روتایل (1)

روتایل از لحاظ تئوری، حاوی 100 % دی اکسید تیتانیم است اما در طبیعت این ماده می تواند حتی حاوی 10 % اکسید آهن باشد. ماده ی معدنی ایلمنیت (ilmenite) (FeO.TiO_2 ;52.6 %TiO_2,47.4 % FeO ) بیشتر به همراه
دوشنبه، 22 آذر 1395
تخمین زمان مطالعه:
پدیدآورنده: علی اکبر مظاهری
موارد بیشتر برای شما
روتایل (1)
روتایل (1)

 

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون



 
روتایل از لحاظ تئوری، حاوی 100 % دی اکسید تیتانیم است اما در طبیعت این ماده می تواند حتی حاوی 10 % اکسید آهن باشد. ماده ی معدنی ایلمنیت (ilmenite) (FeO.TiO_2 ;52.6 %TiO_2,47.4 % FeO ) بیشتر به همراه روتایل و در ماسه های معدنی سنگین یافت می شود. به هر حال، این ماده هم اکنون، مهم ترین منبع تولید فلز تیتانیوم است. از لحاظ میزان تیتانیوم اکسید، این ماده میزان دی اکسید تیتانیوم کمتری دارد اما این ماده به صرفه ترین ماده ی معدنی مورد استفاده در تولید فلز تیتانیوم می باشد.
روتایل، آناتاس و بروکیت، سه پلیمرف دی اکسید تیتانیوم است که دارای ترکیب شیمیایی TiO_2 است اما شکل کریستالی آنها، متفاوت می باشد. تفاوت این اشکال پلمرف، به دلیل دمای تشکیل آنها، ایجاد شده است. آناتاس در پایین ترین دما، شکل می گیرد، بروکیت در دماای متوسط و روتایل ، در بالاترین دما، تشکیل می شود. در نتیجه، آناتاس و بروکیت، بعد از تشکیل، دارای زمان اصلاح شدن زیادی هستند. به عنوان یک نتیجه، امروزه، روتایل اولیه به صورت گسترده در سنگ های آذرین مانند دیوریت، سینیت، گرانیت، آمفیبول و ... وجود دارند. البته میزان این ذخایر، معمولاً کم و اندازه ی کریستال های آن میکروسکوپی است. اغلب کریستال های با اندازه ی بزرگتر، ترجیح داده می شوند. اما از لحاظ اقتصادی، مقادیر قابل استخراج از این ماده، در سنگ های ثانویه ی موجود در مواد معدنی ماسه ای، یافت می شود. نام روتایل از واژه ی یونانی "روتیلوس" (rutilus) گرفته شده است. این واژه به معنای قهوه ای مایل به قهوه ای می باشد. در واقع این نامگذاری، به رنگ این ماده ی معدنی، اشاره دارد. آناتاس، نیز به شیوه ای مشابه تشکیل می شودو بروکیت نیز یک مینرال معدنی نادر است.
دانه های قابل استفاده از روتایل، در ماسه سنگ های ساحلی یافت می شود. استرالیا، تولید کننده ی اول روتایل در دنیاست. ماسه های ساحلی فلوریدای آمریکا نیز حاوی 0.3 % روتایل است.

تاریخچه

ذخایر ماسه ای این ماده در کرلای هند، در سا 1909 کشف شده است. کارگرانی که با استفاده از پوست نارگیل، طناب می بافتند، مجبور بودند تا این با دست کشیدن در داخل ماسه ها، پوست های نارگیل را جدا کنند. معمولاً مقادیری ماسه به پوست های تر نارگیل می چسبید. برخی از این سنگ ها، بوسیله ی صادرات طناب های بافته شده، وارد آلمان شدند. یک روز در سال 1909، C. W. Schomberg شیمیدان آلمانی، به صورت تصادفی، درخشش این سنگ ها را مشاهده کرد. او به هند آمد و این ذخایر را مورد بررسی قرار داد. او یک کارخانه ی فراوری را در سال 1911 تأسیس کرد و در همان سال بهره برداری از مونازیت، نیز آغاز شد. امروزه، ماسه های مونازیتی به همراه برخی مواد معدنی مانند ایلمنیت، روتایل، زیرکن، گارنت و ... یافت می شوند. بنابراین، در این کارخانه، ایلمنیت تغلیظ می شد و جداسازی آن انجام می شد. در طی جنگ جهانی اول، انگلیسی ها بر این کارخانه، مسلط شدند. در سال 1951، دولت هند یک تعهد جدید در این زمینه امضا کرد و شرکت Rare Earths هند در همین سال و به منظور معدن کاری و فرآوری مینرال ها و خاک های معدنی نادر، تأسیس گردید. در ابتدا این شرکت یک کارخانه ی فرآوری مونازیت داشت و برخی از مواد اکسیدی نادر را تولید می کرد. بعدها و در سال 1965، این شرکت، کارخانه هایی را به منظور تفکیک مواد معدنی مختلف از جمله روتایل، تأسیس کرد.
تولید جهانی روتایل در سال 2000، برابر با 486000 تن بوده است. استرالیا، آفریقای جنوبی و آمریکا، تقریباً 95 % از این تولید را به خود اختصاص داده اند.

معیار استفاده

روتایل از لحاظ تئوری، حاوی 100 % دی اکسید تیتانیوم است. اما تیتانیوم تولید شده، می تواند حاوی ناخالصی هایی باشد. این ماده، یک پودر سفید رنگ، نرم و خالص است. بنابراین، اگر چه بسیاری از خواص این ماده ی شیمیایی و مواد معدنی حاوی روتایل، مورد بررسی قرار گرفته اند، هنوز هم روتایل طبیعی، ویژگی های منحصربفردی دارد که به دلیل وجود ساختار خاص، در این ماده، ایجاد شده است. در واقع این مسئله موجب شده است تا این ماده بدون تبدیل کردن آن به ترکیبات شیمیایی دیگر، به صورت مستقیم، مورد استفاده قرار گیرد. خواص روتایل طبیعی که موجب شده است، این ماده از لحاظ صنعتی، مورد توجه باشد، به صورت زیر می باشد:
شکل کریستالی: روتایل دارای ساختار تتراگونال است که این ساختار عموماً به صورت منشوری می باشد. این ماده دارای کلیواژهای واقعی نیست و عموماً به صورت توده ای، تشکیل می شود. این مسئله موجب شده است تا این ماده، تافنس بالایی داشته باشد و مقاومت به شکست آنها بالا باشد.
سختی: سختی این ماده در مقیاس موهس، برابر با 6.0 الی 6.5 می باشد.
رنگ و خواص نوری: رنگ معمولی این ماده قهوه ای مایل به قرمز است اما برخی اوقات، بسته به میزان و نوع ناخالصی، این ماده می تواند بنفش، سبز، آبی و حتی مشکی رنگ باشد.
میزان شفافیت: روتایل ممکن است شفاف، ترانسلوسنت و یا اپک باشد.
ضریب شکست: خاصیت نوری شاخص این ماده، ضریب شکست بالای آن می باشد. پدیده ی انکسار مضاعف در زمانی رخ می دهد که اشعه ی نوری وارد کریستال شود و به دو باریکه ی آهسته و سریع، تبدیل شود. وقتی این دو باریکه از کریستال خارج شود، در زوایای مختلفی حرکت می کند زیرا زاویه ی خروج به سرعت باریکه، وابسته است. ضریب شکست روتایل، در گستره ی 2.616 تا 2.903 است و انکسار مضاعف، منجر به ایجاد رنگ های مختلف در این کریستال ها می شود.
وزن مخصوص: روتایل دارای وزن مخصوص بالایی است که تا 5.2 نیز می رسد.
ویژگی های شیمیایی: روتایل دارای میزان دی اکسید تیتانیوم بالایی است. میزان این ماده 90 تا 100 % است. روتایل در اسید نامحلول است.
خواص الکتریکی: ثابت دی الکتریک مربوط به روتایل، در حدود 12 است و این مسئله نشاندهنده ی این است که بازده ذخیره سازی الکتریکی این ماده در موقع استفاده از آن در خازن، بالاست. با توجه به این ثابت دی الکتریک بالا، این ماده می تواند قوس الکتریکی را پایدار کند و از ایجاد اختلال در قوس، جلوگیری می کند. روتایل، می تواند بار اضافی را ذخیره سازی کند و در زمان نیاز، این بار را آزاد می کند. این مسئله موجب پایدار شدن قوس می شود.
استفاده ها و ویژگی ها
استفاده های مهم از روتایل، عبارتند از:
پیگمنت های دی اکسید تیتانیوم
تولید فلز تیتانیوم
پوشش های میله ی جوشکاری
سنگ های زینتی
در ادامه در مورد آنها صحبت خواهد شد.

تیتانیوم دی اکسید

اگر چه ترکیب شیمیایی روتایل، TiO_2 است. این ماده حاوی برخی ناخالصی هاست. عمدتاً این ناخالصی، اکسید آهن است. بنابراین، تولید دی اکسید تیتانیوم از روتایل، شامل حذف اکسید آهن و سایر ناخالصی ها از سنگ معدن است. دو فرایند برای حذف این ناخالصی ها، وجود دارد:
فرایند سولفاتی: در این فرایند، روتایل نرم و آسیاب شده، در سولفوریک اسید غلیظ، حل می شود و محلولی حاوی سولفات های تیتانیوم و آهن با ناخالصی هایی از جمله، آلومینویم، سیلیکون، فسفر و منیزیم، ایجاد می شود. وقتی این محلول با استفاده از یک روش کنترل شده، با آب رقیق می شود، ابتدا، سولفات تیتانیوم و سولفات آهن، در محلول باقی می ماند و سایر ناخالصی ها، رسوب می کند. این ناخالصی های رسوب کرده، با فیلتراسیون، خارج می شوند. مخلوط سولفات های آهن و تیتانیوم که در محلول باقی مانده است، در دماهای بالا در آب حل می شوند و با استفاده از ریختن کریستال های روتایل به داخل آن، تیتانیوم هیدراته، کریستالی و رسوب می کنند؛ این در حالی است که سولفات آهن در داخل محلول باقی می ماند. تیتانیوم هیدروکسید شستشو و خشک می شود. با کلسیناسیون پودر حاصله در دمایی در گستره ی 600-650 درجه ی سانتیگراد، دی اکسید گوگرد و مواد فرار خارج می شود و جامد دی اکسید تیتانیوم، باقی می ماند.
فرایند کرول یا کلریدی: در فرایند کلریدی، روتایل کلرینه می شود و کلرید آهن و تیتانیوم تترا کلرید تولید می شود. این مواد در آب محلول است. ناخالصی های نامحلول در این حالت، با فیلتراسیون، خارج می شود. برای تولید دی اکسید تیتانیوم با خلوص بالا، دانه های دی اکسید تیتانیوم با خلوص بالا، به محلول اضافه می شود و بدین صورت، دی اکسید تیتانیوم با خلوص بالا، رسوب می کند. ناخالصی کلرید آهن در این حالت، در محلول باقی مانده و از سیستم خارج می شود.
دی اکسید تیتانیوم خالص تولید شده، دارای خواص منحصربفردی است. این خواص، عبارتند از:
رنگ و درخشش: تیتانیوم دی اکسید یک ماده ی سفید روشن است و ضریب شکست آن برابر 2.7 است. این ضریب شکست با تغییر طول موج نور ورودی، تغییر می کند. ضریب شکست بالا به همراه پراکنده سازی بالا، موجب می شود تا این ماده درخشش و ظاهر لوستری داشته باشد. پارامتر رنگی L برای دی اکسید تیتانیوم تازه، برابر 98-100 است و به دلیل سفید رنگی آن، این ماده به عنوان معیار سفیدی در نظر گرفته می شود. درخشش دی اکسید تیتانیوم در زمانی که از طول موج نور آبی استفاده شود، در حدود 97-98 است.
اپک بودن و انعکاس نور: این ماده دارای بالاترین میزان توان پوشانندگی را در میان تمام پیگمنت های شناخته شده دارد. در اندازه ذرات ریز، این ماده هم نور مرئی و هم فرابنفش را انعکاس می دهد. در واقع ذرات با اندازه ی کوچکتر از 0.2 میکرون، نور فرابنفش را پراکنده می کنند.
سمیت: این ماده، سمی نیست.
سختی: این ماده بشدت سخت است.
دیرگدازی: این ماده دیرگدازی بالایی دارد و تا دمای 1800 درجه، مقاوم می باشد.
مقاومت در برابر مواد شیمیایی: این ماده قابلیت خوبی در برابر حمله ی مواد اسیدی دارد.
مهم ترین استفاده های صنعتی از دی اکسید تیتانیوم، به صورت زیر می باشد:

رنگ ها

رنگ سفید، درخشش و ظاهر جذاب، توان پوشش دهندگی بالا، ضریب شکست بالا و قابلیت پراکنده سازی نور مرئی و فرابنفش، سمی نبودن، سختی و دیرگدازی، موجب شده است تا دی اکسید تیتانیوم، به عنوان یک پیگمنت با کارایی بالا تلقی شود. از این ماده در تولید رنگ سفید، استفاده می شود. در واقع این ماده به همراه یک محیط مناسب، به صورت رنگ، مورد استفاده قرار می گیرد. وقتی پودر آسیاب شده ی دی اکسید تیتانیوم با ذرات زیر 0.2 میکرون، موجود باشد، این ذرات دارای قابلیت توزیع شدن و ماندن در محیط سوسپانسونی را دارا می باشند. در این اندازه ی ذره، ذرات، نور مرئی و فرابنفش را پراکنده سازی می کنند. این مسئله موجب افزایش حجم رنگ می شود. این ماده را می توان به همراه سایر مواد رنگی، مورد استفاده قرار داد. با افزودن مواد رنگی به این ماده، پیگمنت های رنگی، ایجاد می شود. برای این هدف حتی ناخالصی های رنگی موجود در سنک معدن این ماده نیز، مزیت محسوب می شود. به هر حال، این ماده در طی زمان، تغییر رنگ می دهد و رنگ آن به سمت زرد حرکت می کند. در این حالت، دوام این ماده افزایش می یابد. این ماده به همراه برخی مواد فیلر مانند دی اکسید زیرکن، مورد استفاده قرار می گیرد.
لعاب های فلزی و لعاب های سرامیکی
دی اکسید تیتانیوم به عنوان عامل اپک کننده، در برخی لعاب های فلزی مورد استفاده قرار می گیرد. علت این استفاده در واقع، درخشش، توان پوششی، سختی و مقاومت در برابر اسید می باشد. لعاب های دی اکسید تیتانیوم کاربردهایی را در زمینه ی پوشش دهی فولاد و چدن پیدا کرده است. از این مواد در تولید پوشش اجاق گاز و یخچال استفاده می شود. این ماده همچنین در تولید لعاب های مورد استفاده در پوشش دهی پرسلان ها، چینی آلات بهداشتی، و ... استفاده می شود. این ماده همچنین عاج دندان مصنوعی را تشکیل می دهد. این ماده همچنین در تولید لاک نیز استفاده می شود.
کاغذ، لاستیک، پارچه، کف پوش
در این کاربردها، استفاده از دی اکسید تیتانیوم به عنوان ماده ی پوششی موجب می شود تا میزان سفیدی، درخشش، ظاهر شفاف در این بخش ها، ایجاد شود. در واقع این ماده دارای توان پوششی بالا و مقاومت در برابر اسید می باشد.

داروسازی

قابلیت آسیاب کاری و تبدیل شدن به پودر ریز، قابلیت پراکنده سازی نور فرابنفش و سمی نبودن، مهم ترین معیار استفاده از این ماده در کاربردهایی است که در آنها پوست آماده سازی می شود. در واقع از این مواد در ساخت کرم های ضد آفتاب و سایر محصولات مشابه، استفاده می شود. این ماده همچنین به عنوان ماده ی سفید کننده و اپک کننده در تولید روکش قرص نیز استفاده می شود.
تولید هیدروژن
با توجه به بررسی های انجام شده بوسیله ی برخی از محققین استرالیایی، این فهمیده شده است که نور خورشید می تواند برای تولید هیدروژن از آب، استفاده شود. این کار به کمک دی اکسید تیتانیوم، انجام میشود. برای این کار، میله هایی از جنس دی اکسید تیتانیوم و یکی میله از جنس پلاتین، در داخل محلولی از آب و مقدار اندکی سود سوزآور، قرار داده می شود. این دو میله، در انتها به هم متصل هستند. در این حالت، به نور فرابنفش اجازه داده می شود تا به میله ی دی اکسید تیتانیومی برخورد کند. این مسئله موجب می شود تا یک اثر شبه الکترولیز ایجاد شود و مولکول آب شکسته شده و هیدروژن و یون اکسیژن تولید شود. هیدروژن به سمت میله ی پلاتینی حرکت می کند و اکسیژن به سمت میله ی دی اکسید تیتانیومی، حرکت می کند. این اثر، در صورتی تشدید می شود که میله ی دی اکسید تیتانیومی با استرانسیوم تیتانیوم، جایگزین شود.

پارچه های خود تمیز شونده

تیتانیوم دی اکسید در حضور نور فرابنفش به عنوان کاتالیست عمل می کند و موجب تسهیل اکسیداسیون یک گستره از مواد آلی می شود. این خاصیت، بوسیله ی یک گروه از محققین دانشگاه پلی تکنیک هنگ کنگ پارچه های خود تمیز شونده تولید کردند. مسئله ی کلیدی این کار، ایجاد یک ساختار کریستالی آناتاسی بر روی سطح می باشد. یک چنین نانوذراتی، به عنوان کاتالیست عمل کرده و در حضور نور خورشید، مولکول های بر پایه ی کربنی را تجزیه می کند. در فرایند توسعه یافته بوسیله ی آنها، پارچه های پنبه ای به داخل مایع حاوی این نانوذرات فروبرده می شود. این پارچه ها، سپس خشک می شوند و در دمای 97 درجه ی سانتیگراد، به مدت 15 دقیقه، حرارت داده می شوند.

صفحات خود تمیزشونده ی ماشین

یک پوشش فوق نازک از نانوذرات تیتانیوم دی اکسید بر روی شیشه های اتومبیل، پوشش داده می شود. این پوشش ها، می توانند به عنوان فیلتری برای اشعه های فرابنفش عمل کند و همچنین موجب افزایش دید راننده شود. در تحقیقاتی که در ایتالیا در این مورد انجام شده است، از تیتانیوم دی اکسید، استفاده شده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
 

 



مقالات مرتبط
نظرات کاربران
ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.