CN106865608A - 锐钛型二氧化钛的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于钛白粉制备技术领域，具体涉及一种锐钛型二氧化钛的制备方法。针对现有的四氯化钛气相氧化法不能制备高纯度的锐钛型二氧化钛的问题，本发明提供一种锐钛型二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：a、将氧气经预热炉预热至850～1050℃,将四氯化钛在惰性气体保护下经另一预热炉预热至750～950℃；b、将步骤a中预热后的氧气和四氯化钛通入反应器中进行反应，控制反应温度为850～1050℃，反应时间为2～15s；反应结束后，收集得到锐钛型TiO2。本发明通过参数的合理搭配，抑制了锐钛型TiO2向着金红石型TiO2的转化，从而得到高纯锐钛型TiO2，该TiO2粒度可控，纯度高，本发明方法操作简单，尾气含量少，成本低，具有重要的经济意义。

Description

锐钛型二氧化钛的制备方法
技术领域
本发明属于钛白粉制备技术领域，具体涉及一种锐钛型二氧化钛的制备方法。
背景技术
二氧化钛(TiO2)俗称钛白粉，作为工业生产中非常重要的原料，广泛应用于油漆、化妆品(紫外线吸收剂)、塑料、造纸、印刷油墨、化纤、橡胶、陶瓷、搪瓷、电子、食品、医药等工业。二氧化钛在自然界中主要有三种晶型，即：板钛矿型、锐钛矿型、金红石型。除板钛矿型TiO2是一种亚稳态，研究较少外，围绕金红石型和锐钛矿TiO2做了大量研究。金红石型TiO2耐热性、热稳定性、化学稳定性均优于锐钛型TiO2，可广泛应用于涂料、油漆、化妆品、塑料等领域；而用作光催化材料时，锐钛型TiO2光催化活性则明显高于金红石型TiO2，在环境治理、有机合成、光解水等领域显示出广阔的应用前景。
目前，二氧化钛的制备方法一般采取四氯化钛气相氧化法，制取钛白的化学反应式为:TiCl4(g)+O2(g)＝TiO2(R)+2Cl2(g)△H＝～181.5856kJ/mol
在常温下该反应基本上不能进行，只有当温度高于600℃以上才有明显的反应速度，随着温度提高，反应速度加快。该反应系放热反应，单释放的反应热只能供应过程热平衡的三分之二左右，因此必须事先将原料(TiCl4,O2)预热，以维持反应连续进行。
在高温下，锐钛型和板钛矿型TiO2都不可逆地转变为金红石型TiO2，所以锐钛型和板钛矿型是TiO2在低温下常见的晶体结构，金红石型是高温下TiO2较常见的结构。工业生产中，四氯化钛气相氧化生产钛白粉的反应温度一般为1600℃，同时有晶型转换剂的加入，其产品TiO2多为金红石型或混晶型产品。
因此,在高温下,利用四氯化钛气相氧化的方法几乎很难得到锐钛型的TiO2,基本都是金红石型TiO2,如何在高温下通过四氯化钛气相氧化的方法制备锐钛型的TiO2是现阶段研究的热点和难点。目前，没有一种有效的方法可以大量生产高纯锐钛型二氧化钛。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：现有的四氯化钛气相氧化法不能制备高纯度的锐钛型二氧化钛的问题。
本发明解决技术问题的技术方案为：提供一种锐钛型二氧化钛的制备方法，该方法包括以下步骤：
a、将氧气经预热炉预热至850～1050℃,将四氯化钛在惰性气体保护下经另一预热炉预热至750～950℃；
b、将步骤a中预热后的氧气和四氯化钛通入反应器中进行反应，控制反应温度为850～1050℃，反应时间为2～15s；反应结束后，收集得到锐钛型TiO2。
其中，上述锐钛型二氧化钛的制备方法中，步骤a中所述的惰性气体为氮气或氩气中的一种。
其中，上述锐钛型二氧化钛的制备方法中，步骤b中所述的氧气与四氯化钛的摩尔比为2～15﹕1；优选为5﹕1。
其中，上述锐钛型二氧化钛的制备方法中，步骤b中所述的反应流场速度为0.2～0.4m/s。所述的反应流场速度是指反应器中气体的流动速度。
其中，上述锐钛型二氧化钛的制备方法中，步骤b中所述四氯化钛通入反应器时采用氮气或氩气驱动。
其中，上述锐钛型二氧化钛的制备方法中，步骤b中所述收集得到锐钛型TiO2的方法为：在反应器壁上收集一部分TiO2，反应后气体采用饱和食盐水淋洗，过滤淋洗液，收集另一部分TiO2。
本发明的有益效果为：本发明提供了一种采用四氯化钛气相氧化法制取高纯度锐钛型TiO2的方法，本发明方法通过控制预热温度、反应温度、四氯化钛浓度以及流场速度等参数来抑制锐钛型TiO2向金红石型TiO2的转化，从而得到高纯锐钛型TiO2，本发明方法操作简单，设备要求不高，生产成本低；制备的锐钛型TiO2产品粒度分布窄,粒度范围可控，可应用于环境治理、有机合成、光解水等领域等广阔的领域。
具体实施方式
本发明提供了一种锐钛型二氧化钛的制备方法，包括以下步骤：
a、将氧气经预热炉预热至850～1050℃,将四氯化钛在氮气或氩气保护下经另一预热炉预热至750～950℃；
b、将步骤a中预热后的氧气和四氯化钛按摩尔比2～15﹕1，以0.2～0.4m/s的速度通入反应器中进行反应，控制反应温度为850～1050℃，反应时间为2～15s；反应结束后，收集得到锐钛型TiO2。
本发明制备锐钛型TiO2的关键在于先将氧气和四氯化钛气体进行预热，能使得反应顺向进行，本发明限定四氯化钛预热器预热温度范围为750～950℃，温度低于750℃，反应不能充分进行，温度太高，对设备要求高，成本提高；氧气预热器预热温度为850～1050℃。
另外，本发明反应温度和时间对于得到锐钛型TiO2极为关键。必须严格控制反应温度为850～1050℃，控制反应时间在2～15s内；为了使反应更完全，氧气/四氯化钛摩尔比为2～15﹕1，优选为5﹕1。反应完成后，在反应器的后端壁面会沉积一部分TiO2；将反应结束后的气体采用饱和食盐水进行淋洗，收集淋洗后液体，采用200～300目滤布过滤，得到另一部分TiO2。
本发明通过控制反应温度和反应时间，可以使制备得到的TiO2粒度可控，在本发明的温度范围和反应时间内，得到的锐钛型TiO2不会向金红石型TiO2转化，并且粒子范围可控制在20～300nm范围内。
下面通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例1用本发明方法制备锐钛型二氧化钛
制备锐钛型二氧化钛，具体操作步骤如下：
a、将氧气经预热炉预热至850℃,将四氯化钛在氮气或氩气保护下经另一预热炉预热至750℃；
b、将步骤a中预热后的氧气和四氯化钛按摩尔比2﹕1，以0.2m/s的速度通入反应器中进行反应，控制反应温度为850℃，反应时间为15s；反应结束后，收集得到锐钛型TiO2。
实施例1中，得到的TiO2纯度为99.8％，锐钛型TiO2含量为100％，TiO2粒度为20～300nm，粒度可控。
实施例2用本发明方法制备锐钛型二氧化钛
制备锐钛型二氧化钛，具体操作步骤如下：
a、将氧气经预热炉预热至1050℃,将四氯化钛在氮气或氩气保护下经另一预热炉预热至950℃；
b、将步骤a中预热后的氧气和四氯化钛按摩尔比15﹕1，以0.4m/s的速度通入反应器中进行反应，控制反应温度为1050℃，反应时间为2s；反应结束后，收集得到锐钛型TiO2。
实施例2中，得到的TiO2纯度为99.8％，锐钛型TiO2含量为100％，TiO2粒度为20～300nm，粒度可控。
实施例3用本发明方法制备锐钛型二氧化钛
制备锐钛型二氧化钛，具体操作步骤如下：
a、将氧气经预热炉预热至950℃,将四氯化钛在氮气或氩气保护下经另一预热炉预热至850℃；
b、将步骤a中预热后的氧气和四氯化钛按摩尔比5﹕1，以0.3m/s的速度通入反应器中进行反应，控制反应温度为950℃，反应时间为10s；反应结束后，收集得到锐钛型TiO2。
实施例3中，得到的TiO2纯度为99.9％，锐钛型TiO2含量为100％，TiO2粒度为20～300nm，粒度可控。
对比例1采用现有方法制备二氧化钛
制备二氧化钛，具体操作步骤如下：
a、将氧气经预热炉预热至850℃,将四氯化钛在氮气或氩气保护下经另一预热炉预热至700℃；
b、将步骤a中预热后的氧气和四氯化钛按摩尔比2：1，以0.2m/s的速度通入反应器中进行反应，控制反应温度为700℃，反应时间为15s；反应结束后，未收集到TiO2。
当反应温度小于700℃时，不能发生完全反应，不能收集得到TiO2；当反应温度超过1450℃时，不能得到高纯锐钛型二氧化钛。
由实施例和对比例可看出，本发明的方法通过将氧气与四氯化钛先预热到合适的温度范围，再严格的控制反应温度和反应时间，能够抑制锐钛型TiO2向金红石型TiO2的转化，从而得到粒度可控的高纯锐钛型TiO2，为制备锐钛型TiO2提供了一种适宜的方法，具有重要的意义。

Claims (7)

1.锐钛型二氧化钛的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、将氧气经预热炉预热至850～1050℃,将四氯化钛在惰性气体保护下经另一预热炉预热至750～950℃；
b、将步骤a中预热后的氧气和四氯化钛通入反应器中进行反应，控制反应温度为850～1050℃，反应时间为2～15s；反应结束后，收集得到锐钛型TiO2。
2.根据权利要求1所述的锐钛型二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤a中所述的惰性气体为氮气或氩气中的一种。
3.根据权利要求1所述的锐钛型二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤b中所述的氧气与四氯化钛的摩尔比为2～15﹕1。
4.根据权利要求1所述的锐钛型二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤b中所述的氧气与四氯化钛的摩尔比为5﹕1。
5.根据权利要求1所述的锐钛型二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤b中所述的反应流场速度为0.2～0.4m/s。
6.根据权利要求1所述的锐钛型二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤b中所述四氯化钛通入反应器时采用氮气或氩气驱动。
7.根据权利要求1所述的锐钛型二氧化钛的制备方法，其特征在于：步骤b中所述收集得到锐钛型TiO2的方法为：在反应器壁上收集一部分TiO2，反应后气体采用饱和食盐水淋洗，过滤淋洗液，收集另一部分TiO2。
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