CHƯƠNG 2 HOÀN NGUYÊN TiO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP NHIỆT KIM
2.2.1. Hoàn nguyên TiO2 bằng canxi kim loạ
Mặc dù giá cả tương đối cao nhưng do khả năng nhiệt động học vượt trội trong phản ứng hoàn nguyên TiO2, canxi đã được các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt quan tâm nghiên cứu.
Do Ca kim loại rất dẻo khó nghiền thành bột, hơn nữa Ca hoạt động hóa học mạnh, do đó nên sử dụng Ca dạng hạt 2 - 5 mm để dảm bảo Ca không bị oxy hóa thành CaO.
Phản ứng hoàn nguyên TiO2 xảy ra ở trạng thái: rắn - rắn và một phần lỏng - rắn [17]. 2Ca (r) + TiO2 (r) = 2CaO (r) + Ti (r) (2.3) 2Ca (l) + TiO2 (r) = 2CaO (r) + Ti (r) + 85,4 kcal (2.4) Phản ứng hoàn nguyên TiO2 bằng Ca tốt nhất ở 850 – 1000 oC có thể thu được titan kim loại, phản ứng xảy ra theo các bước sau:
Ca + TiO2 → CaO + TiO (2.5)
Ca + 2TiO2 → CaO + Ti2O3 (2.6)
Ca + Ti2O3 → CaO + TiO (2.7)
Ca + TiO → CaO + Ti (2.8)
Nhiệt tỏa ra xấp xỉ 530 kcal cho 1 kg hỗn hợp (thành phần hợp thức) do đó không đủ để phản ứng tự xảy ra mà phải cung cấp thêm nhiệt từ bên ngoài.
Quá trình hoàn nguyên được thực hiện trong môi trường agon ở 1000 o
C. Ở nhiệt độ này Ca tồn tại ở thể lỏng và một ít ở thể khí (ở 1000 o
C, PCa = 11 mmHg) rất thích hợp cho Ca tiếp xúc với TiO2. Để hoàn nguyên cần dùng Ca sạch không chứa N và C để tránh nhiễm bẩn vào Ti về sau. Sử dụng chất trợ dung CaCl2 để tạo ra pha lỏng hòa tan CaO sinh ra (1 mol CaCl2 cho 2 mol CaO).
Quá trình hoàn nguyên được thực hiện trong thiết bị lớn bằng thép chịu nhiệt, trong đó người ta nạp hỗn hợp đã đóng bánh gồm (TiO2 + CaCl2 + Ca). Dùng Ca dạng hạt hoặc dạng sợi.
Bình phản ứng được hút chân không sau đó điền đầy agon và nung lên đến 1000 – 1100 oC, giữ ở nhiệt đó trong thời gian 1 giờ, sau đó hạ nhiệt.
Sản phẩm hoàn nguyên được nghiền rồi hòa tách bằng nước, tiếp theo hòa tách bằng axit loãng (HCl hoặc HNO3). Sau đó rửa bột Ti bằng nước sạch và sấy trong chân không ở 40 – 50 oC.
Để hạ thấp O2 trong bột Ti xuống khoảng 0,2%, có thể đem bột Ti đi hoàn nguyên một lần nữa bằng Ca. Tuy nhiên Ti thu được theo phương pháp này vẫn có độ cứng cao và đô dẻo thấp hơn là Ti được hoàn nguyên từ TiCl4 [17].
Sản phẩm Ti bột thu được bằng phương pháp nhiệt Ca thường có thành phần sau:
Bảng 2.1. Thành phần hóa học sản phẩm Ti khi nhiệt kim TiO2 bằng Ca
TT Nguyên tố Hàm lượng, (%) TT Nguyên tố Hàm lượng, (%)
1 Ti 98,5 – 99,0 7 Fe 0,1 – 0,25 2 N 0,03 – 0,15 8 Al 0,05 – 0,15 3 O 0,2 – 0,4 9 Ca 0,1 – 0,3 4 H 0,01 – 0,03 10 Mg < 0,03 5 Si 0,1 – 0,2 11 Cu 0,01 – 0,1 6 C 0,01 – 0,05
2.2.2. Chế tạo bột Ti bằng phương pháp tạo phôi dioxit titan hoàn nguyên bằng nhiệt canxi dạng hơi ( quy trình: PRP )