Гидроксид титана - удивительное вещество с уникальными характеристиками. От белизны зубной пасты до прочности космических кораблей, это соединение находит применение в самых разных сферах. Давайте разберемся, откуда берутся эти уникальные свойства и как можно использовать гидроксид титана с максимальной пользой.
Строение и свойства гидроксида титана
Гидроксид титана имеет молекулярную формулу Ti(OH)4. В зависимости от условий синтеза и модификации он может содержать различные количества связанных с атомом титана гидроксильных групп, молекул воды, а также примесей.
Различают альфа- и бета-модификации гидроксида титана. Альфа-форма TiO2·2H2O является свежеосажденной и содержит большое количество ОН-групп, обладает повышенной химической активностью. Бета-форма TiO2·H2O образуется в результате процесса «старения» альфа-модификации и отличается бóльшей степенью поликонденсации, химической инертностью.
В чистом виде гидроксид титана представляет собой белый порошок без запаха. Он нерастворим в воде, обладает амфотерными свойствами – вступает в реакцию как с кислотами, так и со щелочами с образованием солей титана.
Физические свойства:
- Цвет: белый
- Запах: отсутствует
- Растворимость: нерастворим в воде
- Температура плавления: 1800°C
Химические свойства:
- Гидролизуется в водных растворах с образованием коллоидного гидроксида титана
- Реагирует с кислотами и щелочами, образуя соли титана
- Медленно окисляется кислородом воздуха до TiO2
В отличие от оксидов и других соединений, гидроксид титана отличается наличием гидроксогрупп, связанных с атомом титана, что определяет его повышенную реакционную способность.
Получение гидроксида титана
В лабораторных условиях гидроксид титана можно получить, например, гидролизом тетрахлорида титана раствором гидроксида аммония:
TiCl4 + 4NH4OH → Ti(OH)4 + 4NH4Cl
При этом образуется белый осадок гидроксида титана, который отфильтровывают и промывают водой. Условия осаждения (температура, концентрация реагентов, pH среды) влияют на соотношение разных модификаций в продукте.
В промышленности чаще всего используют сернокислотный способ, основанный на переработке природного минерального сырья, содержащего диоксид титана, - ильменита или рутила.
- Сырье подвергают сернокислотному разложению при температуре около 100°C. При этом диоксид титана переходит в сульфат титанила TiOSO4.
- Далее сульфат титанила гидролизуют при температуре 90-98°С, в результате образуется гидроксид титана.
- Осадок гидроксида титана фильтруют, промывают и сушат. Получают белый порошок TiO2∙nH2O.
Сырье | Ильменит, рутил, TiO2 |
Основной реагент | Серная кислота H2SO4 |
Условия синтеза | t = 90-100°C |
Выход продукта | До 95% от теоретического |
Контролируя условия получения, можно целенаправленно синтезировать гидроксид титана с заданными свойствами, оптимальными для конкретных областей применения.
Применение гидроксида титана
Уникальные характеристики гидроксида титана обусловливают его широчайшее использование:
- Основное применение – производство пигментного диоксида титана для лакокрасочной промышленности, пластмасс, резины, бумаги, косметики.
- Изготовление строительных материалов: бетона, стекла, керамики, цемента.
- Применение в медицине и фармацевтике: антибактериальные покрытия, лекарства.
- Использование в пищевой промышленности: пищевые добавки E171, сахарные глазури.
Универсальность гидроксида титана обеспечивает постоянный спрос и рост его производства. Причем около 90% всего выпускаемого гидроксида титана перерабатывается в диоксид титана для нужд лакокрасочной отрасли и производства пластмасс.
Перспективным направлением является создание функциональных материалов с улучшенными или принципиально новыми свойствамия на основе наноразмерного гидроксида титана. Это могут быть самоочищающиеся поверхности для строительства или медицины, электрохромные материалы для «умных» окон и другие инновационные разработки.
Технология производства гидроксида титана
Основные стадии промышленного производства гидроксида титана выглядят следующим образом:
- Подготовка сырья
- Сернокислотное разложение
- Гидролиз и осаждение гидроксида титана
- Фильтрация и сушка
- Упаковка и хранение
Подготовка сырья
В качестве сырья обычно используется ильменитовый или рутиловый концентрат, содержащий не менее 93-95% диоксида титана TiO2. Сырье измельчают, просеивают, подвергают магнитной сепарации для удаления примесей.
Сернокислотное разложение
Подготовленный концентрат загружают в реакторы и обрабатывают концентрированной серной кислотой при температуре ~100°C. В результате реакции образуется сульфат титанила TiOSO4.
TiO2 + H2SO4 → TiOSO4 + H2O
Гидролиз и осаждение Ti(OH)4
Далее раствор сульфата титанила перекачивают в реакторы гидролиза, где при температуре 90-98°С происходит гидролиз с образованием гидроксида титана:
TiOSO4 + (x+1)H2O → Ti(OH)4 + H2SO4
Контроль pH и температуры позволяет получить гидроксид титана с заданными свойствами.
Фильтрация и сушка
Суспензию гидроксида титана фильтруют для отделения от жидкой фазы. Осадок промывают водой и затем сушат в сушилках при 105-150°C. Получают белый порошок влажностью 0,5-1%.
Упаковка и хранение
Сухой гидроксид титана упаковывают в бумажные мешки или пластиковые бочки. Хранят в закрытых складских помещениях без доступа влаги. Срок годности составляет до 1 года.
Мировой рынок гидроксида титана
Крупнейшими мировыми производителями гидроксида титана являются Китай, Япония и США. На их долю приходится свыше 65% общемирового объема производства.
Основные страны, импортирующие гидроксид титана:
- США
- Германия
- Франция
- Италия
- Великобритания
Эти страны являются крупными производителями лакокрасочной и полимерной продукции, использующей в качестве наполнителя диоксид титана, который в подавляющем большинстве случаев получают из гидроксида титана.