纳米钛白合成过程的分析--从钛矿到纳米钛白

钛白（TiO2）纳米粉末具有反应活性高、可见光透过性好、吸收紫外光性能强等持点，可用作高级油漆、涂料、精细陶瓷、催化剂和化妆品等的原料，具有广阔的应用前景。钛白的制备分为硫酸法和氯化法。硫酸法对钛矿的要求不高，工艺相对简单和成熟，在中国已经普遍采用，但是能耗高、污染大、产品质量差，在国际上处于淘汰的地位。相反，氯化法虽然对钛矿的要求高，但是其流程短、污染小、产品质量容易控制，是在国际上处于推广的技术，但是该技术相对不成熟需要进一步研究和完善，如：如何使用中国比较富有的矿物：钛铁矿。氯化法的工艺分为三步：矿物的前处理、矿物的氯化和四氯化钛转化制钛白。本文介绍了文献中有关矿物氯化和四氯化钛转化工艺的研究和开发进展。本文简单介绍了体系达到平衡时基于Gibbs自由能最小的热力学原理，从而确定系统的平衡组成；还介绍了可以预测气相法合成纳米颗粒直径的颗粒动力学模型。本文使用热力学原理分别分析了这三个过程，得到了这三个过程各自的最佳反应温度、最佳配比、以及杂质在矿物氯化和四氯化钛转化过程中的变化、对过程的影响等。然后使用颗粒动力学模型，研究四氯化钛转化制钛白的反应器，以获得控制纳米颗粒尺度的策略。本文的结论是：在矿物的前处理中，应当将钛铁矿与焦碳在1200K的温度下，进行焙烧，钛铁矿分解为金红石矿和氧化亚铁，通过酸洗可以将氧化铁除去，同时除去钙、镁，从而得到相对较纯的金红石矿。但是在焙烧过程中，氮气的含量将控制。在氯化过程中，发现（1）将金红石矿与焦碳一起焙烧，将提高金红石矿的利用率；（2）金红石矿：氯气：焦碳的比例为l：3：3；（3）反应最好在两个流化床反应器中进行，第一流化床反应器的温度为1200—1500K，第二流化床反应器的温度为1000—1200K，这样金红石矿的利用率高，四氯化钛的收率高，而部分杂质将以液态形式被去除；（4）在氯气中含有一定的空气是允许的，但是其代价是将消耗更多的焦碳，产生CO；（5）金红石矿中杂质（钛铁矿、钙钛矿、镁钛矿、硅石、钒矿）的含量需要足够低，因为这些杂质很容易转化为相应的氯化物，从而使产品的纯度降低。但是金红石矿中含有少量铝土矿是允许的。在转化制备纳米钛白的过程中，发现：（1）通过模拟计算得到的纳米颗粒的大小与实验测定值比较接近；（2）反应中总的气量增加，纳米颗粒的粒度减少；四氯化钛的进料浓度增加，纳米颗粒的粒度增加；反应温度和反应器长度的增加，纳米颗粒的粒度也将增加。

Numerical investigation for the synthesis of titania nanoparticles--from Ore to Oxide

Recent referential studies on the preparation of titanium tetrachloride and titania nanoparticles were briefly reviewed. Three important processes, namely, the pretreatment of ore, the chlorination of rutile ore and the transformation of titanium tetrachloride were analyzed using thermodynamic and particle dynamic theories. The optimal reaction conditions (temperature, etc. ) for the three processes were obtained. Effects of additives or contaminates in the chlorination and oxidation processes on producing titania were analyzed. Strategies to control titania nanoparticle size were found.