dioxido de titanio

5/12/2018 dioxido de titanio - slidepdf.com

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RE V IS TA COLOMBIA NA DE QUÍMICA . BOGOTÁ (COLOMBIA ) . V OLUME N 22 , No . 1 DE 1993

E S T U D IO E X P E R I M E N T A L PA R A L A O B T E N C I Ó ND E D I Ó X I D O D E T IT A N I O A P A R T IR D E I L M E N I T A

V IA A C I D O C L O R H Í D R I C O

P edro H ernández*, A ndrés H urtado, L uis P eñaloza, Jacqueline R omero.*Departamentos de Química y de Ingeniería Química, Universidad Nacional deColombia, A.A. 14490. Santafé de Bogotá, Colombia.

Keywords: Tilanium Dioxide, I lmeiúte.

R E S U M E N

Una ilmenita colombiana con un tamaño de partícula que pasa malla 100, se lixiviócon solucion es de ácido clorhídrico cuya s concentraciones o scilaron entre 17% y el4 1 % (p/v), en relaciones estequiom étricas de 1.0 a 2.5 veces, tempera turas en tre75°C y l O r C y tiempos de 1 a 5 horas. La mezcla resultante se filtró obteniéndoseun licor que contenía entre 70% y 80% del TiO^ presente en la ilmen ita, el cual sehidrolizó térmicamente. El producto final fue obtenido por calcinación a 900°C yposee un contenido de TiO^ mayor del 97%.

A B S T R A C T

A C olom bian ilmenite with a particle size less than 100 mesh w as leached with (17

to 41%

(w/v) hydro chloric acid and solutions in stoichiom etric ratios from 1.0 to 2.5times, temperatures between 75°C and 10TC, and from 1 to 5 hou rs. T he resultingm ixture w as filtered to obtain a liquoiu- that contained betw een 70% to 80% of TiO^present in the ilmenite, which was thermally hydrolysed. The final product wasobtained by means of calcination to 900°C , with a content ofTiO ^ greater than 97% .

I N T R O D U C C I Ó N

La producción industrial de dióxido de titanio se realiza a nivel mimdial utilizandobásicamente dos procesos: uno de ellos emplea ácido sulfúrico e ilmenita comoma terias primas (vía sulfato), el otro cloro gaseoso y mineral de rutilo (vía clom ro)( 5 , 7 , 1 2 , 1 5 ) .



R E V IS T A C O L O M B I A N A D E Q U Í M I C A , B O G O T Á (C O L O M B U ) , V O L U M E N 2 2 , N o . 1 D E 1 9 0 3

A pesar de que Colombia posee varios yacimientos primarios y secundarios deminerales de titanio (11, 13,19), no existe producción nacional de TiO, y por ende

se im porta todo lo que se consum e. A nivel nacional se ha realizado sólo un estudiode facübiUdad técnico-económico por la vía sulfato (7).

El presente artículo muestra las condiciones óptimas de laboratorio para obtenerT iO j a partir de una ilmetúta nacional por la vía del ácido clorhidrico. V ía que no seha probado a gran escala, pero puede ser una ventajosa altematíva respecto a losviejos procesos por: (i) la posibilidad de regenerar el ácido, ocasionando un menorimpacto ambiental, (ii) la disponibilidad de materias primas y (iii) la relativasimplicidad del proceso (2, 6, 8, 18).

M A T E R I A L E S Y M É T O D O S

La ilmenita procedente de la región del Vaupés posee un contenido de 44.65% deT i O j , 2 1 . 2 8 % de FeO y 2 4 . 1 % de FeÔj. E l ácido clorhídrico utilizado, de producciónnacional, es de grado industrial con ima concentración del 41.09% (p/v).

E l proce so optimizado involucra las siguientes etapas: (i) preparación de la m uestra,

(ii) lixiviac ión, (iii) filtración, (iv) hidrólisis y (v) calcina ción, tal como se d escribenen el diagrama de flujo (figura 1).

E n todos los ensayos se analizó el porcentaje de ütatuo solubilizado o precipitado,utilizand o para esta determinación el método del R eductor de Jones y se le expresócomo porcentaje de TiO^ (3, 10, 14).

L I X I V I A C I Ó N

A partir de la bibliografía se obtuvo alguna información sobre las variables de lalixiviación: cantidad de ácido, exceso de ácido, temperaturas de operación y tiem pode operación. A estas variables se les aplicó el método Estadístico de Yates (1),obteniéndose así los valores medios con los cuales se desarrollaron los ensayospreliminares de lixiviación.

L a investigación se inició a partir de estos ensayos preliminares y una vez analizadoslos resultados obtenidos, se procedió a utilizar el método de Optimización

M ultivariable S implex para mejorar cada vez más los resultados.

P ara calcular la cantidad estequiométrica de ácido necesaria para reaccionar con latotalidad del hierro y el titanio presentes en la ilmenita se tuvieron en cuenta lasreaccio nes siguientes que ocurren en el proceso de lixiviación:





R EVIST A C OL OM BIAN A D E QU ÍM IC A, BOGOT Á ( C OL OM BIA) , VOL U M EN 2 2 , N o . 1 D E 1 9 9 3

F e P j + 6H C 1 > 2FeC l3 + 3 H p

F eO + 2H C 1 > F eC l^ + H p

T Í O , + 4H C 1 > T i C L + 2 H , 02 4 2

El intervalo de temperatura utilizado estuvo entre 78.8°C y 83°C porque a temperaturas mayores disminuye el rendimiento de titanio extraído.

E n el método de Optim ización M ultivariable Simplex (4) se consideraron co movaria bles de estud io: la tempe ratura de operación y la conce ntración del ácido ycomo función de calidad la cantidad de titanio extraído.

H I D R Ó L I S I S

L a hidrólisis del titanio soluble en soluciones fuertemente acidas se pued e hacer portres vías alternas: (i) por dilución, (ii) por increme nto del pH y (iii) por desh idratacióntérmica de las formas solubles del titanio.

E n realidad se obtiene un precipitado de ácido ortotitánico si la hidrólisis se hac e pordilución con agua a temperaturas bajas, cercanas a O'C o por aumento del pH conla adició n de hidróx ido de sodio o carbonato de sodio. S eideil reporta las siguien tessolubilidades para el TiO^ en soluciones acuosas alcalinas (17), así:

S olución g T iO j/l

N a O H ( 10 % ) 0 . 0 2 0 - 0 . 0 2 5

N a O H ( 36 % ) 0 . 0 6 0 - 0 . 1 0 0

K O H (1 0% ) 0 . 3 0 0 - 0 . 4 5 0

K O H ( 40 % ) 0 . 7 0 0 - 0 . 9 0 0

NaHCO3(10%) 0 .250

K H C 0 3 ( 1 2 % ) 0 . 5 0 0

KjC 03 (30%) 0.020



RE V IS TA CO LOMBIA NA DE QUÍMICA , BOGOTÁ ( C O L O M B I A ) , V O L U M E N 2 2 , N o . 1 DE 1993

Si se realiza una hidrólisis térmica el precipitado ob tenido es ácido m etatitánico . L ascurvas de solubilidad de estos dos precipitados pueden consultarse en Pascal (16).

C A L C I N A C I Ó N

L os hidratos de titanio, luego de lavados con soluciones diluidas de ácido clorhíd rico, fueron calcinados a 900°C durante una hora. Los productos calcinados secom pararon ópticamente e ntre si y contra patrones de T iO^ industriales usado s parapigmentos.

R E S U L T A D O S Y D I S C U S I Ó N

L I X I V I A C I Ó N

En los ensayos preliminares se pudo observar:

- La lixiviación siempre arrojó buenos rendimientos para la extracción de titaniocuando la concentración de ácido fue mayor del 37.98% (p/v).

- L a relación estequiom étrica de ácido clorhídrico a ilmenita (TiO ^, FeÔ ^y FeO ) nodebe ser inferior de 1.5:1.0, pero con relaciones superiores de 2:1 no se ob servaron

incrementos significativos en la extracción, por ello para la optimización de lalixiviación, por el método S implex,se usó un volumen de 400 mi de solución de ácidoporque la relación estequ iom étrica del ácido , a las conce ntraciones de trabajo,excedía suficientem ente la cantidad nece saria para reaccionar con 50 g de ilm enita.

- Igualmente estos rendimientos se incrementaron con el aumento del tiempo dereacción, pero para tiempos mayores de las 4 horas no se observaron incrementossignificativos en la extracción.

Para aplicar el métotlo Simplex el intervalo de las variables se delimitó entre lossiguientes valores: Tem peratura de 70°C a 95°C y concentración de ácido de 34.63 %

p/v a 42.92% p/v. C omo pun to de partida se tomaron los promedios aproxim ados delos intervalos anteriores, es decir: tem peraturas 83°C y concen tración del ácido:38.78% p/v. El tiempo de reacción y el volumen de ácido se fijaron en 4 horas y 400mi respectivamente.

L a tabla 1 mu estra tanto las condicion es de trabajo com o los resultados ob tenidos enla optim ización del proceso de lixiviación , aplicando el m étodo S imp lex

bidimensional.

Sus resultados mostraron que sólo al acercarse a las condiciones del ensayo L-3 sepudieron obtener los mejores rendimientos en la extracción del titanio contenido enla ilmenita.

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Tabla 1. Resultados de la optimización de la l ixiviación por el método Simplex

E N SA Y O

L -lL -2L -3L -4

L -5

T E M P E R A T U R A

CC)

78.887.283.074.6

78.8

C O N C E N T R A C .

HCI(% p/v)

37.9837.9840.3740.37

40.37

V O L U M E N

n L T R A D O(mi)

1000127210001000

1000

C O N C E N T R A C .

FIL T R A D O( g T I O / )

16.8412.9818.4415.67

17.63

% T i O ,

E X T R .

75.4573.9782.6170.23

79.18

V o l u m e n d e á c i d o = 4 0 0 m i . P e s o i l m e n i t a = 5 0 g . T i e m p o = 4 h .

Por último, sobre el proceso de lixiviación se puede observar lo siguiente:

- A mayor concentración de ácido, mayor fuerza de ataque al mineral, pero ellom edia do por un volumen de solución que facilite un efectivo m ojado y la transferencia de masa.

- El titanio lixiviado se encuentra en la solución formando diversos oxicloruros comoT iC ljO H , T iClj(OH )j y TiCKO H )^ que pueden pasar a ácido ortotitánico, Ti(O H )^,por dilución o a ácido metatitánico TiO(OH)j el cual es insoluble en soluciones deácido clorhídrico calientes (9).

H I D R Ó L I S I S

Los diferentes ensayos realizados con el fin de hidrolizar el titanio en solución

mostraron que este proceso se favorece cuando el licor se adiciona lentamente sobreunos nú cleos de semilla de TiO ^ hidrato en ebullición. D ichos núcleos se ob tienena partír del mismo licor a hidrolizar, colocando en ebullición un pequeño volumende licor que puede corresponder como máximo a un 2% del volumen total.

La reducción previa del ion férrico a ferroso, en el proceso de lixiviación, fueimportante para esta etapa por cuanto facilitó el posterior retíro del hierro en lasolución resultante de la lixiviación, cristalizando como FeCl^ (1); minimizando asíla presencia de hierro en el licor de hidrólisis y evitando una posible coloración

amarilla del producto en la posterior calcinación de los precipitados de títanioobtenidos en la hidrólisis.

En la tabla 2 se pueden apreciar las variables monitoriadas y controladas en elproceso de hidrólisis, así como los resultados obtenidos en éste.



R EVIST A C OL OM BIAN A D E QU ÍM IC A. BOGOT Á ( C OL OM B IA) , VOL U M EN 2 2 , N o . 1 DE 1993

L a diferencia entre el ensayo L -6 y L -3 es la adición de hierro en polvo , al final delproceso de lixiviación, para reducir el ion férrico en solución, ocasionando esta

variante tan solo una reducción del 0.95% en la extracción del titanio presente en lailmenita.

Se observó que: (i) la temperatura de hidrólisis no debe ser menor de 95°C,temperaturas mayores permiten reducir el tiempo de hidrólisis; (ii) el tiempo dehidrólisis no debe ser inferior a 3 horas para poder alcanzar una im portanterecuperación del títanio presente en solución, por ello en la optímización de esteproc eso se increm entó el tíempo de hidrólisis de 200 a 270 m inutos, lo cual p ermitíóaum entar el porcentaje de TiO^ hidrolizado de 58.44% al 92.15 %, considerado comobastante satísfactorio.

C A L C I N A C I Ó N

En la comparación visual entre patrones de pigmentos industriales de dioxido detítanio y los productos de calcinación de los hidratos de títatúo precipitados seobservó mejores característícas de blancura y opacidad para aquellos precipitadoscalcinados en presencia de aditívos. A los hidratos H-1 y H-2 se les adicionópreviamente un 0.5% en peso de ZnO y KÔ como aditívos, para favorecer laformación de la estructura de rutilo con buenas propiedades de blancura y opacidad(5 , 15).

Los contenidos de TiO^ en los productos de calcinación fueron siem pre may ores del97 %, lo cual representa un buen resultado si se compara con los datos reportados porla literatura que oscilan entre 96% y 99% de TiO^ (5), (15).

En síntesis la producción de dioxido de títanio a partír de una ilmenenita, quecontíene un 44.65% TiO^, por la vía del ácido clorhídrico permitíó extracciones

T a b l a 2. R e s u l t a d o s d e l o s E n s a y o s d e H i d r ó l i s i s T é r m i c a d e l aS o l u c i ó n L - 6

Ensayo Condiciones Peso Conc. inicial Conc. final % TiO^ % TiO^Z. ^. Precipitado en la soln. en la soln. H idrolizado en el

(•C)''" ( r a T ^^ ^ ^ ' ^ ^ ^ ^ ' ^ ^ Precipitado

H l 95 200 2.5749 42.40 8.3599 58.44 89.62

H 2 95 270 4.0089 42.40 1.5790 92.15 96.88

<5



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superiores al 82% del TiO^ presente en el mineral y recuperaciones en la hidrólisisno inferiores al 96% como TiO^ del títanio disuelto, dando como producto final un

dioxido de títanio con una pureza mayor del 97% como TiO^, con óptímaspropiedades óptícas. Estos buenos resultados invitan a realizar futuros proyectos deescalado.

R E F E R E N C I A S

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cr

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