KR101741591B1 - Method and apparatus for manufacturing titania - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method and an apparatus for producing titania. The method comprises the steps of: i) reacting ilmenite (FeTiO_3) with ammonia gas (NH_3) and hydrogen fluoride gas (HF) in an inert atmosphere to cause it to decompose into a titanium compound ((NH_3)_3TiF_7) and an iron compound ((NH_3)_3FeF_6); ii) subjecting the titanium compound to a first thermal treatment to produce a titanium fluoride (TiF_4); iii) subjecting the titanium fluoride to a second thermal treatment with ammonia water (NH_4OH) in an oxidizing atmosphere to produce titania (TiO_2); and iv) sintering the titania to prepare anatase-type titania or rutile-type titania, wherein the NH_3 and HF gases generated in the steps ii) and iii) are collected and recirculated to the step i).

Description

티타니아의 제조방법 및 제조장치{METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING TITANIA}[0001] METHOD AND APPARATUS FOR MANUFACTURING TITANIA [0002]

본 발명은 공정 효율성 및 생산성이 우수하고 환경 친화적인 티타니아의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and an apparatus for producing titania which are excellent in process efficiency and productivity and environmentally friendly.

티타니아(TiO2)는 전이금속인 티타늄 원자 하나와 산소 원자가 결합된 분자로서 분자량은 79.866 g/mol이다. 이러한 티타니아는 물리적, 화학적으로 안정하며, 굴절율이 2.5 이상으로 천연 재료 중 가장 높은 굴절율을 가진 다이아몬드보다도 더 크다. 굴절율이 크면 광학재료에서 굴절율이 낮은 매질에서 밖으로 나오는 광의 양이 많아지게 되며, 광도파로형에서는 광도파로 코어의 크기나 광학 렌즈의 두께를 줄일 수 있다. 또한 고굴절 입자를 고분자 매질에 분산시키면 광을 산란시키는 능력이 우수하므로 백색도가 보다 증가한다. 이에 티타니아는 고굴절 특성으로 인하여 오래 전부터 백색안료로서 사용된 중요한 공업재료 중의 하나이다.Titania (TiO 2 ) is a molecule in which oxygen atoms are bonded to one titanium atom, which is a transition metal, and has a molecular weight of 79.866 g / mol. Titania is physically and chemically stable and has a refractive index of 2.5 or more and is larger than a diamond having the highest refractive index among natural materials. When the refractive index is large, the amount of light emitted from the medium having a low refractive index in the optical material increases. In the optical waveguide type, the size of the optical waveguide core or the thickness of the optical lens can be reduced. Also, dispersing the high refractive index particles in the polymer medium increases the whiteness because of its ability to scatter light. Titania is one of the important industrial materials used as white pigment for a long time due to its high refractive index.

티타니아는 결정구조상 아나타제(anatase), 브루카이트(brookite), 루타일(rutile)의 3가지 결정형이 있다. 이중에서 백색안료로 사용되기 위해서는 굴절 지수가 우수해야 하므로 아나타제형과 루타일형이 주로 사용되고 있다. 아나타제형과 루타일형은 결정구조상 티탄이온(Ti4 +) 주위에 6개의 산소이온(O2-)이 둘러쌓고 있는 팔면체(octahedra, TiO6 2 -) 단위를 기본으로한다는 점은 같다. 그러나 루타일형은 미세하게 뒤틀린 사방정계이지만, 아나타제형은 팔면체가 매우 심하게 뒤틀려 사방정계보다 대칭성이 크게 떨어진 구조이다. 또한 루타일 구조에서는 결정단위가 선접촉 되어있는 반면, 아나타제형은 결정단위 간 점접촉으로 연결된 모양이다. 이러한 구조 차이에 의해 루타일형의 굴절지수이 가장 크며 백색안료로서 요구되는 은폐력 및 착색력 또한 우수한 것으로 알려져 있다.Titania has three crystal forms: anatase, brookite, and rutile. In order to be used as a white pigment, anatase type and rutile type are mainly used because the refractive index should be excellent. The anatase and rutile forms are based on octahedra (TiO 6 2 - ) units surrounded by six oxygen ions (O 2- ) around the titanium ion (Ti 4 + ) in the crystal structure. However, the rutile type is a fine twisted orthotropic system, but the anatase type is a structure in which the octahedron is very distorted and has a much lower symmetry than the orthotropic system. In rutile structure, the crystal units are in line contact while the anatase type is connected in point contact between crystal units. It is known that the rutile type has the largest refractive index and excellent hiding power and tinting power required as a white pigment due to such a structural difference.

티타니아를 공업적으로 제조하는 방법은 염소법과 황산법, 알콕사이드를 이용한 졸-겔법 등이 있다.Methods for industrially producing titania include a chlorine method, a sulfuric acid method, and a sol-gel method using an alkoxide.

황산법은 티탄철석을 분쇄하여 진한 황산과 반응시켜 황산티타늄(TiOSO4)을 생성시킨다. 이 황산티타늄을 가수분해해서 메타티탄산(TiO(OH)2)을 얻게 되며, 이를 800 내지 1000 ℃로 소성하여 아나타제형의 티타니아를 성장시킨 후 원하는 크기의 티타니아를 얻고, 추가적으로 아나타제형의 티타니아를 1,100 ℃ 이상에서 2차 소성하여 루타일형의 티타니아를 제조하는 방법이다.The sulfuric acid method produces titanium sulfate (TiOSO 4 ) by pulverizing titanium oxide and reacting with concentrated sulfuric acid. (TiO (OH) 2 ) is obtained by hydrolyzing the titanium sulfate to obtain titania of the desired size after growing the anatase type titania by calcining it at 800 to 1000 DEG C, and further adding anatase type titania to the 1,100 Lt; 0 > C or more to produce rutile type titania.

이 방법은 대량 생산에는 유리한 면이 있으나 고농도의 황산의 사용으로 인해 수세 공정에서 물이 많이 소비되며 황산철과 같은 폐기물이 발생하여 환경 처리 비용이 많이 발생한다. 또한, 고온 열처리와 가혹한 분쇄 공정이 필요하기 때문에 비교적 높은 설비 비용과 많은 불순물 혼입으로 인해 최종 제품의 품질이 크게 저하되는 문제가 있다.Although this method is advantageous in mass production, the use of a high concentration of sulfuric acid consumes a large amount of water in the water washing process, and waste such as iron sulfate is generated, thereby causing a great deal of environmental processing cost. In addition, since a high-temperature heat treatment and a severe grinding process are required, there is a problem that the quality of the final product is greatly deteriorated due to relatively high equipment cost and a large amount of impurities.

염소법은 원광석으로서 티타니아 순도가 90% 이상으로 높은 천연 루타일, 합성 루타일을 고온에서 염소 가스와 반응시키면 순도가 낮은 사염화티타늄(TiCl4) 기체가 얻어지며, 이를 정제하여 1000 ℃ 정도의 가열 산소와 고온 기상에서 티타니아 입자를 형성시키는 방법이다. 이러한 염소법은 루타일형 티타니아를 비교적 고순도로 얻을 수 있지만, 아나타제 티타니아는 제조할 수 없고, 반응 중에 위험성이 높은 부식성가스(HCl, Cl2)가 발생되어 이에 대한 보호설비가 요구되며 염소의 단가가 높아 생산 비용이 높다는 문제점이 있다.The chlorine method is a process in which titanium chloride tetrachloride (TiCl 4 ) gas having a low purity is obtained by reacting natural rutile and synthetic rutile having high titania purity of 90% or more with chlorine gas at a high temperature, It is a method of forming titania particles in oxygen and high temperature vapor phase. This chlorine method can obtain rutile titania with a comparatively high purity. However, since anatase titania can not be produced, corrosive gas (HCl, Cl 2 ) which is dangerous during the reaction is generated, There is a problem that the production cost is high.

졸-겔 방법은 알코올이나 물 같은 용매에 티타늄 테트라이소프로폭사이드(titanium tetraisopropoxide), 티타늄 테트라부톡사이드(titanium tetrabutoxide) 등의 티타늄 알콕사이드(titanium alkoxide)를 넣고 가수분해 반응을 통하여 티타니아 졸(titania sol)을 생성시킨 다음에 열처리를 하여 얻는 방법이다. 이 방법은 비교적 입자 크기가 작으며 고순도로 얻을 수 있으며 박막코팅에 유용하다는 장점이 있는 반면에 고가의 원료를 사용하기 때문에 제품 단가가 매우 높다는 결점을 가지고 있다.In the sol-gel method, a titanium alkoxide such as titanium tetraisopropoxide or titanium tetrabutoxide is added to a solvent such as alcohol or water, and the titania sol ) And then heat treatment. This method has a relatively small particle size and can be obtained at a high purity and is advantageous for thin film coating, but has a drawback that the cost of the product is very high because it uses an expensive raw material.

기존의 티타니아 제조방법은 복잡한 공정, 높은 생산비용, 낮은 수율 및 생산성의 문제 뿐만 아니라 취급물질과 공정이 위험하며 환경 부하가 매우 크다. 이에 티타니아 제조방법을 개선하기 위한 다양한 기술이 제안되었다.Conventional methods of producing titania are dangerous for handling materials and processes, as well as complicated processes, high production costs, low yield and productivity problems, and have a large environmental load. Various techniques for improving the titania production method have been proposed.

일례로, 대한민국 등록특허 제10-1565477호는 황산법을 이용한 산화티타늄 유도체 제조방법에 있어서 가수분해 단계 이전 또는 이후에 가압 단계를 수행함으로써 이산화티타늄 나노입자의 크기를 조절하는 기술을 제시하고 있다.For example, Korean Patent No. 10-1565477 discloses a technique for controlling the size of titanium dioxide nanoparticles by performing a pressurization step before or after a hydrolysis step in a method for producing a titanium oxide derivative using a sulfuric acid method.

또한, 대한민국 공개특허 제2015-0072264호는 티타니아 졸을 제조함에 있어 특정 고온, 고압 조건 하에서 수열합성반응 및 수계 합성반응을 수행하여 산화티탄 나노입자의 분산성 및 투명성을 개선하는 기술을 제시하고 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0072264 discloses a technology for improving the dispersibility and transparency of titanium oxide nanoparticles by performing a hydrothermal synthesis reaction and a water-based synthesis reaction under specific high-temperature and high-pressure conditions in the production of titania sol .

또한, 대한민국 공개특허 제2015-0076898호는 티탄철석과 불화 화합물을 반응을 통해 티타니아를 연속적으로 제조하는 기술을 제시하고 있으나, 건식 공정과 습식 공정이 혼재되어 있어 실제 상용화 설비에 연속 공정으로의 적용이 어렵다. 이에 더해서, 고체 상태의 불화 화합물이 사용으로 인해 효율이 감소하고 제조시간이 길어지며 공정의 각 단계에서 생성되는 부산물이 모두 폐기되므로 환경오염을 유발할 수 있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0076898 discloses a technique for continuously producing titania through reaction of titanium oxide with a fluorine compound, but since a dry process and a wet process are mixed, application to a commercialization facility as a continuous process it's difficult. In addition, use of fluorinated compounds in a solid state may reduce the efficiency, prolong the manufacturing time, and may cause environmental pollution since all byproducts generated in each step of the process are discarded.

이들 특허들은 기존의 티타니아 제조방법이 갖는 문제점의 일부를 어느 정도 개선하였으나, 그 효과가 충분치 않다. 따라서, 환경 친화적이며 단순한 공정을 통해 높은 수율 및 품질 특성을 가지는 티타니아의 제조방법 및 제조장치에 대한 연구가 더욱 필요한 실정이다.These patents have improved some of the problems of the existing titania manufacturing method to some extent, but the effect is not sufficient. Therefore, there is a need for research on a manufacturing method and apparatus for producing titania having high yield and quality characteristics through an environmentally friendly and simple process.

대한민국 등록특허 제10-1565477호(2015.10.28.), 산화티타늄 유도체 제조방법Korean Patent No. 10-1565477 (Oct. 27, 2015), a method for producing a titanium oxide derivative 대한민국 공개특허 제2015-0072264호(2015.06.29.), 분산성이 우수한 고굴절 티타니아 졸의 제조방법Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0072264 (June 29, 2015), a method for producing high-refractive-index titania sol having excellent dispersibility 대한민국 공개특허 제2015-0076898호(2015.07.07.), 불화화합물을 이용한 TiO2 제조방법Korean Patent Laid-Open Publication No. 2015-0076898 (Jul. 2015.07.07), a method for producing TiO2 using a fluorinated compound

이에 본 발명자들은 상기한 문제점을 해결하고자 다각적으로 연구를 수행한 결과, 기체 상태의 암모니아 및 불화수소를 활용하고 연속 공정을 도입하며 각각의 단계에서 발생하는 암모니아 및 불화수소를 재사용하는 경우 티타니아의 제조 수율 및 품질을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 폐기물의 발생을 최소화할 수 있음을 확인하였다.As a result of various studies to solve the above problems, the present inventors have found that, when ammonia and hydrogen fluoride in gaseous state are utilized and a continuous process is introduced, and ammonia and hydrogen fluoride generated in respective stages are reused, It was confirmed that not only the yield and quality can be improved but also the generation of waste can be minimized.

이에 본 발명의 목적은 공정 효율이 우수하고 친환경적인 티타니아의 제조방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a process for producing titania which is excellent in process efficiency and environmentally friendly.

또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 제조방법을 이용한 티타니아의 제조장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus for producing titania using the above production method.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은In order to achieve the above object,

ⅰ) 티탄철석(FeTiO3)을 불활성 분위기 하에서 암모니아(NH3) 기체 및 불화수소(HF) 기체와 반응시켜 티타늄 화합물((NH3)3TiF7) 및 철 화합물((NH3)3FeF6)로 분해하는 단계;(NH 3 ) 3 TiF 7 ) and an iron compound ((NH 3 ) 3 FeF 6 ) by reacting titanium oxide (FeTiO 3 ) with ammonia (NH 3 ) gas and hydrogen fluoride (HF) gas under an inert atmosphere, ;

ⅱ) 상기 티타늄 화합물을 1차 열처리하여 티타늄 불화물(TiF4)을 생성하는 단계;Ii) subjecting the titanium compound to a first heat treatment to produce titanium fluoride (TiF 4 );

ⅲ) 상기 티타늄 불화물을 산화 분위기 하에서 암모니아수(NH4OH)와 함께 2차 열처리하여 티타니아(TiO2)를 생성하는 단계; 및Iii) subjecting the titanium fluoride to a second heat treatment together with ammonia water (NH 4 OH) under an oxidizing atmosphere to produce titania (TiO 2 ); And

ⅳ) 상기 티타니아를 소성하여 아나타제(Anatase)형 티타니아 또는 루타일(Rutile)형 티타니아를 제조하는 단계를 포함하는 티타니아의 제조방법에 있어서,(Iv) baking the titania to produce anatase-type titania or rutile-type titania, the method comprising the steps of:

상기 단계 ⅱ) 및 ⅲ)에서 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 회수하여 단계 ⅰ)로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법을 제공한다.And recovering the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas produced in the steps ii) and iii) and recirculating the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas to the step i).

상기 단계 ⅰ)은 100 내지 200 ℃의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 한다.The step i) is carried out at a temperature of 100 to 200 ° C.

이때 상기 단계 ⅰ)에서 암모니아 기체 및 불화수소 기체는 티탄철석 1몰 대비 각각 10 내지 15몰로 사용하는 것을 특징으로 한다.Wherein the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas are used in the step i) in an amount of 10 to 15 moles, respectively, relative to 1 mole of the titanate.

이때 상기 단계 ⅰ)로부터 암모니아 기체 및 물은 회수하여 단계 ⅲ)으로 공급하는 것을 특징으로 한다.Wherein ammonia gas and water are recovered from step i) and supplied to step iii).

상기 단계 ⅱ)의 1차 열처리는 250 내지 400 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.And the first heat treatment of step ii) is performed at a temperature of 250 to 400 ° C.

이때 상기 단계 ⅰ)에서 생성된 철 화합물((NH3)3FeF6)은 1차 열처리를 통해 제거하는 것을 특징으로 한다.At this time, the iron compound ((NH 3 ) 3 FeF 6 ) produced in the step i) is removed through the first heat treatment.

상기 ⅲ)의 2차 열처리는 450 내지 750 ℃의 온도에서 공기 또는 산소를 주입하여 수행하는 것을 특징으로 한다.The second heat treatment of iii) is performed by injecting air or oxygen at a temperature of 450 to 750 ° C.

상기 단계 ⅳ)의 소성 온도가 550 내지 950 ℃ 미만인 경우, 아나타제형 티타니아가 제조되고, 상기 소성 온도가 950 내지 1200 ℃인 경우, 루타일형 티타니아가 제조되는 것을 특징으로 한다.Wherein the anatase-type titania is produced when the firing temperature of step iv) is lower than 550 to 950 占 폚, and rutile-type titania is produced when the firing temperature is 950 to 1200 占 폚.

또한, 본 발명은 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 선택적으로 제조하기 위해,Further, in order to selectively produce anatase-type titania or rutile-type titania,

티탄철석, 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 불활성 분위기 하에서 반응시켜 티타늄 화합물 및 철 화합물을 생성하는 제1반응기;A first reactor for reacting titanium oxide, ammonia gas and hydrogen fluoride gas under an inert atmosphere to produce a titanium compound and an iron compound;

상기 제1반응기와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타늄 화합물을 1차 열처리하여 티타늄 불화물을 생성하는 제2반응기;A second reactor that is connected to the first reactor by piping to generate titanium fluoride by first heat treating the titanium compound introduced therefrom;

상기 제2반응기와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타늄 불화물을 산화 분위기 하에서 암모니아수와 함께 2차 열처리하여 티타니아를 생성하는 제3반응기;A third reactor connected to the second reactor and connected to the third reactor for generating titania by performing a second heat treatment on the titanium fluoride introduced therefrom together with ammonia water under an oxidizing atmosphere;

상기 제3반응기와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타니아를 소성하여 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 제조하는 제4반응기; 및A fourth reactor for producing anatase-type titania or rutile-type titania by firing titania introduced thereinto from a pipeline connected to the third reactor; And

상기 제4반응기와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 포집하는 회수기를 포함하는 티타니아의 제조장치에 있어서,And a recovering unit for collecting the anatase-type titania or the rutile-type titania that is piped to the fourth reactor and introduced thereinto, the apparatus comprising:

상기 제2반응기 및 제3반응기에서 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 포집하여 상기 제1반응부로 공급하는 회송 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조장치를 제공한다.And a return line for collecting ammonia gas and hydrogen fluoride gas generated in the second reactor and the third reactor and supplying the collected ammonia gas and hydrogen fluoride gas to the first reaction section.

상기 티타니아의 제조장치는 상기 제1반응기로부터 암모니아 기체 및 물은 회수하여 제3반응기로 공급하는 회송 라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.Wherein the apparatus for producing titania further comprises a return line for recovering ammonia gas and water from the first reactor and supplying the recovered ammonia gas and water to the third reactor.

이때 상기 티타니아의 제조장치는 상기 제2반응기에서 1차 열처리된 철 화합물을 외부로 배출시키기 위한 챔버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus for producing titania may further include a chamber for discharging the iron compound subjected to the first heat treatment in the second reactor to the outside.

이때 상기 티타니아의 제조장치는 상기 제3반응기에 공기 또는 산소를 공급하는 공급 라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus for producing titania may further include a supply line for supplying air or oxygen to the third reactor.

본 발명에 따른 티타니아의 제조방법 및 제조장치는 다음과 같은 장점이 있다.The method and apparatus for producing titania according to the present invention have the following advantages.

(1) 티탄철석과 기체 상태의 암모니아 및 불화수소를 반응시킴으로써 반응 활성을 보다 높일 수 있다. 이에 더해서, 각 단계에서 발생하는 암모니아 기체와 불화수소 기체를 별도의 가공 단계 없이 회수하여 재사용할 수 있어 비용을 절감할 수 있고, 폐기물의 배출을 최소화하여 환경 친화적이다.(1) Reaction activity can be further enhanced by reacting titanium oxide with gaseous ammonia and hydrogen fluoride. In addition, the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas generated at each stage can be recovered and reused without a separate processing step, thereby reducing the cost and minimizing the waste discharge, thereby being environmentally friendly.

(2) 연속식 공정을 도입하여 최종 얻어지는 티타니아의 특성을 개선할 뿐 아니라 품질의 균일성을 확보할 수 있으며, 공정 효율성을 높이고 대량 생산이 가능하다.(2) By introducing a continuous process, it is possible not only to improve the properties of the finally obtained titania, but also to ensure the uniformity of the quality, and to increase the process efficiency and mass production.

(2) 소성 온도 조절을 통해 아나타제형과 루타일형 티타니아 모두를 용이하게 제조할 수 있다.(2) Both the anatase type and the rutile type titania can be easily produced by controlling the firing temperature.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 티타니아의 제조방법을 나타낸 공정순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 티타니아의 제조장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3 및 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 루타일형 티타니아의 SEM(scanning electron microscope) 사진 및 XRD(x-ray diffraction spectroscopy) 패턴 사진이다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예 4에 따른 아나타제형 티타니아의 SEM(scanning electron microscope) 사진 및 XRD(x-ray diffraction spectroscopy) 패턴 사진이다.
FIG. 1 is a process flow diagram illustrating a method for producing titania according to an embodiment of the present invention.
2 is a view schematically showing an apparatus for producing titania according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are SEM (scanning electron microscope) photographs and X-ray diffraction spectroscopy (XRD) pattern photographs of rutile titania according to Example 1 of the present invention.
5 and 6 are SEM (scanning electron microscope) photographs and X-ray diffraction spectroscopy (XRD) pattern photographs of anatase type titania according to Example 4 of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 본 발명의 설명의 편의를 위해 도면에 제시된 구성요소는 본 발명의 권리에 영향을 미치지 않는 한 단순화하여 도시하거나, 과장 또는 생략할 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. It should be understood, however, that the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments and examples described herein. In the drawings, like reference numerals refer to like elements, and for convenience of description, components shown in the drawings may be simplified, exaggerated, or omitted as long as they do not affect the rights of the present invention.

본 발명에서 사용되는 용어 “티타니아” 내지 “산화티탄”은 화학 양론적으로 TiO2로 나타나는 산화된 티타늄 및 이의 결정으로, 이들은 실질적으로 동일한 물질을 나타낸다. 다만, 본 명세서에 있어서 지칭하고자 하는 대상물의 혼동을 피하기 위해 양자의 용어를 구별하여 사용한 것으로, 이들이 전혀 다른 물질을 의미하는 것은 아니다.As used herein, the terms " titania " to " titanium oxide " refer to oxidized titanium and its crystals stoichiometrically represented as TiO 2 , which represent substantially the same material. However, in order to avoid confusion of the objects to be referred to in the present specification, the terms of the two are used differently, and they do not mean completely different materials.

본 발명은 연속 공정을 통해 효율적이며 친환경적으로 티타니아를 제조하기 위한 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a manufacturing method and a manufacturing apparatus for manufacturing an efficient and environmentally friendly titania through a continuous process.

종래 사용되고 있는 황산법, 염산법, 졸-겔 방법 등의 티타니아 제조방법은 공정 효율성, 안전성, 경제성 및 생산성 측면에서 결점을 가질 뿐만 아니라 폐기물이 다량 발생하기 때문에 환경에 주는 영향이 크다는 문제점이 있었다.Conventional titania production methods such as the sulfuric acid method, the hydrochloric acid method and the sol-gel method have drawbacks in terms of process efficiency, safety, economical efficiency and productivity, as well as a large amount of waste, which has a great impact on the environment.

이에 본 발명은 황산, 염산 등의 위험성이 크거나 원료 단가가 높은 출발물질을 사용하는 대신 기체 상태의 암모니아와 불화수소를 이용하여 티탄철석을 분해하여 아나타제형 또는 루타일형의 티타니아를 선택적으로 제조될 수 있는 티타니아의 제조방법 및 제조장치를 제시한다.Therefore, instead of using a starting material having a high risk of sulfuric acid, hydrochloric acid, or the like or a starting material having a high raw material cost, anatase type or rutile type titania can be selectively produced by decomposing the titanium oxide using gaseous ammonia and hydrogen fluoride And a manufacturing method and a manufacturing apparatus of the titania.

또한, 본 발명에 따른 티타니아의 제조방법 및 제조장치는 연속 공정으로 진행되기 때문에 공정의 단순화 및 효율화가 가능하며, 각각의 반응 단계에서 필연적으로 생산되는 부산물을 회수하여 반응에 다시 사용하기 때문에 환경 친화적이며 생산 비용을 절감시킬 수 있다.In addition, since the method and apparatus for producing titania according to the present invention are continuous processes, simplification and efficiency of the process can be achieved, and the by-products produced inevitably in each reaction step are recovered and used again for the reaction. And can reduce production costs.

먼저, 본 발명의 일 구현예에 따른 티타니아의 제조방법을 상세히 설명한다. First, a method of manufacturing titania according to one embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 티타니아의 제조방법을 나타낸 공정순서도이다.FIG. 1 is a process flow diagram illustrating a method for producing titania according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 티타니아의 제조방법은As shown in FIG. 1, the method for producing titania according to the present invention comprises

ⅰ) 티탄철석(FeTiO3)을 불활성 분위기 하에서 암모니아(NH3) 기체 및 불화수소(HF) 기체와 반응시켜 티타늄 화합물((NH3)3TiF7) 및 철 화합물((NH3)3FeF6)로 분해하는 단계;(NH 3 ) 3 TiF 7 ) and an iron compound ((NH 3 ) 3 FeF 6 ) by reacting titanium oxide (FeTiO 3 ) with ammonia (NH 3 ) gas and hydrogen fluoride (HF) gas under an inert atmosphere, ;

ⅱ) 상기 티타늄 화합물을 1차 열처리하여 티타늄 불화물(TiF4)을 생성하는 단계;Ii) subjecting the titanium compound to a first heat treatment to produce titanium fluoride (TiF 4 );

ⅲ) 상기 티타늄 불화물을 산화 분위기 하에서 암모니아수(NH4OH)와 함께 2차 열처리하여 티타니아(TiO2)를 생성하는 단계; 및Iii) subjecting the titanium fluoride to a second heat treatment together with ammonia water (NH 4 OH) under an oxidizing atmosphere to produce titania (TiO 2 ); And

ⅳ) 상기 티타니아를 소성하여 아나타제(Anatase)형 티타니아 또는 루타일(Rutile)형 티타니아를 제조하는 단계를 포함한다. Iv) firing the titania to produce anatase-type titania or rutile-type titania.

상기 단계 ⅰ) 내지 ⅳ)는 연속적이며, 상기 단계 ⅱ) 및 ⅲ)에서 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체는 회수하여 단계 ⅰ)로 재순환될 수 있다.The steps i) to iv) are continuous, and the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas produced in steps ii) and iii) may be recovered and recycled to step i).

각 단계별로 설명하면 다음과 같다.Each step will be described as follows.

먼저, 단계 ⅰ)은 티탄철석(FeTiO3)을 티타늄 화합물((NH3)3TiF7) 및 철 화합물((NH3)3FeF6)로 분해하는 단계이다. 구체적으로, 상기 단계 ⅰ)은 티탄철석을 불활성 분위기 하에서 암모니아(NH3) 기체 및 불화수소(HF) 기체와 반응시켜 티타늄 화합물 및 철 화합물로 분해하며 하기 반응식 1과 같이 진행된다.First, step (i) is a step of decomposing titanium oxide (FeTiO 3 ) into a titanium compound ((NH 3 ) 3 TiF 7 ) and an iron compound ((NH 3 ) 3 FeF 6 ). Specifically, the step (i) above decomposes the titanium oxide into an iron compound and a titanium compound by reacting it with an ammonia (NH 3 ) gas and a hydrogen fluoride (HF) gas under an inert atmosphere.

(반응식 1)(Scheme 1)

FeTiO3(s)+13NH3(g)+13HF(g)→(NH3)3TiF7(s)+(NH3)3FeF6(s)+3H2O(l)+7NH3(g) FeTiO 3 (s) + 13NH 3 (g) + 13HF (g) → (NH 3) 3 TiF 7 (s) + (NH 3) 3 FeF 6 (s) + 3H 2 O (l) + 7NH 3 (g )

특히, 상기 단계 ⅰ)에서 티탄철석과 반응하는 암모니아 및 불화수소가 기체 상태로 공급되기 때문에 반응 활성을 도모하며, 이후 순차적으로 진행되는 단계 ⅱ) 및 ⅲ)에서 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 별도의 가공 과정 없이 그대로 회송하여 재사용할 수 있다. 이로 인해, 본 발명에 따른 티타니아의 제조방법은 제조 공정 중에 발생하는 폐기물이 최소화되기 때문에 친환경적이며 생산 비용도 크게 감소시킬 수 있다.Particularly, since ammonia and hydrogen fluoride reacting with the titanate are supplied in a gaseous state in the step i), the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas generated in steps ii) and iii) And can be reused without being processed. Accordingly, the method of manufacturing titania according to the present invention is eco-friendly since the waste generated during the manufacturing process is minimized, and the production cost can be greatly reduced.

상기 단계 ⅰ)은 불활성 분위기 하에서 수행되며, 이때 불활성 분위기는 질소나 아르곤 등의 불활성 기체를 이용하여 산소를 배제한 상태이면 충분하다.The step i) is carried out in an inert atmosphere, and it is sufficient that the inert atmosphere is oxygen-free using an inert gas such as nitrogen or argon.

상기 단계 ⅰ)에서 암모니아 기체 및 불화수소 기체는 티탄철석 1몰 대비 각각 10 내지 15몰, 바람직하게는 11 내지 14몰로 공급될 수 있다. 상기 암모니아 기체 및 불화수소 기체가 상기 몰비 범위로 주입되는 경우 티탄철석과 고르게 혼합되고 충분한 분해 반응이 진행되어 중간 생성물인 티타늄 화합물((NH3)3TiF7)이 제조될 수 있다. 또한, 상기 몰비를 유지하기 위해 상기 암모니아 기체 및 불화수소 기체는 일정 유량으로 공급될 수 있으며 특별히 한정하는 것은 아니지만 10 내지 100 mL/min으로 주입될 수 있다.In the step i), the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas may be supplied in an amount of 10 to 15 mol, preferably 11 to 14 mol, relative to 1 mol of the titanium oxide. When the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas are injected in the molar ratio range, the titanium compound (NH 3 ) 3 TiF 7 , which is an intermediate product, can be produced by mixing well with the titanium oxide and proceeding a sufficient decomposition reaction. In order to maintain the molar ratio, the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas may be supplied at a constant flow rate and may be injected at 10 to 100 mL / min, although not particularly limited thereto.

상기 단계 ⅰ)은 100 내지 200 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 150 내지 200 ℃일 수 있다. 이때 온도가 상기 범위 미만이면 반응이 충분히 진행되지 못하고, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 반응이 과도하게 진행되어 중간 생성물의 특성이 저하되거나 이후 단계에 악영향을 줄 수 있으며 불필요한 열처리 비용으로 인해 공정비용이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.The step i) may be carried out at a temperature of 100 to 200 ° C, preferably 150 to 200 ° C. If the temperature is less than the above range, the reaction can not proceed sufficiently. On the other hand, if the temperature is higher than the above range, the reaction may excessively proceed to deteriorate the characteristics of the intermediate product or adversely affect subsequent steps. There may arise a problem of increasing.

또한, 상기 단계 ⅰ)의 반응 시간에 대해서는 특히 한정적이 아니고 실제의 가열 온도에 의해 다르지만, 일반적으로 전술한 온도 범위 내에 3 내지 6시간, 바람직하게는 4 내지 6시간 정도 유지할 수 있다.The reaction time in the above step i) is not particularly limited and can be maintained within the above-mentioned temperature range for 3 to 6 hours, preferably 4 to 6 hours, though it depends on the actual heating temperature.

또한, 상기 반응식 1에 기재한 바와 같이, 상기 단계 ⅰ)로부터 암모니아 기체 및 물은 회수하여 단계 ⅲ)으로 공급되어 재사용될 수 있고, 철 화합물((NH3)3FeF6)은 후술하는 단계 ⅱ)의 1차 열처리를 통해 철 불화물(FeFe3)로 변형되어 제거될 수 있다.Further, as described in Scheme 1, the ammonia gas and water from the step i) can be recovered and supplied to the step iii) and reused, and the iron compound ((NH 3 ) 3 FeF 6 ) (FeFe 3 ) through the first heat treatment of the iron (FeFe).

이어서, 단계 ⅱ)는 상기 단계 ⅰ)에서 생성된 티타늄 화합물((NH3)3TiF7)을 1차 열처리하여 티타늄 불화물(TiF4)을 생성하는 단계이다. 상기 1차 열처리 반응은 이전 단계에서 얻어진 티타늄 화합물 내 존재하는 불순물을 제거하고 열분해하는 단계로 하기 반응식 2와 같이 진행된다.Next, step ii) is a step of producing titanium fluoride (TiF 4 ) by first heat-treating the titanium compound ((NH 3 ) 3 TiF 7 ) produced in the step i). The first heat treatment reaction is a step of removing impurities present in the titanium compound obtained in the previous step and pyrolyzing the titanium compound as follows.

(반응식 2)(Scheme 2)

(NH3)3TiF7(s) → TiF4(s)+3HF(g) + 3NH3(g) (NH 3 ) 3 TiF 7 (s)? TiF 4 (s) + 3HF (g) + 3NH 3 (g)

상기 단계 ⅱ)의 1차 열처리는 250 내지 400 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 300 내지 400 ℃의 온도일 수 있다. 상기 1차 열처리 온도가 상기 범위 미만이면 티타늄 불화물 생성 반응이 잘 일어나지 못하고, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 반응이 과도하게 진행되어 티타늄 불화물의 물성이 달라져 최종 얻어지는 티타니아의 품질이 저하될 수 있다.The first heat treatment of step ii) may be performed at a temperature of 250 to 400 ° C, preferably 300 to 400 ° C. If the temperature of the first heat treatment is less than the above range, the reaction for producing titanium fluoride does not occur. On the other hand, if the temperature exceeds the above range, the reaction proceeds excessively and physical properties of titanyl fluoride are changed.

또한, 상기 단계 ⅱ)의 1차 열처리 시간에 대해서는 특히 한정적이 아니고 실제의 가열 온도에 의해 다르지만, 일반적으로 전술한 온도 범위 내에 1 내지 4시간, 바람직하게는 1 내지 2시간 정도 유지할 수 있다.The primary heat treatment time in the step (ii) is not particularly limited and can be maintained within the above-mentioned temperature range for 1 to 4 hours, preferably 1 to 2 hours, though it differs depending on the actual heating temperature.

상기 단계 ⅱ)에서 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체는 회수되어 단계 ⅰ)에서 재사용될 수 있다.The ammonia gas and hydrogen fluoride gas produced in step ii) can be recovered and reused in step i).

또한, 상기 단계 ⅱ)의 1차 열처리시 전술한 단계 ⅰ)에서 생성된 부산물 중 철 화합물((NH3)3FeF6)도 함께 열처리되며 이때의 반응은 하기 반응식 3과 같다.In addition, the iron compound ((NH 3 ) 3 FeF 6 ) in the by-product produced in the above-mentioned step i) during the first heat treatment in the step (ii) is also heat-treated at this time.

(반응식 3)(Scheme 3)

(NH3)3FeF6(s)→ FeF3(s)+3HF(g)+3NH3(g) (NH 3) 3 FeF 6 ( s) → FeF 3 (s) + 3HF (g) + 3NH 3 (g)

상기 철 화합물은 상기 반응식 3의 반응에 의해 철 불화물(FeFe3)로 변형되며 이는 추가 산화 과정을 거쳐 산화철 형태로 제거될 수 있다. 이에 더해서, 상기 철 화합물의 열처리 과정에서 생성된 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 회수하여 단계 ⅰ)에서 재사용될 수 있다.The iron compound is transformed into iron fluoride (FeFe 3 ) by the reaction of the reaction formula ( 3 ), which can be removed in the form of iron oxide through an additional oxidation process. In addition, the ammonia gas and hydrogen fluoride gas produced during the heat treatment of the iron compound can be recovered and reused in step i).

이어서, 상기 ⅲ)은 상기 단계 ⅱ)에서 생성된 티타늄 불화물(TiF4)을 산화 분위기 하에서 암모니아수(NH4OH)와 함께 2차 열처리하여 티타니아(TiO2)를 생성하는 단계이다. 상기 2차 열처리 반응은 티타늄 불화물을 승화시키는 단계로 구체적인 반응은 하기 반응식 4와 같다.Next, iii) is a step of generating titania (TiO 2 ) by performing second heat treatment of the titanium fluoride (TiF 4 ) produced in step ii) together with ammonia water (NH 4 OH) under an oxidizing atmosphere. The second heat treatment is a step of sublimating titanium fluoride.

(반응식 4)(Scheme 4)

TiF4(s)+2NH4OH(l)+O2(g) → TiO2(s)+2NH3(g)+4HF(g)+2H2O TiF 4 (s) + 2NH 4 OH (l) + O 2 (g) → TiO 2 (s) + 2NH 3 (g) + 4HF (g) + 2H 2 O

상기 단계 ⅲ)의 2차 열처리는 450 내지 750 ℃의 온도에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 550 내지 750 ℃의 온도일 수 있다. 상기 2차 열처리 온도가 상기 범위 미만이면 티타니아의 생성이 불충분하며, 반대로 상기 범위를 초과하는 경우 과도한 반응으로 인해 최종 얻어지는 티타니아의 품질이 저하될 수 있다.The second heat treatment of step iii) may be performed at a temperature of 450 to 750 ° C, preferably 550 to 750 ° C. If the temperature of the second heat treatment is less than the above range, the formation of titania is insufficient. On the other hand, if the temperature exceeds the above range, the quality of the finally obtained titania may be deteriorated due to excessive reaction.

또한, 상기 단계 ⅲ)의 2차 열처리 시간에 대해서는 특히 한정적이 아니고 실제의 가열 온도에 의해 다르지만, 일반적으로 전술한 온도 범위 내에 3 내지 6시간, 바람직하게는 3 내지 5시간 정도 유지할 수 있다.In addition, the secondary heat treatment time in the step iii) is not particularly limited and can be maintained within the above-mentioned temperature range for 3 to 6 hours, preferably 3 to 5 hours, depending on the actual heating temperature.

또한, 상기 2차 열처리는 산화 분위기 하에서 수행될 수 있고, 이를 위해 공기 또는 산소를 주입할 수 있다. 이때 산소의 농도는 특별히 한정하지 않으며, 반응 조건에 따라 산소 공급량을 조절할 수 있다.In addition, the secondary heat treatment may be performed in an oxidizing atmosphere, and air or oxygen may be injected for this purpose. At this time, the concentration of oxygen is not particularly limited, and the amount of oxygen supplied can be controlled according to the reaction conditions.

또한, 상기 단계 ⅲ)에서 생성되는 암모니아 및 불화수소는 회수하여 단계 ⅰ)에서 재사용될 수 있다.Also, the ammonia and hydrogen fluoride produced in step iii) may be recovered and reused in step i).

이어서, 상기 단계 ⅳ)는 상기 단계 ⅲ)에서 얻어진 티타니아를 소성하여 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 제조하는 단계이다. Next, the step iv) is a step of producing anatase type titania or rutile type titania by firing the titania obtained in the step iii).

이때 상기 단계 ⅳ)의 소성 온도에 따라 티타니아의 결정상을 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 단계 ⅳ)의 소성 온도가 550 내지 950 ℃ 미만인 경우, 아나타제형 티타니아가 제조될 수 있고, 상기 소성 온도가 950 내지 1200 ℃인 경우, 루타일형 티타니아가 제조될 수 있다 특히, 상기 단계 ⅳ)의 소성 온도가 700 내지 900 ℃인 경우 아나타제형 티타니아로 결정상이 100% 전환되며, 소성 온도가 1000 내지 1200 ℃에 해당하는 경우 루타일형 티타니아로 결정상이 100% 전환될 수 있다. At this time, the crystalline phase of titania can be controlled according to the firing temperature of step iv). Specifically, when the firing temperature of step iv) is less than 550 to 950 ° C, anatase type titania can be produced, and when the firing temperature is 950 to 1200 ° C, rutile type titania can be produced. Particularly, When the calcination temperature of iv) is 700 to 900 ° C, the crystal phase is converted to 100% by anatase type titania. When the calcination temperature is 1000 to 1200 ° C, the crystal phase can be converted to 100% by rutile type titania.

또한, 상기 단계 ⅳ)의 소성 시간에 대해서는 특히 한정적이 아니고 실제의 가열 온도에 의해 다르지만, 일반적으로 전술한 온도 범위 내에 바람직하게는 1 내지 2시간 정도 유지할 수 있다.The baking time of the step iv) is not particularly limited, and may vary depending on the actual heating temperature. However, the baking time in the step iv) can be generally maintained within the above-mentioned temperature range for preferably 1 to 2 hours.

상기 단계 ⅳ)에서 제조된 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아는 회수를 위해 추가적인 냉각 공정과 포집 공정을 거칠 수 있다. 상기 티타니아는 고온이기 때문에 이를 냉각시키는 공정과 냉각된 티타니아를 포집, 회수하는 포집 공정이 진행될 수 있다. 이때 상기 냉각 공정은 급속 냉각기를 이용할 수 있고 상기 포집 공정은 입자 포집기를 사용할 수 있다.The anatase-type titania or rutile-type titania produced in the step iv) may be subjected to additional cooling and collecting processes for recovery. Since the temperature of the titania is high, a process of cooling the titania and a collecting process of collecting and recovering the cooled titania may be performed. At this time, a rapid cooler may be used for the cooling process, and a particle collector may be used for the collecting process.

전술한 제조방법을 통해 얻어진 티타니아의 입자 크기는 수십 또는 수백 nm일 수 있고, 사용 용도에 따라 밀링과 같은 후속 처리가 추가로 수행될 수 있다.The particle size of the titania obtained through the above-described production method may be tens or hundreds of nanometers, and further processing such as milling may be performed depending on the intended use.

다음으로, 본 발명의 일 구현예에 따른 티타니아의 제조장치에 관하여 상세히 설명한다.Next, an apparatus for producing titania according to one embodiment of the present invention will be described in detail.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 티타니아의 제조장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.2 is a view schematically showing an apparatus for producing titania according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 구현예에 따른 티타니아의 제조장치(100)은 티탄철석, 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 불활성 분위기 하에서 반응시켜 티타늄 화합물 및 철 화합물을 생성하는 제1반응기(10);Referring to FIG. 2, an apparatus 100 for producing titania according to an embodiment of the present invention includes a first reactor 10 for producing titanium compounds and iron compounds by reacting titanium oxide, ammonia gas, and hydrogen fluoride gas in an inert atmosphere, ;

상기 제1반응기(10)와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타늄 화합물을 1차 열처리하여 티타늄 불화물을 생성하는 제2반응기(20);A second reactor (20) connected to the first reactor (10) to generate titanium fluoride by performing a first heat treatment on the titanium compound introduced from the first reactor (10);

상기 제2반응기(20)와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타늄 불화물을 산화 분위기 하에서 암모니아수와 함께 2차 열처리하여 티타니아를 생성하는 제3반응기(30);A third reactor (30) connected to the second reactor (20) to generate titania by subjecting the titanium fluoride introduced therefrom to a second heat treatment together with ammonia water under an oxidizing atmosphere;

상기 제3반응기(30)와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타니아를 소성하여 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 제조하는 제4반응기(40); 및A fourth reactor 40 connected to the third reactor 30 for producing anatase-type titania or rutile-type titania by burning the titania introduced therefrom; And

상기 제4반응기(50)와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 포집하는 회수기(50)를 포함한다.And a collector 50 for collecting the anatase-type titania or the rutile-type titania that is piped to the fourth reactor 50 and introduced thereinto.

상기 제1반응기(10)는 외부로부터 유입된 티탄철석(A)과 암모니아 기체 및 불화수소 기체(B) 혼합되어 반응하기 위한 공간을 포함하고, 상기 제1반응기(10)에 티탄철석(A)과 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 주입하기 위한 각각의 주입구 및 분해 반응 통한 생성물을 다음 공정인 제2반응기(20)로 이송하기 위한 배출구를 구비한다.The first reactor 10 includes a space for mixing and reacting the externally introduced titanium oxide with the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas B and is capable of reacting with the titanium (A) and the ammonia Each inlet for injecting gas and hydrogen fluoride gas, and an outlet for transferring the product through the decomposition reaction to the second reactor 20, which is the next process.

특히, 본 발명에 따른 티타니아 제조장치의 상기 제1반응기(10)는 후속 공정인 제2반응기(20) 및 제3반응기(30)로부터 포집된 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 제1반응기(10)로 다시 공급하는 별도의 주입구를 구비한다. 또한, 상기 제1반응기(10) 내부에서 진행된 반응으로부터 암모니아 기체 및 물은 회수하여 제3반응기(30)로 공급하기 위한 별도의 배출구 및 회송 라인(12)를 추가로 구비한다.Particularly, the first reactor 10 of the apparatus for producing titania according to the present invention is capable of supplying the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas collected from the second reactor 20 and the third reactor 30, As shown in FIG. In addition, the ammonia gas and the water are recovered from the reaction in the first reactor 10 and further have a separate outlet and a return line 12 for supplying the recovered ammonia gas and water to the third reactor 30.

상기 제1반응기(10)는 내부에 포함된 반응물의 혼합도 및 반응 활성을 높이기 위해서 가열 장치가 구비된 회전식 반응기가 사용될 수 있다. 이때 가열 장치 및 회전시 반응기는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않는다.The first reactor 10 may be a rotary reactor equipped with a heating device to increase the degree of mixing and reactivity of reactants contained therein. At this time, the heating apparatus and the reactor for rotating are not particularly limited as they are commonly used in the art.

상기 제1반응기(10)에 주입되는 상기 티탄철석(A)과 암모니아 기체 및 불화수소 기체(B)의 양과 제1반응기(10)의 온도는 앞서 언급한 바와 같다.The amounts of the titanium oxide (A), the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas (B) injected into the first reactor 10 and the temperature of the first reactor 10 are as described above.

상기 제2반응기(20)는 상기 제1반응기(10)로부터 유입된 티타늄 화합물 및 철 화합물을 수용하기 위한 공간 및 1차 열처리를 위한 가열 장치를 포함하고, 상기 제2반응기(20)는 일측에 제1반응기(10)의 반응 생성물이 주입되는 주입구 및 타측에 생성된 티타늄 불화물을 제3반응기(30)로 이송하기 위한 배출구를 구비한다. The second reactor 20 includes a space for accommodating the titanium compound and the iron compound introduced from the first reactor 10 and a heating device for the first heat treatment, An inlet for injecting the reaction product of the first reactor 10 and an outlet for transferring the generated titanium fluoride to the third reactor 30.

이때, 상기 제2반응기(20)는 1차 열처리 반응으로부터 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 포집하여 상기 제1반응기로 회송시키기 위한 별도의 배출구 및 회송 라인(22)을 포함한다.At this time, the second reactor 20 includes a separate outlet and return line 22 for collecting the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas generated from the first heat treatment reaction and returning the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas to the first reactor.

이에 더해서, 상기 제2반응기(20)는 1차 열처리된 철 화합물을 제거하기 위한 추가 배출구 및 챔버(60)을 포함한다. In addition, the second reactor 20 includes an additional outlet and a chamber 60 for removing the first heat treated iron compound.

상기 제2반응기(20)는 반응 활성을 높이기 위해서 가열 장치가 구비된 회전식 반응기가 사용될 수 있다. 이때 가열 장치 및 회전시 반응기는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않는다.In the second reactor 20, a rotary reactor equipped with a heating device may be used to enhance the reaction activity. At this time, the heating apparatus and the reactor for rotating are not particularly limited as they are commonly used in the art.

상기 제2반응기(20)의 온도는 앞서 언급한 바와 같다.The temperature of the second reactor 20 is as mentioned above.

상기 제3반응기(30)는 상기 제2반응기(20)로부터 유입된 티타늄 불화물을 수용하기 위한 공간 및 2차 열처리를 위한 가열 장치를 포함하고, 상기 제3반응기(30)는 일측에 제2반응기(20)의 티타늄 불화물이 주입되는 주입구, 타측에 생성된 티타니아를 제4반응기(40)로 이송하기 위한 배출구 및 산화 분위기 형성을 위한 산소 또는 공기 공급 라인(34)을 구비한다. The third reactor (30) includes a space for receiving the titanium fluoride introduced from the second reactor (20) and a heating device for the second heat treatment, and the third reactor (30) An inlet for injecting titanium fluoride in the second reactor 20, an outlet for transferring the titania produced in the other side to the fourth reactor 40, and an oxygen or air supply line 34 for forming an oxidizing atmosphere.

이때, 상기 제3반응기(30)는 2차 열처리 반응으로부터 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 포집하여 상기 제1반응기로 회송시키기 위한 별도의 배출구 및 회송 라인(32)을 포함한다. At this time, the third reactor 30 includes a separate discharge port and a return line 32 for collecting the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas generated from the second heat treatment reaction and returning the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas to the first reactor.

상기 제3반응기(30)는 반응 활성을 높이기 위해서 가열 장치가 구비된 회전식 반응기가 사용될 수 있다. 이때 가열 장치 및 회전시 반응기는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로 특별히 한정하지 않는다.In the third reactor 30, a rotary reactor equipped with a heating device may be used to enhance the reaction activity. At this time, the heating apparatus and the reactor for rotating are not particularly limited as they are commonly used in the art.

상기 제3반응기(30)의 온도는 앞서 언급한 바와 같다.The temperature of the third reactor 30 is as mentioned above.

상기 제4반응기(40)는 상기 제3반응기(30)로부터 유입된 티타니아를 수용하기 위한 공간 및 소성를 위한 소성로를 포함하고, 상기 제4반응기(40)는 일측에 제3반응기(30)의 티타니아가 주입되는 주입구, 타측에 생성된 생성된 아나타제 또는 루타일 티타니아를 회수부(50)로 이송하기 위한 배출구를 구비한다.The fourth reactor 40 includes a space for accommodating the titania introduced from the third reactor 30 and a firing furnace for firing, and the fourth reactor 40 includes a titania And an outlet for transferring the generated anatase or rutile titania produced on the other side to the recovery unit 50. [

상기 제4반응기(40)의 내부에 포함된 소성로는 티타니아의 고온 열처리를 위한 것으로 당업계에서 통상적으로 사용되는 소성로가 사용될 수 있다.The firing furnace included in the fourth reactor 40 may be a firing furnace commonly used in the art for the high-temperature heat treatment of titania.

이때 상기 제4반응기(40)의 온도는 앞서 언급한 바와 같다.At this time, the temperature of the fourth reactor (40) is as mentioned above.

상기 회수부(50)는 내부에 상기 제4반응기(40)로부터 생성된 아나타제형 또는 루타일형 티타니아가 유입되는 유입구 및 유입된 아나타제형 또는 루타일형 티타니아를 수용하기 위한 공간으로 구성된다. The recovery unit 50 includes an inlet for receiving the anatase-type or rutile-type titania generated from the fourth reactor 40 and a space for accommodating the introduced anatase-type or rutile-type titania.

상기 회수부(50)에서 분말 상태의 티타니아의 수득을 위해 상기 제4반응기(40)와 회수부(50) 사이에 분쇄를 위한 분쇄부(미도시)를 더 포함할 수 있다.A grinding unit (not shown) for grinding may be further provided between the fourth reactor 40 and the recovery unit 50 to obtain titania in powder form in the recovery unit 50.

본 발명에 따른 티타니아의 제조장치 및 제조방법은 기존의 제조공정과 비교하여 아래의 이점을 가진다.The apparatus and method for manufacturing titania according to the present invention have the following advantages in comparison with the conventional manufacturing process.

첫 번째로, 티탄철석과 기체 상태의 암모니아 및 불화수소를 반응시킴으로써 반응 활성을 보다 높일 수 있다. 이에 더해서, 각 단계에서 발생하는 암모니아 기체와 불화수소 기체를 별도의 가공 단계 없이 회수하여 재사용할 수 있어 비용을 절감할 수 있고, 폐기물의 배출을 최소화하여 환경 친화적이다.First, the reaction activity can be further increased by reacting titanium oxide with gaseous ammonia and hydrogen fluoride. In addition, the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas generated at each stage can be recovered and reused without a separate processing step, thereby reducing the cost and minimizing the emission of waste, thereby being eco-friendly.

두 번째로, 연속식 공정을 도입하여 최종 얻어지는 티타니아의 특성을 개선할 뿐 아니라 품질의 균일성을 확보할 수 있으며, 공정 효율성을 높이고 대량 생산이 가능하다. Second, by introducing a continuous process, it is possible not only to improve the characteristics of the finally obtained titania, but also to ensure the uniformity of the quality, to increase the process efficiency and mass production.

세 번째로, 소성 온도 조절을 통해 아나타제형과 루타일형 티타니아 모두를 용이하게 제조할 수 있다. Thirdly, both the anatase type and the rutile type titania can be easily produced by controlling the firing temperature.

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples and comparative examples of the present invention will be exemplified. The following examples are provided to illustrate the present invention in order to facilitate understanding of the present invention, and thus the technical scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example  And 비교예Comparative Example : : 티타니아의Titania 제조 Produce

[실시예 1][Example 1]

30 L 회전 전기로에 내부 코팅 방지를 위해 카본재질의 볼을 넣고 티탄철석(Ilmenite) 250 g, H2SiF6(l) 1,250 g을 투입하여 NH3(g) 분위기에서 180 ℃ 온도로 5 시간 동안 혼합 및 가열하였다. 생성된 티타늄화합물은 회전에 의해 30L 회전전기로의 2단계 구간으로 자동으로 이동하며 이 구간에서 350 ℃에서 1 시간 동안 1차 열처리를 통해 불순물을 제거하고 티타늄 불화물을 제조하였다.In order to prevent internal coating, a ball made of carbon is placed in a 30 L rotating electric furnace, and 250 g of ilmenite (1,200 g) and 1,250 g of H 2 SiF 6 (l) are added and mixed in an NH 3 (g) atmosphere at 180 ° C. for 5 hours And heated. The generated titanium compound was automatically transferred to a two - stage section of a 30 L rotary electric furnace by rotation. In this section, impurities were removed through a first heat treatment at 350 ° C. for 1 hour, and titanium fluoride was produced.

이어서 티타늄 불화물은 회전전기로 상단으로 이동하게 되며, 티타늄 불화물은 650 ℃에서 4 시간동안 2차 열처리하여 티타니아를 제조하였다. 얻어진 티타니아는 티타니아 제조 반응기로 이동시켜 1100 ℃ 에서 2 시간동안 반응하여 결정성 티타니아를 제조하였다.Titanium fluoride was then moved to the top of the rotary furnace, and titanium fluoride was subjected to a secondary heat treatment at 650 ° C for 4 hours to produce titania. The obtained titania was transferred to a titania production reactor and reacted at 1100 ° C for 2 hours to produce crystalline titania.

[실시예 2][Example 2]

상기 티타니아 제조 반응기에서 소성 온도를 1000 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다. Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1, except that the calcination temperature was changed to 1000 ° C in the titania production reactor.

[실시예 3][Example 3]

상기 티타니아 제조 반응기에서 소성 온도를 1200 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1, except that the calcination temperature was changed to 1200 ° C in the titania production reactor.

[실시예 4][Example 4]

상기 티타니아 제조 반응기에서 소성 온도를 900 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1 except that the calcination temperature was changed to 900 ° C in the titania production reactor.

[실시예 5][Example 5]

상기 티타니아 제조 반응기에서 소성 온도를 800 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1, except that the calcination temperature was changed to 800 DEG C in the titania production reactor.

[실시예 6][Example 6]

상기 티타니아 제조 반응기에서 소성 온도를 700 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1, except that the calcination temperature was changed to 700 ° C in the titania production reactor.

[실시예 7][Example 7]

상기 티타니아 제조 반응기에서 소성 온도를 950 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1, except that the calcination temperature was changed to 950 ° C in the titania production reactor.

[실시예 8][Example 8]

상기 티타니아 제조 반응기에서 소성 온도를 925 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1 except that the calcination temperature was changed to 925 ° C in the titania production reactor.

[실시예 9][Example 9]

상기 2차 열처리시 온도를 750 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature during the second heat treatment was changed to 750 ° C.

[실시예 10][Example 10]

상기 2차 열처리시 온도를 550 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature during the second heat treatment was changed to 550 ° C.

[실시예 11][Example 11]

상기 1차 열처리시 온도를 300 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature during the first heat treatment was changed to 300 캜.

[실시예 12][Example 12]

상기 1차 열처리시 온도를 250 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature during the first heat treatment was changed to 250 캜.

[실시예 13][Example 13]

상기 1차 열처리시 온도를 400 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature during the first heat treatment was changed to 400 ° C.

[비교예 1][Comparative Example 1]

상기 티타니아 제조 반응기에서 소성 온도를 1300 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1 except that the calcination temperature was changed to 1300 ° C in the titania production reactor.

[비교예 2][Comparative Example 2]

상기 2차 열처리시 온도를 500 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1 except that the temperature was changed to 500 ° C during the secondary heat treatment.

[비교예 3][Comparative Example 3]

상기 1차 열처리시 온도를 200 ℃로 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법을 통해 결정성 티타니아를 제조하였다.Crystalline titania was prepared in the same manner as in Example 1, except that the temperature during the first heat treatment was changed to 200 ° C.

실험예Experimental Example 1: 소성 온도에 따른  1: Depending on firing temperature 티타니아의Titania 결정성 확인 Determination of Crystallinity

상기 실시예 1 내지 8 및 비교예 1에서 제조한 티타니아의 입자 크기, 결정상 및 CIE L을 측정하였다. 이때 얻어진 결과는 하기 표 1에 나타내었다.The particle size, crystal phase and CIE L of titania prepared in Examples 1 to 8 and Comparative Example 1 were measured. The results obtained are shown in Table 1 below.

(1) 입자 크기(1) particle size

시료 분석을 위하여 스퍼터 코팅 장비인208HR (Cressington, 영국)을 사용하여 플래티넘 코팅 전처리를 수행한 후 JSM-4101F(JEOL LTD, 일본)을 사용하여 이미지 분석을 수행하였다. SEM 이미지에 측정된 결과값으로 입자 크기를 측정하였다.For sample analysis, pretreatment of platinum coating was performed using 208HR (Cressington, UK) as a sputter coating equipment, and image analysis was performed using JSM-4101F (JEOL LTD, Japan). The particle size was measured by SEM image.

(2) 전환율(%)(2) Conversion rate (%)

준비된 시료를 홀더에 고정하여 준비한 후 X-선 회절 분석 장비인D/MAX-2500V (Rigaku, 일본)을 사용하여 분석을 수행하였다. 이에 수집된 데이터는 소프트웨어를 이용하여 스펙트럼으로 변환하여 회절 패턴을 분석하였으며 각각의 루타일과 아나타제 형태의 혼합비율을 계산하여 전환율을 측정하였다.The prepared sample was fixed to a holder and analyzed using an X-ray diffraction analyzer D / MAX-2500V (Rigaku, Japan). The collected data were converted to spectrum using software and the diffraction patterns were analyzed. The conversion ratios were measured by calculating the ratios of rutile and anatase types.

(3) CIE L (백색도)(3) CIE L (whiteness degree)

준비된 시료의 백색도는 코니카 미놀타사의 Display color analyzer CA-210 장치를 이용하여 CIE L 의 값을 측정하였다. CIE L은 백색의 정도를 나타내는 단위로서 100에 가까울수록 순백색에 가까운 색상을 나타내고, 0에 가까울수록 검은색에 가까운 색상을 나타낸다. CIE L 값이 90 이하가 되면 황색 빛깔을 띠는 백색이 되어 페인트 등 염료로 사용하기에 어려움이 있다. The whiteness of the prepared sample was measured by CIE L using a display color analyzer CA-210 apparatus manufactured by Konica Minolta. CIE L is a unit of degree of white color. The closer to 100, the closer to pure white the color. The closer to 0 the closer the color to black. When the CIE L value is less than 90, it becomes yellowish white, making it difficult to use it as a dye such as a paint.

입자 크기
(nm)
Particle size
(nm)
결정상에 따른 전환율(%)Conversion rate (%) according to crystal phase CIE LCIE L
아나타제형Anatase type 루타일형Ruta type 실시예 1Example 1 340340 00 100100 93.693.6 실시예 2Example 2 320320 00 100100 94.194.1 실시예 3Example 3 420420 00 100100 93.293.2 실시예 4Example 4 4040 100100 00 94.394.3 실시예 5Example 5 2020 100100 00 95.295.2 실시예 6Example 6 2020 100100 00 95.095.0 실시예 7Example 7 100, 250100, 250 4040 6060 94.194.1 실시예 8Example 8 2020 8080 2020 94.894.8 비교예 1Comparative Example 1 -- -- -- --

실험예Experimental Example 2: 2차2: Secondary 열처리 온도에 따른  Depending on the heat treatment temperature 티타니아의Titania 물성 평가 Property evaluation

상기 실시예 9, 실시예 10 및 비교예 2에서 제조한 티타니아의 입자 크기, 결정상 및 CIE L을 측정하였다. 이때 얻어진 결과는 하기 표 2에 나타내었다.The particle size, crystal phase and CIE L of titania prepared in Examples 9 and 10 and Comparative Example 2 were measured. The results obtained are shown in Table 2 below.

승화 유/무Sublimation oil 입자 크기
(nm)
Particle size
(nm)
결정상에 따른 전환율(%)Conversion rate (%) according to crystal phase CIE LCIE L
아나타제형Anatase type 루타일형Ruta type 실시예 9Example 9 U 335335 00 100100 93.693.6 실시예 10Example 10 U 336336 00 100100 94.194.1 비교예 2Comparative Example 2 radish -- -- -- --

실험예Experimental Example 3: 1차3: Primary 열처리 온도에 따른  Depending on the heat treatment temperature 티타니아의Titania 물성 평가 Property evaluation

상기 실시예 11 내지 13 및 비교예 3에서 제조한 티타니아의 입자 크기, 결정상 및 CIE L을 측정하였다. 이때 얻어진 결과는 하기 표 3에 나타내었다.The particle size, crystal phase and CIE L of titania prepared in Examples 11 to 13 and Comparative Example 3 were measured. The results obtained are shown in Table 3 below.

불순물
유/무
impurities
The presence or absence
입자 크기
(nm)
Particle size
(nm)
결정상에 따른 전환율(%)Conversion rate (%) according to crystal phase CIE LCIE L
아나타제형Anatase type 루타일형Ruta type 실시예 11Example 11 radish 335335 00 100100 93.693.6 실시예 12Example 12 radish 336336 00 100100 94.194.1 실시예 13Example 13 radish 325325 00 100100 93.593.5 비교예 3Comparative Example 3 U 1,0001,000 2020 8080 92.392.3

상기 표 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 따라 소성 온도가 1000 ℃ 이상이면 루타일형 티타니아가 생성되고, 소성 온도가 700 내지 900 ℃ 이면 아나타제형 티타니아가 생성되며 온도에 따라 일정한 입자 크기를 가지는 티타니아를 제조할 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to Tables 1 to 3, according to the present invention, rutile type titania is produced when the firing temperature is 1000 ° C or higher, and anatase type titania is produced when the firing temperature is 700 to 900 ° C. Titania having a constant particle size Can be produced.

또한 CIE L 값이 90 이하가 되면 황색 빛깔을 띠는 백색이 되어 페인트 등 염료로 사용하기에 어려움이 있다. 본 발명에 따른 실시예의 CIE L 값은 90 이상의 수치로 측정되어 백색안료의 용도로 사용이 가능함을 확인할 수 있었다.Also, when the CIE L value is less than 90, it becomes white with a yellowish color, making it difficult to use it as a dye such as a paint. The CIE L value of the example according to the present invention was measured to be a value of 90 or more, and it was confirmed that the CIE L value could be used as a white pigment.

본 발명에 따른 티타니아의 제조방법 및 제조장치는 연속 공정을 통해 효율적이면서도 친환경적으로 티타니아의 제조를 가능하게 한다.The method and apparatus for producing titania according to the present invention enable the production of titania efficiently and environmentally friendly through a continuous process.

10: 제1반응기 20: 제2반응기
30: 제3반응기 40: 제4반응기
50: 회수기 60: 챔버
12, 22, 32: 회송 라인 34: 산소 공급 라인
100: 티타니아의 제조장치
A: 티탄철석 B: 암모니아 기체 및 불화수소 기체
10: first reactor 20: second reactor
30: third reactor 40: fourth reactor
50: retractor 60: chamber
12, 22, 32: return line 34: oxygen supply line
100: Production apparatus of titania
A: Titanide B: Ammonia gas and hydrogen fluoride gas

Claims (15)

ⅰ) 티탄철석(FeTiO3)을 불활성 분위기 하에서 암모니아(NH3) 기체 및 불화수소(HF) 기체와 반응시켜 티타늄 화합물((NH3)3TiF7) 및 철 화합물((NH3)3FeF6)로 분해하는 단계(반응식 1);
ⅱ) 상기 티타늄 화합물을 1차 열처리하여 티타늄 불화물(TiF4)을 생성하는 단계(반응식 2);
ⅲ) 상기 티타늄 불화물을 산화 분위기 하에서 암모니아수(NH4OH)와 함께 2차 열처리하여 티타니아(TiO2)를 생성하는 단계(반응식 4); 및
ⅳ) 상기 티타니아를 소성하여 아나타제(Anatase)형 티타니아 또는 루타일(Rutile)형 티타니아를 제조하는 단계를 포함하는 티타니아의 제조방법에 있어서,
상기 단계 ⅱ) 및 ⅲ)에서 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 회수하여 단계 ⅰ)로 재순환시키는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법:
(반응식 1)
FeTiO3(s)+13NH3(g)+13HF(g)→(NH3)3TiF7(s)+(NH3)3FeF6(s)+3H2O(l)+7NH3(g)
(반응식 2)
(NH3)3TiF7(s) → TiF4(s)+3HF(g) + 3NH3(g)
(반응식 4)
TiF4(s)+2NH4OH(l)+O2(g) → TiO2(s)+2NH3(g)+4HF(g)+2H2O
(NH 3 ) 3 TiF 7 ) and an iron compound ((NH 3 ) 3 FeF 6 ) by reacting titanium oxide (FeTiO 3 ) with ammonia (NH 3 ) gas and hydrogen fluoride (HF) gas under an inert atmosphere, (Scheme 1);
Ii) subjecting the titanium compound to a first heat treatment to produce titanium fluoride (TiF 4 ) (scheme 2);
Iii) subjecting the titanium fluoride to a second heat treatment together with ammonia water (NH 4 OH) under an oxidizing atmosphere to produce titania (TiO 2 ) (Reaction Scheme 4); And
(Iv) baking the titania to produce anatase-type titania or rutile-type titania, the method comprising the steps of:
And recovering the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas produced in the steps ii) and iii) and recirculating the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas to the step i).
(Scheme 1)
FeTiO 3 (s) + 13NH 3 (g) + 13HF (g) → (NH 3) 3 TiF 7 (s) + (NH 3) 3 FeF 6 (s) + 3H 2 O (l) + 7NH 3 (g )
(Scheme 2)
(NH 3 ) 3 TiF 7 (s)? TiF 4 (s) + 3HF (g) + 3NH 3 (g)
(Scheme 4)
TiF 4 (s) + 2NH 4 OH (l) + O 2 (g) → TiO 2 (s) + 2NH 3 (g) + 4HF (g) + 2H 2 O
제1항에 있어서,
상기 단계 ⅰ)은 100 내지 200 ℃의 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step i) is carried out at a temperature of 100 to 200 ° C.
제1항에 있어서,
상기 단계 ⅰ)에서 암모니아 기체 및 불화수소 기체는 티탄철석 1몰 대비 각각 10 내지 15몰로 사용하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas are used in an amount of 10 to 15 moles, respectively, with respect to 1 mole of the titanate in the step i).
제1항에 있어서,
상기 단계 ⅰ)로부터 암모니아 기체 및 물을 회수하여 단계 ⅲ)으로 공급하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein ammonia gas and water are recovered from step i) and fed to step iii).
제1항에 있어서,
상기 단계 ⅱ)의 1차 열처리는 250 내지 400 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first heat treatment of step ii) is carried out at a temperature of 250 to 400 ° C.
제1항에 있어서,
상기 단계 ⅰ)에서 생성된 철 화합물((NH3)3FeF6)은 1차 열처리를 통해 제거하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the iron compound ((NH 3 ) 3 FeF 6 ) produced in the step i) is removed through a first heat treatment.
제1항에 있어서,
상기 단계 ⅲ)의 2차 열처리는 450 내지 750 ℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second heat treatment of step iii) is performed at a temperature of 450 to 750 ° C.
제1항에 있어서,
상기 단계 ⅲ)의 2차 열처리는 공기 또는 산소를 주입하여 수행하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second heat treatment of step iii) is performed by injecting air or oxygen.
제1항에 있어서,
상기 단계 ⅳ)의 소성 온도가 550 내지 950 ℃ 미만인 경우, 아나타제형 티타니아가 제조되고, 상기 소성 온도가 950 내지 1200 ℃인 경우, 루타일형 티타니아가 제조되는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the anatase-type titania is produced when the firing temperature of step (iv) is lower than 550 to 950 占 폚, and the rutile-type titania is produced when the firing temperature is 950 to 1200 占 폚.
제1항에서 제시하는 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 선택적으로 제조하기 위해,
티탄철석, 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 불활성 분위기 하에서 반응시켜 티타늄 화합물 및 철 화합물을 생성하는 제1반응기;
상기 제1반응기와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타늄 화합물을 1차 열처리하여 티타늄 불화물을 생성하는 제2반응기;
상기 제2반응기와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타늄 불화물을 산화 분위기 하에서 암모니아수와 함께 2차 열처리하여 티타니아를 생성하는 제3반응기;
상기 제3반응기와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 티타니아를 소성하여 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 제조하는 제4반응기; 및
상기 제4반응기와 배관 연결되어 이로부터 유입되는 아나타제형 티타니아 또는 루타일형 티타니아를 포집하는 회수기를 포함하는 티타니아의 제조장치에 있어서,
상기 제2반응기 및 제3반응기에서 생성되는 암모니아 기체 및 불화수소 기체를 포집하여 상기 제1반응기로 공급하는 회송 라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조장치.
In order to selectively produce anatase-type titania or rutile-type titania as set forth in claim 1,
A first reactor for reacting titanium oxide, ammonia gas and hydrogen fluoride gas under an inert atmosphere to produce a titanium compound and an iron compound;
A second reactor that is connected to the first reactor by piping to generate titanium fluoride by first heat treating the titanium compound introduced therefrom;
A third reactor connected to the second reactor and connected to the third reactor for generating titania by performing a second heat treatment on the titanium fluoride introduced therefrom together with ammonia water under an oxidizing atmosphere;
A fourth reactor for producing anatase-type titania or rutile-type titania by firing titania introduced thereinto from a pipeline connected to the third reactor; And
And a recovering unit for collecting the anatase-type titania or the rutile-type titania that is piped to the fourth reactor and introduced thereinto, the apparatus comprising:
And a return line for collecting ammonia gas and hydrogen fluoride gas produced in the second reactor and the third reactor and supplying the collected ammonia gas and hydrogen fluoride gas to the first reactor.
제10항에 있어서,
상기 제1반응기에 암모니아 기체 및 불화수소 기체는 티탄철석 1몰 대비 각각 10 내지 15몰로 공급하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조장치.
11. The method of claim 10,
Wherein the ammonia gas and the hydrogen fluoride gas are supplied to the first reactor in an amount of 10 to 15 moles, respectively, relative to 1 mole of the titanate.
제10항에 있어서,
상기 티타니아 제조장치는
상기 제1반응기로부터 암모니아 기체 및 물은 회수하여 제3반응기로 공급하는 회송 라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조장치.
11. The method of claim 10,
The titania production apparatus
Further comprising a return line for withdrawing ammonia gas and water from the first reactor and supplying the recovered ammonia gas and water to a third reactor.
제10항에 있어서,
상기 티타니아 제조장치는
상기 제2반응기에서 1차 열처리된 철 화합물을 외부로 배출시키기 위한 챔버를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조장치.
11. The method of claim 10,
The titania production apparatus
Further comprising a chamber for discharging the iron compound subjected to the first heat treatment in the second reactor to the outside.
제10항에 있어서,
상기 티타니아 제조장치는
상기 제3반응기에 공기 또는 산소를 공급하는 공급 라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 티타니아 제조장치.
11. The method of claim 10,
The titania production apparatus
Further comprising a supply line for supplying air or oxygen to the third reactor.
제10항에 있어서,
상기 제4반응기의 내부 온도가 550 내지 950 ℃ 미만인 경우, 아나타제형 티타니아가 제조되고, 상기 소성 온도가 950 내지 1200 ℃인 경우, 루타일형 티타니아가 제조되는 것을 특징으로 하는 티타니아의 제조장치.
11. The method of claim 10,
Wherein anatase-type titania is produced when the internal temperature of the fourth reactor is lower than 550 to 950 占 폚, and rutile-type titania is produced when the calcination temperature is 950 to 1200 占 폚.
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