二氧化鈦

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二氧化钛
IUPAC名
Titanium dioxide
Titanium(IV) oxide
识别
CAS号 13463-67-7
RTECS XR2775000
性质
化学式 TiO2
摩尔质量 79.87 g·mol⁻¹
外观 白色固体
密度 4.23
熔点 1870 °C (3398 °F)
沸点 2972 °C (5381.6 °F)
溶解性(其他溶剂) 不可溶
热力学
ΔfHmo298K −944 kJ/mol
危险性
欧盟分类 未列明
NFPA 704
NFPA 704.svg
0
1
0
 
闪点 不可燃
相关物质
其他阳离子 一氧化钛
三氧化二钛
三氧化五钛
二氧化锆
二氧化铪
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

二氧化鈦化學式為TiO2,俗称钛白粉,多用於光觸媒化妆品,能靠紫外線甚至可見光消毒及殺菌,已經有一些產品問世。 二氧化钛是水反應生成氢气和氧气的催化剂. 二氧化钛可制作成光催化剂,净化空气,消除车辆排放物中25%到45%的氮氧化物,可用于治理PM2.5悬浮颗粒物过高的空气污染。

出現[编辑]

形式 晶系 合成
金红石 四方晶系
锐钛矿 四方晶系
板鈦礦英语brookite 斜方晶系
TiO2(B)[1] 单斜晶系 Hydrolysis of K2Ti4O9 followed by heating
TiO2(H), hollandite-like form[2] 四方晶系 Oxidation of the related potassium titanate bronze, K0.25TiO2
TiO2(R), ramsdellite-like form[3] 斜方晶系 Oxidation of the related lithium titanate bronze Li0.5TiO2
TiO2(II)-(α-PbO2-like form)[4] 斜方晶系
baddeleyite-like form, (7 coordinated Ti)[5] 单斜晶系
TiO2 -OI[6] 斜方晶系
cubic form[7] 立方晶系 P > 40 GPa, T > 1600 °C
TiO2 -OII, cotunnite(PbCl2)-like[8] 斜方晶系 P > 40 GPa, T > 700 °C

製備[编辑]

钛白粉的生产方法有硫酸法和氯化法两种。硫酸法是将钛铁矿经浓硫酸酸解成块状固相物,用酸性水浸取后得到钛液,经沉降除杂质、冷冻分离副产硫酸亚铁后,加晶种使硫酸氧钛分解生成偏钛酸。经水洗达标后煅烧、粉碎而制得钛白粉。

反应方程式:

H2SO4 + TiO2→TiOSO4 + H2O

Ti(SO4)2 + H2O→ TiOSO4 + H2SO4

TiOSO4 + H2O→H2TiO3↓+ H2SO4 H2TiO3·SO3→TiO2+H2O+SO3

氯化法是将粉碎后的金红石或高钛渣与焦炭混合,在硫化床氯化炉中与氯气反应生成四氯化钛,经净化,加入晶型转化剂于高浊罡氧化生成二氧化钛,再经水洗、干燥、粉碎得到。 反应方程式:

2TiO2 + 3C + 4Cl2→2TiCl4 + 2CO↑+ CO2

TiCl4(汽)+O2 (气)→TiO2 (固)+ 2Cl2 (汽)

操作方法如下: 硫酸法:在圆锥形内衬两层瓷砖的酸解槽内。按矿酸比1:1.5~1:1.7的比例(质量比,硫酸以100%计),使预调至工艺浓度为88%~90%硫酸与预粉碎至325目并掺混0.2%氧化锑的干燥的钛铁矿粉进行酸解反应。酸解反应须将反应物预热至90℃以上才能发生。在压缩空气搅拌下,随反应的进行,反应热增加,温度渐升至180~200℃发生激烈反应。之后生成多孔状固相酸解反应产物。降温后于55~65℃条件下,在沉淀罐中进行浸取。向所得浸取液加入絮凝剂,用沉降法分离浸取液内悬浮的未分离物和机械杂质,所得浸取液中主要含有硫酸钛盐,但也含有很多二价及三价硫酸铁盐。用加入铁屑的办法使三价铁还原,再冷冻至3~5℃。可用冷冻盐水制冷装置、也可用真空绝热蒸发制冷装置使硫酸亚铁结晶析出,过滤除去副产硫酸亚铁,纯净的钛液经真空蒸发浓缩至190~210g TiO2/L溶液,在搅拌下送入水解反应器,加入在晶种罐中预先特制的晶种进行水解生成水合二氧化钛(即俗称的偏钛酸)。工业上实现水解过程有常压、加压两种方法,温度各不相同。晶种的制法也有多种,随产品要求和生产厂家而异。水解生成的偏钛酸用叶滤机反复水洗除去可溶性铁盐后送回转炉,在800~850℃下煅烧,煅烧前要在盐处理罐中加入盐类作盐处理。盐处理的目的是为了降低煅烧温度和促进晶型转化,并提高颜料的研磨润湿性。煅烧生成的二氧化钛尚不具备颜料性能,还需进行后处理。后处理是先用雷蒙磨或万能粉碎机对煅烧后的二氧化钛进行干法粉碎,再经打浆、水选分级、表面包膜处理后,用喷雾干燥器(或带式干燥器、沸腾流化干燥器、烘房等)干燥,之后再用气流粉碎机进行超微粉碎,确保产品粒径在1μm以下。

氯化法: 含金红石90%~95%的金红石矿经粉碎、干燥并被严格控制粒度(或高钛渣)与石油焦连续进入流化 床氯化炉,通氯气进行氯化反应,温度900~1000℃。由于原料中含有铁、锰、硅、锆等氧化物杂质,故氯化所得的四氯化钛经冷却至400℃、初步净化后还需经过精馏才可制得精四氯四钛。精四氯化钛在150~200℃经汽化并加入高纯三氯化铝作为晶型转化剂,再预热升温至1000℃左右进入氧化炉。氧化炉所用氧气也经过预热。氧化温度1300~1500℃。经气相氧化生成的固体二氧化钛已初具颜料性质。再经过后处理即可得到颜料二氧化钛的产品。后处理方法与硫酸法相同。

用途[编辑]

作为光涂料颜料的催化剂,二氧化钛不仅是一种环境安全的清洁剂,而且可以起到节省能量和保护环境资源的作用。   早期日本和英国的科学家将二氧化钛涂覆在城市马路的铺路石表面,用以清洗路面空气。二氧化钛可以与沥青混合,减少空气中的污染物。当汽车经过时,含二氧化钛的混凝土或沥青可以净化空气,消除车辆排放物中25%到45%的氮氧化物。业内专家表示,清洗都市空气、建设生态城市,二氧化钛将立大功。   北京工业大学还开发出含有纳米二氧化钛光催化剂的涂料,对空气中的二氧化氮、氨气、甲醛和苯等气体的分解速度达到在20分钟内分解70%以上;而光催化剂的销售价格不高于国际同类产品价格的50%。纳米二氧化钛是一种光催化剂,所以在反应过程中本身并不被消耗,对一些特殊的污染物具有比其它氧化法更突出的效果,而且没有二次污染。

參考資料[编辑]

  1. ^ Marchand R., Brohan L., Tournoux M. A new form of titanium dioxide and the potassium octatitanate K2Ti8O17. Materials Research Bulletin. 1980, 15 (8): 1129–1133. doi:10.1016/0025-5408(80)90076-8. 
  2. ^ Latroche, M; Brohan, L; Marchand, R; Tournoux,. New hollandite oxides: TiO2(H) and K0.06TiO2. Journal of Solid State Chemistry. 1989, 81 (1): 78–82. Bibcode:1989JSSCh..81...78L. doi:10.1016/0022-4596(89)90204-1. 
  3. ^ Akimoto, J.; Gotoh, Y.; Oosawa, Y.; Nonose, N.; Kumagai, T.; Aoki, K.; Takei, H. Topotactic Oxidation of Ramsdellite-Type Li0.5TiO2, a New Polymorph of Titanium Dioxide: TiO2(R). Journal of Solid State Chemistry. 1994, 113 (1): 27–36. Bibcode:1994JSSCh.113...27A. doi:10.1006/jssc.1994.1337. 
  4. ^ Simons, P. Y.; Dachille, F. The structure of TiO2II, a high-pressure phase of TiO2. Acta Crystallographica. 1967, 23 (2): 334–336. doi:10.1107/S0365110X67002713. 
  5. ^ Sato H. , Endo S, Sugiyama M, Kikegawa T, Shimomura O, Kusaba K. Baddeleyite-Type High-Pressure Phase of TiO2. Science. 1991, 251 (4995): 786–788. Bibcode:1991Sci...251..786S. doi:10.1126/science.251.4995.786. PMID 17775458. 
  6. ^ Dubrovinskaia N A, Dubrovinsky L S., Ahuja R, Prokopenko V B., Dmitriev V., Weber H.-P., Osorio-Guillen J. M., Johansson B. Experimental and Theoretical Identification of a New High-Pressure TiO2 Polymorph. Phys. Rev. Lett. 2001, 87 (27 Pt 1): 275501. Bibcode:2001PhRvL..87A5501D. doi:10.1103/PhysRevLett.87.275501. PMID 11800890. 
  7. ^ Mattesini M, de Almeida J. S., Dubrovinsky L., Dubrovinskaia L, Johansson B., Ahuja R. High-pressure and high-temperature synthesis of the cubic TiO2 polymorph. Phys. Rev. B. 2004, 70 (21): 212101. Bibcode:2004PhRvB..70u2101M. doi:10.1103/PhysRevB.70.212101. 
  8. ^ Dubrovinsky, LS; Dubrovinskaia, NA; Swamy, V; Muscat, J; Harrison, NM; Ahuja, R; Holm, B; Johansson, B. Materials science: The hardest known oxide. Nature. 2001, 410 (6829): 653–654. Bibcode:2001Natur.410..653D. doi:10.1038/35070650. PMID 11287944. 

外部連結[编辑]