چكيده فارسي :
رنگدانه تيتانيوم دياكسيد يكي از مهمترين رنگدانههاي مورد استفاده در صنعت رنگ، پلاستيك، كاغذ و جوهر، سلولهاي خورشيدي، پوششدهي و مواد غذايي است. اين رنگدانه به دليل پايداري و مقاومت بالا در برابر حرارت، اشعه خورشيد و مواد شيميايي، از اهميت ويژهاي برخوردار است. رنگدانههاي تيتانيوم دياكسيد به صورت تجاري به دو روش سولفاته و يا كلريدي توليد ميشود. در حال حاضر به دليل كمبود ذخاير مواد معدني غني از روتيل در جهان توجهات به سمت ايلمينيت عيار پايين جلب شده است و در اين راستا چندين روش براي غنيسازي تيتانيوم دياكسيد در كنسانترههاي ايلمينيت عيار پايين با تبديل به روتيل مصنوعي و يا سرباره تيتانيومي به روش سولفاته پيشنهاد شده است. روش سولفاته به دليل هزينه كمتر و راندمان بالاتر، به عنوان يكي از بهترين روشها براي توليد اين رنگدانه مورد استفاده قرار ميگيرد. در اين پژوهش، هدف اصلي اين بود كه با اجراي بهترين شرايط بليچينگ، ميزان روشنايي و كيفيت رنگدانه تيتانيوم دياكسيد افزايش يابد. در پژوهش حاضر، براي توليد تيتانيوم دياكسيد از سرباره حاصل از ذوب و احياي ايلمينيت در كوره قوس الكتريكي استفاده شد. سرباره تيتانيوم با سولفوريك اسيد در محدوده دمايي ℃150-180حل شد و سپس اين كيك حل شده تحت شرايط دمايي ℃80-85 ليچينگ شد. پس از حذف سولفات آهن (FeSO4.7H2O) از محلول سياه ، با آب هيدروليز شد. در مرحله هيدروليز ذرات تيتانيوم دياكسيد در دماي جوش محلول شروع به رسوبكردن و تهنشين شدند. رسوب تيتانيوم دياكسيد هيدراته در مرحله بليچينگ، يك نمونه با سولفوريك اسيد و يك عامل احياكننده و نمونه ديگر تنها با سولفوريك اسيد و بدون عامل احياگر بليچ شد. پس از اتمام فرايند، رسوب شسته شد و در دماي ℃1000-800 تكليس گرديد. پودرهاي توليد شده به همراه پلي سيليكات مورد عمليات سطحي قرار گرفته و تيتانيوم دياكسيد اصلاح شده توليد شده است . فاز ايجاد شده در محصول نهايي براي تيتانيوم دياكسيد در حضور و غياب عامل احياكننده مرحله بليچينگ، هر دو روتيل بود كه با نمونه رنگدانه تجاري مطابقت داشت. همچنين نتايج اين پژوهش نشان داد كه روش سولفاته باعث ساختار كروي و يكنواخت ذرات تيتانيوم دياكسيد گرديد. همچنين، خلوص تيتانيوم دياكسيدي كه با استفاده از يك عامل احياكننده توليد شده است، برابر 96/97% است كه براي رنگدانه تجاري اين عدد برابر 97/98% است. نتايج آناليز رنگ سنجي نيز نشان ميدهد كه با افزودن عامل احياگر، ميزان سفيدي براي تيتانيوم دياكسيد بهبود مييابد كه باعث افزايش روشنايي و كيفيت اين رنگدانه ميشود. براساس دادههاي به دست آمده از آناليز رنگسنجي، ميزان سفيدي براي نمونه تيتانيوم دياكسيد در حضور احياكننده برابر 33/59 و براي رنگدانه تجاري عدد 86/63 است. شدت روشنايي نيز براي تيتانيوم دياكسيد در حضور احياكننده (02/94)، بيشتر از شدت روشنايي براي رنگدانه تجاري (06/88) است. نتايج آزمونهاي انجام شده نشان داد كه بهترين شرايط براي بليچينگ تيتانيوم دياكسيد در حضور سولفوريك اسيد و عامل احياكننده است. در اين شرايط، روشنايي، كيفيت و خواص رنگدانه تيتانيوم دياكسيد به ميزان قابل توجهي افزايش يافت. با بهينهسازي شرايط فرايند و استفاده از عوامل احياكننده مناسب در مرحله بليچينگ، ميتوان كيفيت و روشنايي رنگدانه تيتانيوم دياكسيد را بهبود بخشيد. اين امر ميتواند براي صنايع مختلف كاربرد داشته باشد و در نتيجه، ارزش اقتصادي آن را افزايش دهد. همچنين، با استفاده از روشهاي موجود براي استخراج تيتانيوم دياكسيد از منابع معدني كم عيار مانند ايلمينيت، ميتوان به توسعه پايدار منابع خام اين رنگدانه كمك كرد.
چكيده انگليسي :
Titanium dioxide pigment is one of the most important pigments used in the paint, plastic, paper and ink, solar cells, coating, and food industries. This pigment is of special importance due to its stability and high resistance to heat, sunlight, and chemicals. Titanium dioxide pigments are commercially produced by either the sulfate or chloride process. Currently, due to the scarcity of rich rutile mineral reserves worldwide, attention has shifted towards low-grade ilmenite, and several methods have been proposed to enrich titanium dioxide in low-grade ilmenite concentrates by converting it to synthetic rutile or titanium slag using the sulfate process. The sulfate process is used as one of the best methods for producing this pigment due to its lower cost and higher efficiency. The main objective of this research was to increase the brightness and quality of titanium dioxide pigment by implementing the best bleaching conditions. In this study, slag obtained from the melting and reduction of ilmenite in an electric arc furnace was used to produce titanium dioxide. The titanium slag was dissolved in sulfuric acid in the temperature range of 150-180°C, and then the resulting cake was leached under temperature conditions of 80-85°C. After removing iron sulfate (FeSO4·7H2O) from the black solution, it was hydrolyzed with water. During the hydrolysis stage, titanium dioxide particles started to precipitate and settle in the boiling solution. The precipitated titanium dioxide hydrate was bleached with one sample using sulfuric acid and a reducing agent, and another sample was bleached with only sulfuric acid without a reducing agent. After the completion of the process, the precipitate was washed and calcined at temperatures ranging from 800 to 1000°C. The produced powders were subjected to surface treatment with polysilicate, resulting in modified titanium dioxide pigment. The phase formed in the final product for titanium dioxide in the presence and absence of the reducing agent during the bleaching stage was rutile, which matched the commercial pigment sample. Furthermore, the results of this study showed that the sulfate process resulted in spherical and uniform particles of titanium dioxide. Moreover, the purity of the titanium dioxide produced using a reducing agent was 96.97%, compared to 97.98% for the commercial pigment. Colorimetric analysis results also indicated that the addition of a reducing agent improved the whiteness of titanium dioxide, resulting in increased brightness and quality of the pigment. Based on the data obtained from colorimetric analysis, the whiteness value for the titanium dioxide sample in the presence of the reducing agent was 59.33, compared to 63.86 for the commercial pigment. The brightness intensity for titanium dioxide in the presence of the reducing agent (94.02) was higher than that of the commercial pigment (88.06). The results of the conducted tests showed that the best conditions for bleaching titanium dioxide are in the presence of sulfuric acid and a reducing agent. Under these conditions, the brightness, quality, and properties of titanium dioxide pigment significantly increased. By optimizing the process conditions and using suitable reducing agents in the bleaching stage, the quality and brightness of titanium dioxide pigment can be improved. This can have applications in various industries and consequently increase its economic value. Furthermore, by utilizing existing methods for extracting titanium dioxide from low-grade mineral sources such as ilmenite, it is possible to contribute to the sustainable development of raw material resources for this pigment.