Il biossido di titanio è una polvere bianca insolubile in acqua, fondamentalmente un colorante bianco. È una sostanza molto interessante, innanzitutto per la sua ampia applicazione. Pertanto, la produzione di biossido di titanio è una componente importante dell’industria globale.

Produzione di biossido di titanio nel mondo

A metà degli anni 2000 nel mondo venivano utilizzate 4,2 milioni di tonnellate di biossido di titanio. I maggiori produttori di questa sostanza chimica sono gli Stati Uniti e la Cina. Inoltre, grandi quote di mercato sono occupate da Regno Unito, Giappone e Germania.

La produzione di biossido di titanio utilizza minerali contenenti titanio:

• rutili (contenuto di biossido di titanio – 93-96%);
• nelle manifestazioni (44-70%);
• leucosseni (fino al 90%).

I maggiori giacimenti di minerali di titanio si trovano negli Stati Uniti, India, Australia, Brasile, Sud Africa e Kenya.

Campi di applicazione del biossido di titanio

Come abbiamo accennato prima, il biossido di titanio trova ampia applicazione nel settore industriale. I suoi maggiori utenti includono:

• industria delle pitture e delle vernici (59% dell’utilizzo complessivo). La percentuale media di pigmento di biossido di titanio nelle vernici è del 25%;
• produzione di plastica (20%);
• produzione di carta (13%). Il biossido di titanio viene utilizzato come pigmento e sostituisce gradualmente il caolino.

La produzione di gomma naturale, fibre artificiali, cosmetici, linoleum, intonaci e malte cementizie rappresenta una frazione relativamente piccola dell’utilizzo complessivo di biossido di titanio.

Produzione di biossido di titanio utilizzando ilmenite

Parliamo della produzione di biossido di titanio utilizzando ilmenite. Può essere convenientemente suddiviso in più fasi:

1. decomposizione dell’ilmenite mediante acido solforico;
2. separazione in soluzione di solfato di titanio e precipitato insolubile — solfato di ferro;
3. filtrazione, evaporazione, calcinazione del precipitato di solfato di titanio;
4. riduzione per ottenere il prodotto finito: biossido di titanio.

Innanzitutto, l’ilmenite dovrebbe essere preparata per reagire con l’acido solforico. A tale scopo viene essiccato fino a raggiungere un contenuto di umidità residua non superiore all’1%; successivamente viene macinato mediante mulini a sfere a basso consumo energetico che consumano decine e centinaia di kilowatt di potenza. Dopo la polverizzazione, la capacità di dispersione delle particelle di concentrato di titanio non deve essere superiore a 0,056 mm. È consentita una piccola percentuale di particelle più grandi: costituisce solo lo 0,1% per un processo continuo e il 2–5% per un processo discontinuo.

La fase successiva prevede l’alimentazione del concentrato quasi polveroso e dell’acido solforico concentrato in reattori speciali. È lì che l’ilmenite si decompone alla temperatura di 200 °C.

I componenti principali di ilmenite – TiO2, FeO e Fe2O3 – reagiscono con l’acido solforico. Di conseguenza, si formano TiOSO4, FeSO4, Fe2(SO4)3 e acqua e viene rilasciato calore. Tuttavia, il calore generato non è ancora sufficiente a mantenere la temperatura a 200 °C; pertanto, il processo richiede un consumo energetico aggiuntivo per il riscaldamento.

La completa decomposizione dell’ilmenite macinata richiede un elevato consumo di acido solforico. Dopo la decomposizione si ottiene una lega di solfato che impiega da una a tre ore per maturare. Dopo la maturazione e il raffreddamento a 70 °C, la lega di solfato nello stesso reattore viene lisciviata con acqua leggermente acidificata che determina la conversione del solfato di titanio in una soluzione. La lisciviazione richiede diverse ore.

Successivamente il ferro ferrico viene ridotto a ferro ferroso mediante ghisa e limatura di ferro; le impurità meccaniche vengono rimosse dalla soluzione di solfato di titanio; le soluzioni vengono cristallizzate e centrifugate per eliminare i residui di ferro vetriolo. Successivamente vengono effettuate l’evaporazione sotto vuoto e la calcinazione. Dopo il raffreddamento, il pigmento ottenuto viene macinato, confezionato in sacchi e inviato all’utilizzatore finale.

Riassumiamo gli svantaggi di questo approccio alla produzione di biossido di titanio utilizzando acido solforico:

• natura multistadio e complessità dei processi;
• elevato consumo energetico;
• consumo eccessivo di acido solforico;
• rifiuti generati in grandi quantità, alcuni dei quali pericolosi (acido solforico idrolitico diluito e vetriolo di ferro);
• parte della materia prima del titanio rimane non lavorata.

Prospettive di dispositivi a strato di vortice nella produzione di biossido di titanio utilizzando ilmenite

Gli svantaggi elencati rendono rilevante la ricerca di modi per migliorare l’efficienza della produzione di biossido di titanio. A questo proposito, proponiamo di discutere la possibilità di introdurre questo tipo di dispositivi a strato di vortice (AVS) nelle linee tecnologiche.

Un dispositivo a strato di vortice è un’apparecchiatura versatile in grado di macinare, miscelare, attivare e accelerare contemporaneamente le reazioni chimiche. Come è diventata possibile questa versatilità? La risposta può essere trovata analizzando il design del dispositivo. Un dispositivo a strato di vortice è costituito da un induttore di campo elettromagnetico rotante, una camera operativa in materiale non magnetico posta all’interno dell’induttore e particelle ferromagnetiche in quantità da diverse dozzine a diverse centinaia di pezzi. La quantità e il rapporto delle dimensioni geometriche delle particelle ferromagnetiche dipendono dal tipo di processo tecnologico e possono essere diversi per ciascun processo tecnologico.

Dopo aver applicato tensione all’avvolgimento dell’induttore, nella camera operativa viene indotto un campo elettromagnetico rotante e, influenzate da questo campo, le particelle ferromagnetiche iniziano a muoversi e a scontrarsi tra loro e con le pareti della camera operativa. Di conseguenza, la traiettoria di ciascuna particella diventa complessa e un insieme di queste traiettorie forma uno strato di vortice. In questo strato di vortice si verificano una serie di processi e fenomeni che hanno un effetto favorevole sulle sostanze trasformate. Questi includono:

• effetto del campo elettromagnetico;
• effetti d’impatto delle particelle ferromagnetiche;
• alte pressioni locali;
• vibrazioni ultrasoniche;
• cavitazione (in un mezzo liquido), ecc.

Di conseguenza, le sostanze che entrano nella camera operativa dell’AVS vengono macinate, miscelate e assumono nuove proprietà. E le reazioni chimiche vengono accelerate dieci e cento volte. L’uso dell’AVS sembra ragionevole in base alla necessità di macinare il concentrato di ilmenite, alla sua interazione chimica con l’acido solforico e alla lunga durata della produzione di biossido di titanio.

Produzione di biossido di titanio utilizzando AVS: risultati dell’esperimento

Per l’esperimento sono stati prelevati due campioni di concentrato di ilmenite del peso di 150 grammi ciascuno. Questi campioni sono stati macinati nella camera operativa del dispositivo a strato di vortice AVS-100 rispettivamente per 40 e 60 secondi. Dopo l’elaborazione, entrambi i campioni sono stati forzati attraverso un setaccio. I risultati sono mostrati nella Tabella 1.

Tabella 1 – Risultati della macinazione del concentrato di ilmenite nel dispositivo a strato di vortice AVS-100

Campione iniziale, mm	Setaccio (cella), mm	Campione n. 1 (elaborazione di 40 s), % rimanente sul setaccio	Campione n. 2 (elaborazione da 60 s), % rimanente sul setaccio
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	Meno di 0,05	97,6	99,5

Come dimostrato dai dati ottenuti, solo quaranta secondi di elaborazione sono sufficienti per una macinazione efficiente del campione.

Dopo la macinazione i campioni sono stati decomposti in acido solforico. La decomposizione ha richiesto alcuni secondi di elaborazione. Successivamente, sono stati diluiti con acqua alla concentrazione richiesta senza rimuovere i campioni dalla camera operativa del dispositivo.

Vantaggi dei dispositivi a strato di vortice nella produzione di biossido di titanio

L’applicazione dell’AVS nel processo di produzione del biossido di titanio presenta i seguenti vantaggi:

• Combinazione di più processi eseguibili nella camera operativa dell’AVS: macinazione del concentrato di ilmenite, decomposizione con acido solforico, diluizione con acqua. Ciò significa che AVS sostituisce mulini e reattori, il che aiuta a ridurre le dimensioni della linea tecnologica e lo spazio che occupa.
• Accelerazione del processo di ottenimento del biossido di titanio a causa di fattori di intensificazione nella camera operativa del dispositivo. La reazione di decomposizione dell’ilmenite con acido solforico avviene in pochi secondi.
• Grande risparmio di acido solforico grazie ad un ciclo più rapido e completo di reazioni chimiche nella camera operativa del dispositivo.
• Risparmio di elettricità. Rispetto ai mulini a sfere, l’AVS consuma poca energia (4,5–9,5 kW a seconda del modello).
• AVS non richiede piedistalli speciali per l’installazione e si integra facilmente in linee tecnologiche esistenti al posto di un mulino o di un reattore.

Per ricevere consigli dai nostri professionisti tecnici in merito all’introduzione di AVS nelle linee tecnologiche per la produzione del biossido di titanio si prega di utilizzare alcuni dei recapiti presenti nell’apposita sezione del sito.