Влияние параметров процесса гидролиза титанил-сульфата на размер частиц метатитановой кислоты Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 661.882.22-14.093.8

В.А. Тихонов, О.Е. Ермакова, С.В. Лановецкий, В.З. Пойлов

Березниковский филиал Пермского государственного технического университета

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ГИДРОЛИЗА ТИТАНИЛ-СУЛЬФАТА НА РАЗМЕР ЧАСТИЦ МЕТАТИТАНОВОЙ КИСЛОТЫ

Исследован процесс получения метатитановой кислоты посредством гидролиза титанил-сульфата. Изучено влияние температуры гидролиза, времени проведения процесса, количества воды, подаваемой в реакционную массу, концентрации щелочи и скорости ее подачи в раствор титанил-сульфата на размер и морфологию частиц метатитановой кислоты.

Интерес к оксиду титана связан с его уникальными физическими и химическими свойства и предел применимости данного вещества весьма широк. В лакокрасочной, фармацевтической промышленности, при производстве пластиков, бумаги, картона оксид титана используют для отбеливания и улучшения укрывистости, для защиты покрытий от вредных ультрафиолетовых лучей, для предотвращения старения лакокрасочных пленок, для улучшения сопротивляемости пластика к вредным воздействиям. В косметической индустрии ТЮ2 применяют для защиты от ультрафиолетовой радиации в солнцезащитных кремах, для придания высокого отбеливающего и заглушающего эффекта зубной пасте и т. д. В текстильной промышленности оксид титана востребован при изготовлении синтетических волокон [1].

Диоксид титана химической чистоты 99,9998 % применяется при производстве оптоволоконных изделий, медицинского оборудования, в радиоэлектронной промышленности. Также он незаменим при выработке термостойкого и оптического стекла, как огнеупорное защитное покрытие при сварочных работах [2]. Наночастицы ТЮ2, нанесенные на подложку под действием УФ-излучения, позволяют разлагать любые органические соединения на углекислый газ и воду. Кроме того,

диоксид титана с напыленными на него наночастицами золота используется в качестве гетерогенного катализатора, который применяют для очистки автомобильных выхлопных газов от угарного газа [3].

Исследования в области ультрадисперсных материалов показывают, что с уменьшением размеров частиц у веществ появляются новые свойства и характеристики, которые позволяют существенно расширить спектр их использования в промышленности [4, 5].

Одним из способов получения TiO2 является гидролиз титанил-сульфата (TiOSO4) c последующей прокалкой метатитановой кислоты TiO(OH)2 при температуре 1000-1300 K [1]. Процесс протекает по следующим рекакциям:

TiOSO4 + 2H2O = TiO(OH)2 + H2SO4, (1)

TiO(OH)2 = TiO2 + H2O. (2)

Как показали исследования [6], размер частиц получаемого продукта во многом определяется размером частиц исходного сырья. В связи с чем целью данной работы явилось определение влияния различных факторов гидролиза титанил сульфата на размеры частиц получаемой метатитановой кислоты.

Измерение распределения частиц по размерам осуществляли с помощью лазерного анализатора размеров частиц «Микросайзер-201».

Работа проводилась в двух направлениях: гидролиз при повышенных температурах и гидролиз в присутствии щелочи. Схема установки включала в себя: трехгорлую колбу, термометр, дефлегматор, мешалку, песочную баню, капельную воронку.

В ходе работы было изучено влияние таких параметров, как температура гидролиза, объем воды, поступающей на гидролиз, уровень рН, продолжительность процесса.

Влияние температуры гидролиза на размер частиц метатитано-вой кислоты представлено на рис. 1. По диаграмме видно, что повышение температуры приводит к росту частиц. По всей вероятности это вызвано их агломерированием, за счет перекристаллизации. Следовательно, для уменьшения размеров частиц, процесс целесообразно проводить при меньших температурах.

Исследования процесса гидролиза, проведенные в различных временных интервалах, показали, что продолжительность нагрева не

оказывает существенного влияния на размер частиц метатитановой кислоты (рис. 2). В связи с этим оптимальное время проведения процесса составило около 8 мин.

^ 20

я

н

У 15

Т

§ 10

1)

ч

<° , ч 5

й 0

/Г\ \

// \\

' '■ ' \\

,■ - , : \ц \ \\

/ \ / Ч"'\

V V X—- —гМ—г

0,20 0,39 0,75 1,46 2,83 5,48 10,6 20,6 39,9 77,4

Диаметр, мкм

14

12

10

8

6

4

2

0

----------73 °С

-90 °С .........100 °С

Рис. 1. Зависимость размера частиц метатитановой кислоты от температуры гидролиза

У V

? *

/Г 1

&

Я 1 1 г%

\^9 1 / \

У V . г §“ ил 1 1 1 !

!=г

к

н

о

(Я

У

<и

К

К

а>

Ч

О

«

а

с

о

га

Он

0,00

2,00

4,00

*,00

,00

10,00

12,00

Диаметр, мкм

14,00

■ 8 мин

■ 24 мин

■ 45 мин

Рис. 2. Зависимость размера частиц метатитановой кислоты от продолжительности нагрева

Определенное воздействие на размер частиц ТЮ(ОН)2 оказывает количество воды, подаваемой как на стадию растворения ТЮ8О4, так и на сам гидролиз. На рис. 3 показано влияние объема подаваемой в процесс воды на распределении частиц получаемого продукта. С увеличением количества вводимой в реакционную массу воды, по-видимому, происходит уменьшение индукционного периода процесса

формирования частиц метатитановой кислоты и, как следствие, возрастает скорость их роста. Это, в свою очередь, приводит к увеличению доли более крупных частиц в растворе.

я

н

о

га

й4

1)

н

к

ч

<=С

<!>

О.

с

о

га

Он

16 14 12 10 8 6 4 2 0

0,00 2,00 4,00 6,00

а'

,'' '4

—д 'Ж ■

т 1 X X

М ■ № Г г \ / ^

Ь и у А

8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00

Диаметр, мкм

15 мл воды

▲ - - 55 мл воды

Рис. 3. Зависимость размера частиц метатитановой кислоты от объема приливаемой воды

Для увеличения выхода готового продукта гидролиз титанил-сульфата целесообразно проводить при повышенных значениях рН. Проведенные исследования показали, что на протяжении всего процесса горячего гидролиза значение pH постоянно уменьшалось. Образующаяся в результате гидролиза серная кислота отрицательно влияет на выход и качество метатитановой кислоты. С целью увеличения выхода целевого продукта при низких температурах была организована система с подщелачиванием раствора. В качестве щелочного агента использовали раствор NaOH. Реализация этой методики позволила заметно увеличить выход метатитановой кислоты, вплоть до 100 %, и изменить структуру (микроморфологию) продукта.

Для оценки влияния количества щелочи на размер частиц TiO(OH)2 проведена серия экспериментов с растворами NaOH различных концентраций (рис. 4). Растворы гидроксида натрия вводились в реакционную массу импульсно в количестве 20 мл.

Как показали результаты исследований, снижение концентрации раствора гидроксида натрия, подаваемого на гидролиз, с 5 до 1 % приводит к уменьшению среднего диаметра частиц получаемого продукта в 2 раза. Средний диаметр образуемых частиц при введении 1, 3, 5 % раствора NaOH, составил соответственно 3,92; 7,47; 8,72 мкм.

0,20 0,39 0,75 1,46 2,83 5,48 10,60 20,60 39,90 77,40

Диаметр, мкм

.....1 % ЫаОН--------3 % N3013--------5 % КаОН

Рис. 4. Зависимость размера частиц метатитановой кислоты от различных концентраций щелочи

В результате проведения работы было установлено, что помимо концентрации раствора гидроксида натрия существенное воздействие на размер частиц также оказывает скорость его подачи (рис. 5). Так, при введении в раствор титанил-сульфата 1 % раствора №ОН со скорость 60 капель/мин средний размер частиц метатитановой кислоты составил 5,38 мкм, а при скорости 2 капли/мин средний размер частиц снизился до 2,19 мкм.

0,20 0,39 0,75 1,46 2,83 5,48 10,60 20,60 39,90 77,40

Диаметр, мкм

-----60 капель/мин--------6 капель/мин .......2 капли/мин

Рис. 5. Зависимость размера частиц от скорости подачи 1 % раствора №ОН

Как показали дальнейшие исследования стадии фильтрования ме-татитановой кислоты, скорость подачи щелочного реагента влияет не только на размер частиц целевого продукта, но и на его морфологию. Так, при импульсной подаче раствора гидроксида натрия формируются бо-

лее крупные частицы, но по своей структуре они являются более аморфными, медленная подача щелочи, напротив, позволяет уменьшить размер частиц и сформировать более однородную их структуру, что способствует значительному увеличению скорости фильтрации полученной суспензии (рис. 6).

90 ---------------------------------------------------------------

Импульсное 60 капель/мин 6 капель/мин 2 капли/мин введение

Рис. 6. Влияние скорости подачи раствора NaOH на время фильтрации

Таким образом, в результате проведенных исследований было установлено, что на размер и структуру метатитановой кислоты оказывает влияние время проведения процесса, температура гидролиза, количество воды подаваемой в реакционную массу, концентрация щелочи, и скорость ее подачи в раствор.

Усовершенствование процесса щелочного гидролиза, и организация на его основе, технологии производства диоксида титана, позволит значительно сократить количество потребляемой воды, а также ликвидировать отходы, за счет попутного получения сульфо-солей.

Список литературы

1. Тарасов А.В. Металлургия титана. М.: Академкнига, 2003. 328 с.

2. ТЦапшш dioxide, 14-20 Nov.2005 // Eur.Chem.News. 2005. V. 83, № 2171. Р. 30.

3. Li Yungiao. Precipitation of nanosized titanium dioxide from aqueous titanium (IV) chloride solutions by neutralization with MgO / Li Yungiao [et al.] // Hydrometallurgy. 2008. Vol. 90. №1. Р. 26-33.

4. Пат. 2321543 RU, С 01 G 23/07, С 09 С 3/04. Способ синтеза нанодиоксида титана / Горовой М. А. [и др.]. Опубл. 17.01.2006.

5. Pat. 1598324 JP, С 04 В 14/30, С 04 В 35/46. Мethod for manufacturing shaped titanim oxide / Osada Hideharu [et al.]. Опубл. 23.11.2005.

6. Влияние удельной поверхности восстановителей на крупность порошков металлического вольфрама, полученных из ионных расплавов / В. Ф. Бойко, В. В. Гостищев, Н. М. Власова // Хим. технология. 2008. Т. 9. №10. С. 510-513.

Получено 17.06.2009