Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИОКСИДА ТИТАНА

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к способам получения нанодисперстного диоксида титана высокой чистоты.

Диоксид титана используется в составе эмалей, вододисперсионных и полиграфических красок, жаропрочных стекол, керамики, пьезоматериалов и т.д. Катализаторы на основе диоксида титана применяются для фотокаталитической очистки воды и воздуха от органических соединений.

Известно, что диоксид титана существует в нескольких модификациях, две из которых устойчивы: анатаз и рутил. Различие в их кристаллических структурах приводит к изменению фотоустойчивости пигментов, получаемых на их основе, а следовательно, к различному назначению производных марок пигментов. Так, лакокрасочная промышленность потребляет главным образом диоксид титана рутильных марок, которые обладают большей светостойкостью (меньшей фотохимической активностью). В общем объеме потребления диоксида титана она занимает первое место, потребляя более 50% производимого диоксида титана. Известные промышленные способы получения диоксида титана на первой стадии приводят к получению анатазной модификации TiO₂. Перевод же анатаза в рутил требует значительных энергозатрат, т.к. осуществляется при нагревании анатаза до температур 800-1000°C, в зависимости от дополнительно введенных веществ, понижающих температуру перехода.

Известен способ получения диоксида титана путем добавления к раствору гексафторотитаната аммония борной кислоты, которая сдвигает равновесие гидролиза гексафторотитаната в сторону получения диоксида титана (см. JP №04 - 130017).

Известен способ получения диоксида титана путем пирогидролиза фторидных соединений титана, таких как TiF₄ или (NH₄)₂TiF₆, в токе газа, содержащего кислород или пары воды (см. JP №57 - 183325).

Известен также способ получения диоксида титана, включающий пирогидролиз в газовой фазе фтораммониевых солей титана в присутствии водяного пара (см. RU №2058408). Пирогидролиз осуществляют при t=500-800°C в течение 3-5 ч.

Получаемый этими способами диоксид титана имеет структуру анатаза и, как следствие, обладает недостаточной степенью светостойкости и высокой фотохимической активностью.

Задача изобретения состоит в разработке способа получения нанодисперстных диоксидов титана рутильной модификации.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в получении порошка диоксида титана рутильной модификации, при этом размер частиц порошка не превышает 0,1 микрона.

Для решения поставленной задачи способ получения диоксида титана, включающий пирогидролиз в газовой фазе фтораммониевых солей титана в присутствии водяного пара, отличается тем, что пирогидролиз осуществляют с прогревом реактора до 450-500°C при температуре водяного пара от 700 до 1200°C, предпочтительно 900-1000°C, при этом используют гексафтортитанат аммония, причем пары воды получают за счет сжигания в горелке водорода в кислороде, а в их объем дозированно вводят дополнительное количество паров воды, полученных ее испарением при температуре кипения. Кроме того, выделяющиеся фтористый водород и аммиак отбирают из реактора, используют для регенерации фторида аммония, который повторно используют при получении гексафтортитаната аммония.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.

Признаки, указывающие, что «пирогидролиз осуществляют с прогревом реактора до 450-500°C при температуре водяного пара от 700 до 1200°C, предпочтительно 900-1000°C, в объеме паров воды, обеспечивают возможность получения нанодисперстного диоксида титана рутильной модификации.

Признаки, указывающие, что «используют гексафтортитанат аммония» в вышеназванных условиях и температурных режимах, обеспечивают получение нанодисперстного диоксида титана рутильной модификации.

Признаки, указывающие, что «пары воды получают за счет сжигания в горелке водорода в кислороде», обеспечивают ввод в реактор химически чистой воды и ее высокотемпературный прогрев.

Признаки, указывающие, что в объем паров воды, созданной сжиганием водорода в кислороде, «дозированно вводят дополнительное количество паров воды, полученных ее испарением при температуре кипения», обеспечивают возможность регулирования температуры паров воды, поступающих в реактор (регулированием соотношения объемов воды полученной названными методами).

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают многократность использования фторида аммония.

На чертеже показана схема циклонно-вихревой установки, обеспечивающей реализацию способа.

На чертеже показаны узлы установки: 1 - емкость исходных компонентов (источник фторидов титана), 2 - печь для нагрева исходных фторидов, 3 - подводящая труба для подачи газообразных фторидов в реактор 4, 5 - двухрукавная труба (для подачи водяного пара в реактор 4), 6 - печь подогрева реактора, 7 - печь для нагрева емкости 8 для хранения оксидов, 9 - газоотводящая труба (для отвода газообразных продуктов пирогидролиза).

Способ осуществляют следующим образом.

Готовят навеску исходных фторидов и помещают в аппарат пирогидролиза (емкость исходных компонентов 1). Емкость 1 нагревают с помощью печи 2 до температуры испарения гексафтортитаната аммония (NH₄)₂TiF₆. Через подводящую трубу 3 пары фторидов поступают в реактор 4, сюда же через двухрукавную трубу 5 подают пары воды, нагретые до 700-1200°C. Объем паров воды, получаемой сжиганием водорода с кислородом в газовой горелке (на чертеже не показана), обозначен на схеме как ввод газовых компонентов (Н₂ и O₂). Объем воды, обозначенный на схеме как Н₂О, - это пары воды, полученные ее испарением.

Температуру паров, поступающих в реактор 4, регулируют известным образом либо регулируя скорость горения водорода и/или регулируя соотношение объемов синтезируемой и испаряемой воды.

Реактор 4 нагревают до температур 600-800°C. В процессе пирогидролиза при взаимодействии паров гексафтортитаната аммония и паров воды выделяются фтористый водород и аммиак, которые с остатками непрореагировавшей воды и небольшого количества пыли (TiO₂) через газоотводящую трубу 9 уходят в аппараты улавливания и регенерации фторида аммония (на чертеже не показаны). Фторид аммония известным образом повторно используется в процессе получения гексафтортитаната аммония.

Полученный диоксид титана самотеком поступает в емкость 8, предназначенную для его хранения. Емкость 8 в процессе синтеза подогревается до 120°C для исключения конденсации паров воды в ней.

Конкретный пример выполнения способа.

Навеску гексафтортитаната массой 100 г помещают в аппарат пирогидролиза (емкость исходных компонентов 1), после чего емкость 1 нагревают с помощью печи 2 до температур 450-500°C. При этих температурах начинается интенсивное испарение (NH₄)₂TiF₆. Через подводящую трубу 3 пары поступают в реактор 4, сюда же через двухрукавную трубу 5 подаются пары воды, нагретые до 900-1000°C.

Объем паров воды включает объем паров воды -Н₂О (а), получаемый сжиганием водорода в кислороде и объем паров воды -H₂O (б), получаемый ее испарением.

Температура поступающих паров в реактор регулируется скоростью горения водорода и/или соотношением H₂O (а) : H₂O (b). Реактор нагревается до температуры 400-500°C. В процессе пирогидролиза выделяются фтористый водород и аммиак, которые с остатками непрореагировавшей воды и небольшого количества пыли (TiO₂) через трубу 9 поступают в аппараты улавливания и регенерации фторида аммония для повторного использования в процессе получения гексафтортитаната аммония. Полученные оксиды поступают в емкость 8 для их хранения, которая в процессе синтеза нагревается до 120°C для исключения конденсации паров воды в этой емкости.

Результаты анализа полученного продукта показали, что получен порошок рутильной модификации с размерами частиц порошка, не превышающими 0,1 мКм.