitin sülfürik asit kullanılarak ayrıştırılması;
2. titanyum sülfat çözeltisine ve çözünmeyen çökeltiye – demir sülfata ayırma;
3. titanyum sülfat çökeltisinin filtrasyonu, buharlaştırılması, kalsinasyonu;
4. bitmiş ürünü elde etmek için azaltma – titanyum dioksit.

Öncelikle ilmenit sülfürik asitle reaksiyona girecek şekilde hazırlanmalıdır. Bu amaçla, kalan nem içeriği %1’i aşmayacak şekilde kurutulur; daha sonra onlarca, yüzlerce kilowatt güç tüketen, enerji verimliliği düşük bilyalı değirmenler aracılığıyla öğütülür. Toz haline getirme işleminden sonra titanyum konsantresi parçacıklarının dağılma yeteneği 0,056 mm’den büyük olmamalıdır. Daha büyük parçacıkların küçük bir kısmına izin verilir: Bu, sürekli bir işlem için yalnızca %0,1 ve toplu bir işlem için %2-5’tir.

Bir sonraki aşama, neredeyse toz halindeki konsantrenin ve konsantre sülfürik asidin özel reaktörlere beslenmesini içerir. İlmenitin 200 °C sıcaklıkta ayrıştığı yer burasıdır.

İlmenitin ana bileşenleri – TiO2, FeO ve Fe2O3 – sülfürik asitle reaksiyona girer. Sonuç olarak TiOSO4, FeSO4, Fe2(SO4)3 ve su oluşur ve ısı açığa çıkar. Ancak üretilen ısı, sıcaklığı 200 °C’de tutmak için hala yeterli değildir; dolayısıyla proses ısıtma için ilave enerji tüketimi gerektirir.

Öğütülmüş ilmenitin tamamen ayrışması, yüksek miktarda sülfürik asit tüketimini gerektirir. Ayrıştırmadan sonra bir sülfat alaşımı elde edilir ve olgunlaşması bir ila üç saat sürer. Olgunlaştırılıp 70 °C’ye soğutulduktan sonra, aynı reaktördeki sülfat alaşımı hafif asitlendirilmiş su ile süzülür, bu da titanyum sülfatın bir çözeltiye dönüştürülmesiyle sonuçlanır. Süzme işlemi birkaç saat sürer.

Daha sonra ferrik demir, dökme demir ve demir talaşları vasıtasıyla demirli demire indirgenir; titanyum sülfat çözeltisinden mekanik yabancı maddeler uzaklaştırılır; demir vitriol kalıntılarını çıkarmak için çözeltiler kristalleştirilir ve santrifüjlenir. Bundan sonra vakumlu buharlaştırma ve kalsinasyon gerçekleştirilir. Elde edilen pigment soğutulduktan sonra öğütülerek torbalara paketlenir ve son kullanıcıya gönderilir.

Sülfürik asit kullanılarak titanyum dioksit üretimine yönelik bu yaklaşımın dezavantajlarını özetleyelim:

• süreçlerin çok aşamalı doğası ve karmaşıklığı;
• yüksek enerji tüketimi;
• aşırı sülfürik asit tüketimi;
• büyük miktarlarda üretilen ve bazıları tehlike oluşturan atıklar (seyreltilmiş hidrolitik sülfürik asit ve demir vitriol);
• titanyum ham maddesinin bir kısmı işlenmeden kalır.

İlmenit kullanılarak titanyum dioksit üretiminde girdap katmanlı cihazların beklentileri

Listelenen dezavantajlar, titanyum dioksit üretiminin verimliliğini arttırmanın yollarını aramayı anlamlı kılmaktadır. Bu bağlamda, bu tür bir uygulamanın tanıtılma olasılığını tartışmayı öneriyoruz girdap katmanı cihazları (AVS) teknolojik hatlarda.

Bir girdap katmanı cihazı, kimyasal reaksiyonları aynı anda öğütebilen, karıştırabilen, aktive edebilen ve hızlandırabilen çok yönlü bir ekipmandır. Bu çok yönlülük nasıl mümkün oldu? Cevap, cihaz tasarımı analiz edilerek bulunabilir. Bir girdap katmanı cihazı, dönen bir elektromanyetik alan indüktöründen, indüktörün içine yerleştirilmiş manyetik olmayan malzemeden yapılmış bir çalışma odasından ve birkaç düzineden birkaç yüz parçaya kadar miktardaki ferromanyetik parçacıklardan oluşur. Ferromanyetik parçacıkların miktarı ve geometrik boyut oranı teknolojik prosesin türüne bağlıdır ve her teknolojik proses için farklı olabilir.

İndüktör sargısına voltaj uygulandıktan sonra çalışma odasında dönen bir elektromanyetik alan indüklenir ve bu alandan etkilenerek ferromanyetik parçacıklar hareket etmeye ve birbirleriyle ve çalışma odası duvarlarıyla çarpışmaya başlar. Sonuç olarak, her bir parçacığın yörüngesi karmaşık hale gelir ve bu yörüngelerden oluşan bir dizi, bir girdap tabakası oluşturur. Bu girdap katmanında, işlenmiş maddeler üzerinde olumlu etkiye sahip olan bir dizi süreç ve olay ortaya çıkar. Bunlar şunları içerir:

• elektromanyetik alan etkisi;
• ferromanyetik parçacıkların darbe etkileri;
• yüksek yerel basınçlar;
• ultrasonik titreşimler;
• kavitasyon (sıvı bir ortamda), vb.

Bunun sonucunda AVS çalışma odasına giren maddeler öğütülmekte, karıştırılmakta ve yeni özellikler kazanmaktadır. Ve kimyasal reaksiyonlar on ve yüz kat hızlandırılır. AVS’nin kullanımı, ilmenit konsantresinin öğütülmesi ihtiyacı, sülfürik asit ile kimyasal etkileşimi ve titanyum dioksit üretiminin uzun süresi nedeniyle makul görünmektedir.

AVS kullanarak titanyum dioksit üretimi – Deney sonuçları

Deney için her biri 150 gram ağırlığında iki adet ilmenit konsantresi numunesi alındı. Bu numuneler AVS-100 vorteks katman cihazının çalışma odasında sırasıyla 40 ve 60 saniye öğütüldü. İşlemden sonra her iki numune de bir elekten geçirildi. Sonuçlar Tablo 1’de gösterilmektedir.

Tablo 1 – AVS-100 girdap katman cihazında ilmenit konsantresinin öğütülmesinin sonuçları

İlk numune, mm	Elek (hücre), mm	Numune No.1 (40 saniyelik işlem), elekte kalan yüzde	Numune No.2 (60 sn. işlem), elekte kalan %’lik kısım
4.4	0,2	0,1	0,0
30.5	0,1	0,4	0,1
63.6	0,05	1.9	0,4
1.5	0,05’ten az	97.6	99.5

Elde edilen verilerden de görüldüğü gibi numunenin etkili bir şekilde öğütülmesi için yalnızca kırk saniyelik bir işlem yeterlidir.

Numuneler öğütüldükten sonra sülfürik asitte ayrıştırılmıştır. Ayrıştırmanın işlenmesi birkaç saniye sürdü. Daha sonra numuneler cihazın çalışma odasından çıkarılmadan gerekli konsantrasyona kadar su ile seyreltildi.

Titanyum dioksit üretiminde girdap katmanlı cihazların avantajları

AVS’nin titanyum dioksit üretimi sürecinde uygulanması aşağıdaki avantajlara sahiptir:

• AVS’nin çalışma odasında gerçekleştirilebilecek çeşitli proseslerin kombinasyonu: ilmenit konsantresinin öğütülmesi, sülfürik asitle ayrıştırılması, suyla seyreltilmesi. Bu, AVS’nin değirmenlerin ve reaktörlerin yerini alması anlamına geliyor; bu da teknolojik hattın boyutunun ve kapladığı alanın azaltılmasına yardımcı oluyor.
• Cihazın çalışma odasında yoğunlaşan faktörlerden dolayı titanyum dioksit elde etme işleminin hızlanması. İlmenit ayrışmasının sülfürik asit ile reaksiyonu birkaç saniye içinde gerçekleşir.
• Cihazın çalışma odasındaki kimyasal reaksiyonların daha hızlı ve daha eksiksiz bir şekilde ilerlemesi nedeniyle büyük sülfürik asit tasarrufu.
• Elektrik tasarrufu. Bilyalı değirmenlerle karşılaştırıldığında AVS fazla güç tüketmez (modele bağlı olarak 4,5–9,5 kW).
• AVS, kurulum için özel bir kaide gerektirmez ve değirmen veya reaktörler yerine mevcut teknolojik hatlara kolaylıkla entegre edilebilir.

AVS’nin titanyum dioksit üretimine yönelik teknolojik hatlara dahil edilmesi konusunda teknik uzmanlarımızdan tavsiye almak için lütfen web sitesinin ilgili bölümünde yer alan iletişim bilgilerinden bazılarını kullanın.