二氧化钛的制备方法

工业上生产主要有硫酸法和氯化法,我国主要采用硫酸法,流程如下

FeTiO3(钛铁矿)+2H2SO4(浓)→煮沸→FeSO4+TiOSO4(硫酸氧钛)+2H2O

冷却所得滤液,除去FeSO4·7H2O后加热至沸腾

TiOSO4+2H2O→煮沸→H2TiO3↓+H2SO4

将沉淀滤出,烘干,在900~950°C下焙烧

H2TiO3→TiO2+H2O

氯化法是将粉碎后的金红石或高钛渣与焦炭混合,在流化床氯化炉中与氯气反应生成四氯化钛,净化,于1000°C左右通氧气

2TiO2+3C+4Cl2→△→2TiCl4↑+2CO↑+CO2↑

TiCl4+O2→焙烧→TiO2+2Cl2

通常,光催化剂TiO2是通过液相法或气相法来制备的.液相法是将钛的卤化物或钛醇盐经水解生成氢氧化钛(或羟基氧钛),再经煅烧得到TiO2

Ti(OR)4或TiX4→水解→Ti(OH)4或TiO(OH)2→煅烧→TiO2

用途：二氧化钛是一种重要的白色颜料和瓷器釉料。用于油漆、油墨、塑料、橡胶、造纸、化纤、水彩颜料等行业。

半导体二氧化钛的光化学性能已使其可用于许多领域，如空气、水和流体的净化。以碳或其他杂原子掺杂的光催化剂也可用于具有散射光源的密封空间或区域。用于建筑、人行石板、混凝土墙或屋顶瓦上的涂料中时，它们可以明显增加对空气中污染物如氮氧化物、芳烃和醛类的分解。

此外还广泛应用于生产防晒霜，无毒性，对人体无害。

超细二氧化钛具有优异紫外光屏蔽性和透明性。被广泛用在化妆品、木器保护、食品包装塑料、耐久性家用薄膜、人造纤维和天然纤维、透明涂料中。在金属闪光涂料中的特殊光学效应,使之在高级轿车漆中得到重视和应用。

纳米二氧化钛构成光化媒，光化媒是空气净化技术，可以高效地吸收分解有害气体，并且还可以杀菌抑菌、防霉除臭，持续产生负氧离子，给居住者带来持续长久的清新空气。

二氧化钛的工业化生产方法有两种：硫酸法和氯化法。

1）硫酸法

用硫酸酸解含钛矿物，得到硫酸氧钛溶液，经纯化和水解得到偏钛酸沉淀，再进入转窑焙烧产出二氧化钛颜料产品，是非连续生产工艺，工艺流程复杂，需要20道左右的步骤，排放废弃物较多。晶型转变需更多操作步骤，采用的焚烧工艺需要消耗大量能源[9]。

硫酸法工艺主要包括以下几个步骤：

除杂：Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O, TiO2+2H2SO4=Ti(SO4)2+2H2O

然后：Fe+Fe2(SO4)3=3Fe2 SO4

调PH至5-6，使Ti(SO4)2水解：Ti(SO4)2+3H2O=H2TiO3↓+2H2SO4

过滤沉淀加热得到TiO2：H2TiO3= TiO2+H2O↑

2）氯化法

氯化法是以钛铁矿、高钛渣、人造金红石或天然金红石等与氯气反应生成四氯化钛，经精馏提纯，再进行气相氧化；速冷后，经过气固分离得到二氧化钛。由于没有转窑焙烧工艺形成的烧结，其二氧化钛原级粒子易于解聚，所以在产品精制的过程较硫酸法大幅度节省能量[10]。

氯化法工艺主要包括以下几个步骤：

先用盐酸除杂：Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O

过滤洗涤然后加焦炭和氯气：TiO2 (粗)+C+2Cl2=TiCl4(气)+CO2

冷却、收集TiCl4 (液)小心水解：TiCl4+3H2O =H2TiO3+4HCl

加热提纯得到精制二氧化钛：H2TiO3=TiO2(精)+H2O↑

钛铁矿（主要成分FeTiO3，其中铁为正二价）为原料，加入稀硫酸溶解加入水中浸取，浸取液含有Fe2+、Fe3+，加入过量铁粉还原铁离子为亚铁离子，过滤得到滤液Ⅰ含有TiOSO4 和FeSO4，通过操作Ⅰ蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到FeSO4?7H2O，和滤液2主要TiOSO4，加入水水解过滤生成偏钛酸（TiO2?nH2O），煅烧得到TiO2；

（1）铁矿加入硫酸反应可制得硫酸氧钛，硫酸亚铁和水，结合原则守恒配平书写得到化学方程式：FeTiO3+2 H2SO4=（1 ）TiOSO4+（ 1 ） FeSO4+（ 2 ） H2O；

故答案为：1，FeSO4，2 H2O；

（2）除去浸出液中的Fe3+，则加入的试剂A为过量的铁粉，还原铁离子为亚铁离子，防止已还原的Fe2+重新被空气氧化，保证Fe3+全部转化为Fe2+；

故答案为：铁屑，防止已还原的Fe2+重新被空气氧化；

（3）操作Ⅰ是溶液中得到硫酸亚铁晶体的实验方法，通过蒸发浓缩，冷却结晶，过滤洗涤得到FeSO4?7H2O，；

故答案为：蒸发浓缩，冷却结晶，过滤；

（4）温度升高，会促使硫酸氧钛（TiOSO4）过早水解，滤液2加水稀释使硫酸氧钛（TiOSO4）水解生成偏钛酸（TiO2?nH2O）和硫酸，反应的化学方程式为：TiOSO4+（n+1）H2O═TiO2?nH2O+H2SO4；

故答案为：蒸发浓缩过程温度升高，会促使硫酸氧钛（TiOSO4）过早水解；TiOSO4+（n+1）H2O═TiO2?nH2O+H2SO4 ；

钛白粉是二氧化钛，材料多是钛酸亚铁（钛铁矿FeTiO3）

利用硫酸与钛铁矿反应得到硫酸钛酰。用65%～75%硫酸,150～160℃,120min,酸解率高于85%。可以得到总钛浓度116kg/m3,F值为2左右的合格钛液。操作周期缩短到2～3h。

FeTiO3 +2H2SO4（65%～75%）============== TiOSO4 +FeSO4 +2H2O

用稀氨水（10%）可以促进硫酸钛酰的水解。（偏钛酸不溶于过量氨水）

TiOSO4 +NH3.H2O================H2TiO3↓+（NH4）2SO4

偏钛酸受热分解

H2TiO3===加热=====H2O+TiO2

钛白粉不是由钛金属制成。

钛白粉（titanium dioxide），是一种重要的无机化工颜料，主要成分为二氧化钛。钛白粉的生产工艺有硫酸法和氯化法两种工艺路线。

生产工艺：

钛白粉制造方法有两种：硫酸法（Sulphate Process）和氯化法（Chloride Process）。其中56%为氯化法产品，这种产品的70%以上又产自美国杜邦等钛白粉大厂，其他国家包括中国的钛白粉工厂仍以硫酸法为主。

1、硫酸法：

将钛铁粉与浓硫酸进行酸解反应生产硫酸氧钛，经水解生成偏钛酸，再经煅烧、粉碎即得到钛白粉产品。此法可生产锐钛型和金红石型钛白粉。

硫酸法的优点是能以价低易得的钛铁矿与硫酸为原料，技术较成熟，设备简单，防腐蚀材料易解决。其缺点是流程长，只能以间歇操作为主，湿法操作，硫酸、水消耗高，废物及副产物多，对环境污染大。

2、氯化法：

氯化法是用含钛的原料，以氯化高钛渣、或人造金红石、或天然金红石等与氯气反应生成四氯化钛，经精馏提纯，然后再进行气相氧化；在速冷后，经过气固分离得到TiO2。该TiO2因吸附一定量的氯，需进行加热或蒸气处理将其移走。

该工艺简单，但在1000℃或更高条件氯化，有许多化学工程问题如氯、氯氧化物、四氯化钛的高腐蚀需要解决，再加上所用的原料特殊，较之硫酸法成本高。

氯化法生产为连续生产，生产装置操作的弹性不大，开停车及生产负荷不易调整，但其连续工艺生产，过程简单，工艺控制点少，产品质量易于达到最优的控制。

再加上没有转窑煅烧工艺形成的烧结，其TiO2原级粒子易于解聚，所以在表观上人们习惯认为氯化法钛白粉产品的质量更优异。

氯化法优点是流程短，生产能力易扩大，连续自动化程度高，能耗相对低，“三废”少，能得到优质产品。其缺点是投资大，设备结构复杂，对材料要求高，要耐高温、耐腐蚀，装置难以维修，研究开发难度大。

硫酸法。

粉煤灰负载二氧化钛光催化材料制备采用表面处理过的粉煤灰在碱性溶液中加入硫酸氧钛溶液，在水热反应釜中反应，得到样品离心洗涤后，经煅烧后得到具有粉煤灰为核、负载氧化钛为壳结构的光催化材料。

粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰，粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物。

这是根据制作原料的不同而定义的 目标产出物都是精制钛白粉（TiO2)

硫酸法：除杂：Fe2O3+3H2SO4==Fe2（SO4)3+3H2O,TiO2+2H2SO4==Ti(SO4）2+2H2O。然后，Fe+Fe2（SO4）3==3FeSO4，调PH至5—6，使Ti（SO4）2水解：Ti（SO4）2+3H2O==H2TiO3↓+2H2SO4，过滤沉淀 加热得到钛白粉：H2TiO3=△=TiO2+H2O.

氯化法：先用盐酸除杂：Fe2O3+6HCl==2FeCl3+3H2O(TiO2不溶）过滤洗涤然后加焦炭和氯气：TiO2（粗）+C+2Cl2=△=TiCl4（气）+CO2，冷却 收集TiCl4（液）小心水解：TiCl4+3H2O==H2TiO3+4HCl 加热提纯得到精制钛白粉：H2TiO3=△=TiO2（精）+H2O↑

水合二氧化钛的分子式可以写成TiO2·H2O或H2TiO3、TiO(OH)2,也称氢氧化钛或偏钛酸。水合二氧化钛的制造是硫酸法钛白粉生产工艺的核心部分，也是整个工艺控制最苛刻的地方之一。它是把黑色钛的硫酸盐溶液(钛液)、通过加热水解，从母液中析出白色水合二氧化钛的沉淀，从而与母液中其他可溶性金属杂质离子分离，以利进一步提纯二氧化钛。水解产物的质量好坏，不仅影响后工序的正常操作，而且直接影响最终产品的质量，往往会造成无法补救的质量损失。在生产颜料级钛白粉时，对水解的要求，首先是水解产物必须是具有一定粒子大小、粒子分布均匀、易于过滤和洗涤的水合二氧化钛沉淀，其次才是希望有较高的水解率、设备简单、操作方便等技术经济指标，因为水合二氧化钛的粒子性质直接决定了二氧化钛的光学性能和颜料性质。因此有人干脆把钛的硫酸盐溶液的水解过程称为水合二氧化钛粒子的制备过程是有一定道理的。

钛液的水解机理十分复杂，其化学反应式可以简单规纳如下：

(1)Ti(SO4)2+H2O→TiOSO4+H2SO4

(2)TiOSO4+2H2O→H2TiO3↓+H2SO4

上述化学反应式中(1)式几乎不存在或存在很少，因为当工业生产中的钛液F值小于2.45时，溶液中应该以TiOSO4为主。从理论上来讲只有不含游离酸的中性水溶液中，TiOSO4才会全部水解生成H2TiO3，而实际上不仅钛液中含有大量游离酸，并且在水解过程中还会释放出游离酸，因此钛液的水解产物不仅是H2TiO3,还有TiOSO4。如果把TiOSO4用TiO2·SO3来表示，把H2TiO3用TiO2·H2O来表示，钛液水解的产物实际上是一系列含水并呀附一定量SO3二氧化钛胶体凝聚物，其分子式应为TiO2·xH2O·ySO3,因此正确的名称应是水合二氧化钛，其中TiO2、H2O、SO3之间的关系，即x和y的数值要视水解条件、溶液中F值的高低而不同。

由于氢氧化钛具有两性特征，且偏酸性，故可称为钛酸，其中Ti(OH)4称为a钛酸或正钛酸；TiO(OH)2则称为β钛酸或偏钛酸，通常人们为了记忆和书写的方便，习惯上总把水合二氧化钛称为偏钛酸，并书写成H2TiO3。

钛液水解所生成的水合二氧化钛中的H2O和SO3,不是以化合状态与二氧化钛化学结合在一起的，而是以一种非常牢固的吸附作用而结合在一起，用水洗涤的方法很难全部除干净，工业上可以采取加热煅烧的办法，一般SO3在700℃时即可