Способ получения диоксида титана
Владельцы патента RU 2600767:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Челябинский государственный педагогический университет" (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Способ получения диоксида титана включает взаимодействие при перемешивании тетрабутоксититана с органической жидкостью, а затем с осаждающим компонентом с последующими нагревом и выдержкой. В качестве органической жидкости используют ацетилацетон в количестве 10-40 об.% от количества тетрабутоксититана. В качестве осаждающего компонента используют смесь этилового спирта с водой с содержанием воды 40-80 об.% от общего объема смеси спирта с водой. Соотношение между органической жидкостью и осаждающим компонентом составляет от 1:20 до 1:8. После перемешивания указанных компонентов полученную смесь выдерживают до образования прозрачного раствора и вливают в кипящую дистиллированную воду. Объем воды при этом должен быть в 3-3,5 раза больше объема смеси всех компонентов. Смесь кипятят в течение 50-70 мин. Изобретение позволяет получить диоксид титана в виде золя, снизить энергоемкость процесса, повысить его производительность. 4 табл., 2 пр.
Изобретение относится к химическому производству, в частности к получению диоксида титана, который широко используется в качестве пигмента, а также в фотоэлектрохимических устройствах, самоочищающихся покрытиях и других областях. Данное техническое решение позволяет получить диоксид титана со сферической формой частиц и средним размером частиц 0,060-0,250 мкм.
Известен способ получения диоксида титана (см. п. РФ. №2171228, кл. С01G 23/08, опубл. 2001 год), включающий взаимодействие растворимого сульфата титана в присутствии зародышей до образования водного оксида титана с последующим его прокаливанием.
В известном решении используется экологически вредный и коррозионноактивный сульфат титана, который требует утилизации побочных продуктов и применения коррозионностойкой аппаратуры.
В качестве ближайшего аналога-прототипа выбрано техническое решение по патенту №2444550, опубликованному 27.08.2011 г., заключающееся в том, что растворимое соединение титана - тетрабутоксититан смешивают с поверхностно-активным веществом. Полученный раствор перемешивают с водным раствором этилового спирта с 4 об.% воды. Образовавшийся золь оставляют на несколько суток. За данное время золь превращается в гель, после чего подвергается прокаливанию с постепенным нагревом до 300°С и выдержкой в течение 50 часов. В результате получают белый пигмент в форме порошка с лессирующими свойствами. В качестве поверхностно-активного вещества используют полиоксиэтилированное гидрогенизированное касторовое масло и полиоксиэтилированный изооктилфенол.
Недостатками данного решения являются следующие:
- получение диоксида титана необходимого качества только в форме геля и невозможность получения его в виде золя, тогда как в промышленности есть необходимость его использования в форме золя, который удобно наносить в жидком виде на твердые поверхности, пропитывать им пористые материалы или вводить в форме золя в жидкие композиции;
- высокая энергоемкость процесса вследствие необходимости прокаливания при высокой температуре и длительной выдержке;
- низкая производительность процесса вследствие необходимости многосуточной выдержки продукта на промежуточной операции.
Задачей настоящего изобретения является получение продукта в форме золя с одновременным снижением энергозатратности процесса и повышением его производительности.
Технический результат от использования данного изобретения выражается в следующем:
- расширение форм получения диоксида титана за счет возможности получения его в виде золя;
- снижение энергоемкости процесса за счет исключения энергоемких операций прокаливания и многочасовой выдержки;
- повышение производительности процесса за счет исключения операции многосуточной выдержки, а также за счет исключения операции многочасовой выдержки при прокаливании.
Технический результат достигается за счет того, что в способе получения диоксида титана, включающем взаимодействие при перемешивании тетрабутоксититана с органической жидкостью, а затем с осаждающим компонентом с последующими нагревом и выдержкой, в соответствии с настоящим изобретением в качестве органической жидкости используют ацетилацетон в количестве 10-40 об.% от количества тетрабутоксититана, в качестве осаждающего компонента используют смесь этилового спирта с водой с содержанием воды 40-80 об.% от общего объема смеси спирта с водой, при этом соотношение между органической жидкостью и осаждающим компонентом составляет от 1:20 до 1:8, после перемешивания всех указанных компонентов полученную смесь выдерживают до образования прозрачного раствора, а затем вливают в кипящую дистиллированную воду, объем которой в 3-3,5 раза больше объема смеси всех компонентов, и кипятят в течение 50-70 мин.
Применение в качестве органической жидкости ацетилацетона в количестве 10-40 об.% от количества тетрабутоксититана позволяет снизить скорость гидролиза и получение золя. При этом экспериментальным путем установлено, что уменьшение количества ацетилацетона ниже 10% приводит к быстрому гидролизу и выпадению осадка, а выше 40% - к замедлению гидролиза и не изменению раствора (таблица 1).
Использование в качестве осаждающего компонента смеси этилового спирта с водой с содержанием воды 40-80 об.% от общего объема смеси спирта с водой позволяет получить золь.
При этом экспериментальным путем установлено, что уменьшение количества содержания воды ниже 40% приводит к не полноте гидролиза и не изменению раствора, а выше 80% - к быстрому гидролизу с выпадением грубого осадка (таблица 2).
Соотношение между органической жидкостью и осаждающим компонентом в пределах от 1:20 до 1:8 обеспечивает образование золя.
При этом экспериментальным путем установлено, что уменьшение данного соотношения меньше чем 1:20 приводит к быстрому гидролизу и выпадению осадка, а увеличение выше чем 1:8 приводит к неполноте гидролиза и не изменению раствора (таблица 3).
После перемешивания всех указанных компонентов полученную смесь выдерживают до образования прозрачного раствора, соответствующего равновесию компонентов, что обеспечивает более высокую однородность продукта, и вливают в кипящую дистиллированную воду, объем которой в 3-3,5 раза больше объема смеси всех компонентов, и кипятят в течение 50-70 мин. При этом происходит постоянное движение частиц за счет конвекционных потоков воды.
При этом экспериментальным путем установлено, что уменьшение объема дистиллированной воды меньше чем в 3 раза приводит к слипанию частиц и образованию геля, а увеличение свыше 3,5 раз приводит к нерационально высокому расходу воды и электроэнергии на ее нагрев.
При кипячении в течение 50-70 мин обеспечивается формирование частиц анатаза в виде золя.
При этом экспериментальным путем установлено, что при кипячении менее 50 мин превращение аморфных частиц золя в анатаз происходит не полностью, а при кипячении в течение более 70 мин не происходит существенных изменений в структуре частиц.
Таким образом, указанная совокупность признаков изобретения позволяет одновременно достичь всех указанных технических результатов, а именно: расширить формы получения диоксида титана за счет возможности получения его в виде золя; снизить энергоемкость процесса за счет исключения энергоемких операций прокаливания и многочасовой выдержки; повысить производительность процесса за счет исключения операции многосуточной выдержки, а также за счет исключения операции многочасовой выдержки при прокаливании.
Предложенные интервалы параметров были получены экспериментальным путем в лабораторных условиях (таблицы 1-3), а также поясняются следующими примерами конкретного осуществления.
Пример конкретного осуществления 1.
К 1 г ТБТ добавляют 0,4 мл АсАс, перемешивают и затем добавляют 33,3 мл EtOH (93 об.%) и также перемешивают. Полученный раствор выдерживают при температуре 70°С до образования прозрачного раствора. После этого к данному раствору добавляют 90 мл воды и вновь перемешивают. Полученный раствор с осадком вливают в 150 мл кипящей воды и кипятят в течение 1 часа, добавляя воду по мере ее испарения. Согласно рентгенофазовому анализу образца, полученного в результате кипячения, золь ТiO2 имеет модификацию анатаза. Согласно уширению рентгеновских пиков размер областей когерентного рассеяния (кристаллитов, из которых сложены частицы золя ТiO2) составляет 4,3-4,9 нм. Согласно определению размера частиц золя ТiO2 с помощью динамического рассеяния света, их средний размер составляет 154,5 нм. Согласно прямому наблюдению с помощью растрового электронного микроскопа, частицы золя ТiO2 имеют сферическую форму, а их размер составляет 100-250 нм.
Пример конкретного осуществления 2.
К 1 г ТБТ добавляют 0,2 мл АсАс, перемешивают и затем добавляют 33,3 мл EtOH (93 об.%) и также перемешивают. Полученный раствор выдерживают при температуре 70°С до образования прозрачного раствора. После этого к данному раствору добавляют 6 мл воды и вновь перемешивают. Полученный раствор с осадком вливают в 150 мл кипящей воды и кипятят в течение 1 часа, добавляя воду по мере ее испарения. Согласно рентгенофазовому анализу образца, полученного в результате кипячения, золь ТiO2 имеет модификацию анатаза. Согласно уширению рентгеновских пиков размер областей когерентного рассеяния (кристаллитов, из которых сложены частицы золя ТiO2) составляет 4,4-4,8 нм. Согласно определению размера частиц золя ТiO2 с помощью динамического рассеяния света, их средний размер составляет 163,8 нм. Согласно прямому наблюдению с помощью растрового электронного микроскопа, частицы золя ТiO2 имеют сферическую форму, а их размер составляет 60-210 нм.
Принятые сокращения:
ТБТ - тетрабутоксититан
АсАс - ацетилацетон
EtOH - этиловый спирт
SK - составная часть наименования образца по имени химика, его получившего - Сергея Куликовских.
Способ получения диоксида титана, включающий взаимодействие при перемешивании тетрабутоксититана с органической жидкостью, а затем с осаждающим компонентом с последующими нагревом и выдержкой, отличающийся тем, что в качестве органической жидкости используют ацетилацетон в количестве 10-40 об.% от количества тетрабутоксититана, в качестве осаждающего компонента используют смесь этилового спирта с водой с содержанием воды 40-80 об.% от общего объема смеси спирта с водой, при этом соотношение между органической жидкостью и осаждающим компонентом составляет от 1:20 до 1:8, после перемешивания всех указанных компонентов полученную смесь выдерживают до образования прозрачного раствора и вливают в кипящую дистиллированную воду, объем которой в 3-3,5 раза больше объема смеси всех компонентов, и кипятят в течение 50-70 мин.