تیتانیوم دی اکسید (تیتان)

تیتان از کجا آمده و چرا ما به آن نیاز داریم؟

تیتانیوم دی اکسید (TiO2) یک ماده دارای رنگ سفید روشن است که عمدتا به عنوان یک رنگ شاد در طیف گسترده ای از محصولات رایج استفاده می شود. تیتان همچنین دارای ویژگی های شناخته شده و کمتر شناخته شده ای است که آن را عنصری بسیار مفید و مهم برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی و جلوگیری از سرطان پوست می کند.

TiO2 به دلیل رنگ فوق العاده آن، توانایی پراکنده کردن نور و مقاومت کردن در برابر UV را دارا است. TiO2 عنصری محبوب است که در صدها محصول دیده می شود و هر روز مورد استفاده قرار می گیرد که این امر منتج به کسب سود اقتصادی و ارتقا کیفیت کلی زندگی می شود.

• در اروپا، موارد استفاده TiO2 شامل استفاده در تولید رنگ، پلاستیک، کاغذ، دارو، کرم های ضد آفتاب و مواد غذایی است.
• دی اکسید تیتانیوم می تواند به عنوان یک فتوکاتالیست، به رنگ، سیمان، پنجره ها و کاشی اضافه شود تا آلاینده های محیط زیستی را تجزیه کند.
• به عنوان یک رنگدانه (پیگمنت) سفید، تیتان یکی از مهمترین مواد اولیه رنگ و سایر پوشش ها است. بازار DIY برای رنگ های حاوی TiO2 تنها ۳.۵ میلیارد یورو است.

دی اکسید تیتانیوم چیست؟

تیتانیوم دی اکسید یک ترکیب غیر آلی سفید است که برای حدود ۱۰۰ سال در تعداد زیادی از محصولات متنوع مورد استفاده قرار گرفته است. این امر به دلیل خواص غیر سمی، غیر واکنشی و نورانی آن است که با استفاده از نور سفید، روشنایی بسیاری از مواد را افزایش می دهد.

تیتان سفیدترین و درخشان ترین پییگمنت شناخته شده با کیفیت بازتابی است. تیتان همچنین می تواند اشعه های UV را رقیق و جذب کند.

موارد استفاده تیتان

رنگ های فوق العاده سفید و ویژگی های بسیار مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش، TiO2 را در بخش های صنعتی و مصرفی به شدت محبوب می کند. به همین دلیل است که کاربرد آن در محصولات مختلفی دیده می شود که مردم روزانه از آن ها استفاده می کنند.

علاوه بر رنگ ها، پوشش های کاتالیزوری، پلاستیک، کاغذ، داروها و کرم های ضد آفتاب نیز از جمله موارد استفاده تیتان هستند. برخی از موارد استفاده تیتان که کمتر شناخته شده اند شامل بسته بندی، جوهر چاپ تجاری، لوازم آرایشی، خمیر دندان و مواد غذایی (به عنوان رنگ مواد غذایی) می باشند.

رنگ ها، پوشش ها و پلاستیک ها

زمانی که تیتان به طور خاص به عنوان یک رنگدانه در رنگ استفاده شود، TiO2 به نام تیتانیوم سفید، پیگمنت سفید ۶ و یا CI 77891 نامیده می شود. همچنین به علت ویژگی های عالی آن به عنوان سفید عالی یا سفید پرفکت (perfect white) شناخته می شود.

تا قبل از تغییر قوانین در دهه ۱۹۲۰، اکثر تولید کنندگان رنگ های صنعتی از سرب سفید بسیار سمی استفاده می کردند و از دی اکسید تیتانیوم استفاده نمی کردند، که البته با توجه به هزینه های بالای آن نسبت به اکسید روی (ZnO) منطقی به نظر می رسید.

تیتان در حال حاضر یکی از رایج ترین پیگمنت ها است که دارای استفاده جهانی است و پایه ای برای رنگ های بیشتر است. تیتان همچنین در پوشش ها و پلاستیک ها نیز یافت می شود. این مورد استفاده تیتانیوم دی اکسید بیش از ۵۰ درصد از مصرف جهانی آن را تشکیل می دهد.

تیتان به عنوان یک پیگمنت، قادر به پراکندگی نور مرئی است. این امر به رنگ خاص منجر می شود و هنگامی که به یک سطح یا به یک محصول افزوده می شود، آن محصول درخشان خواهد شد.

یک نمونه کلیدی از موارد استفاده تیتان، کاربرد آن به عنوان پوششی برای توربین های بادی است که هم رنگ سفید مناسبی را ایجاد می کند و هم با تضعیف UV به عنوان نوعی محافظ عمل می کند. به همین دلیل است که تیتان در قاب پلاستیکی پنجره ها نیز یافت می شود.

صنایع غذایی

در مواد غذایی، TiO2 به عنوان رنگدانه (دست کم) استفاده می شود و به نام E171 شناخته می شود. در بسیاری از محصولات غذایی، تیتانیوم دی اکسید به عنوان یک سفید کننده عمل می کند، اما علاوه بر این تیتان E171 به عنوان یک رنگ دهنده و تقویت کننده بافت در بعضی از شکلات ها استفاده می شود.

آرایشی و بهداشتی و مراقبت از پوست

در محصولات مراقبت از پوست و آرایشی، دی اکسید تیتانیوم هم به عنوان رنگدانه و هم به عنوان غلیظ کننده کرم استفاده می شود.

فواید زیست محیطی

تیتان با توجه به خواص مختلفی که دارد در بسیاری از کاربردهای متنوع محیط زیستی سودمند است.

هنگامی که در پوشش های رنگی در خارج از ساختمان های مناطق گرمسیری استفاده می شود، کیفیت سفید کنندگی و منعکس کننده نور TiO2 می تواند منجر به صرفه جویی در انرژی قابل توجهی شود، زیرا نیاز به تهویه مطبوع را کاهش می دهد.

دی اکسید تیتانیوم می تواند به عنوان یک فتوکاتالیست به رنگ، سیمان، پنجره ها و کاشی ها اضافه شود تا آلاینده های زیست محیطی را تجزیه کند. همچنین می توان آن را به عنوان یک کاتالیست مهم DeNOx در سیستم های گاز اگزوز برای خودروها، کامیون ها و نیروگاه ها، برای به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی آنها استفاده کرد.

محققان در حال کشف کاربردهای جدید بالقوه برای تیتان در این مورد قالب هستند که البته تحقیقات آن ها شامل تولید انرژی پاک نیزمی شود.

شواهد نشان می دهد که TiO2به عنوان یک فتوکاتالیست می تواند هیدرولیز را نیز به انجام برساند و هیدروژن جمع آوری شده از این طریق را می توان به عنوان یک سوخت استفاده کرد.

همچنین نوعی از سلول های خورشیدی که در حال حاضر مورد استفاده قرار گرفته است – به نام سلول های Grätzel – از دی اکسید تیتانیوم نانو برای تولید انرژی خورشیدی در فرایندی مشابه فتوسنتز در گیاهان استفاده می کند.

خواص فیزیکی تیتانیوم دی اکسید چیست؟

دی اکسید تیتانیوم دارای ویژگی های منحصر به فردی است که آن را برای بسیاری از کاربرد های مختلف مناسب می کند.

نقطه ذوب تیتان بسیار بالا است و از ۱۸۴۳ درجه سانتیگراد شروع می شود و نقطه جوش آن ۲،۹۷۲ درجه سانتیگراد است، به طوری که به طور طبیعی به صورت جامد دیده می شود و حتی ذرات آن در آب حل نمی شود. TiO2 همچنین یک عایق است.

بر خلاف سایر مواد سفید که ممکن است در نور کمی به رنگ زرد ظاهر شوند، تیتان اینگونه نیست و به صورت سفید خالص به نظر می رسد.

مهم تر از همه، تیتانیوم دی اکسید دارای شاخص انکساری بسیار بالا (توانایی آن در پراکندگی نور) است که حتی بالاتر از الماس است. این باعث می شود که یک ماده فوق العاده روشن و یک ماده ایده آل برای طراحی باشد.

یکی دیگر از ویژگی های مهم دی اکسید تیتانیوم این است که می تواند فعالیت فوتوکاتالیستی را تحت نور UV نشان دهد. این باعث می شود که برای تصفیه زیست محیطی، برای انواع پوشش های محافظتی، سطوح ضدعفونی و ضد انعقاد، و حتی در درمان سرطان موثر باشد.

• درخشندگی
  براق، بسیار درخشان، شفافیت و ماتی که شبیه هیچ ماده دیگری نیست.
• مقاومتی
  مقاوم در برابر گرما، نور و هوای محیط که سبب جلوگیری از تخریب رنگ ها، در فیلم ها و ضعیف شدن پلاستیک ها می شود.
• محافظتی
  توانایی پراکنده کردن و جذب اشعه ماوراء بنفش باعث می شود TiO2 یک عنصر مهم در کرم های ضد آفتاب بوده و از پوست در برابر اشعه های مضر و سرطانی مثل اشعه UV محافظت کند.
• غیر سمی
  تیتان غیر سمی و غیر واکنشی است، به همین دلیل می توان آن را در مواد غذایی و دارویی بدون تاثیر بر سایر مواد استفاده کرد.
• قدرتمند
  به عنوان یک فوتوکاتالیست در پانل های خورشیدی و همچنین در کاربردهای با هدف کاهش آلودگی ها استفاده می شود.

اشکال تیتانیوم دی اکسید

TiO2 دارای کیفیت های مختلفی است که بسته به این است که به صورت پیگمنت باشد و یا بصورت نانو متریال باشد. البته هر دو فرم بی مزه، بی بو و غیر قابل حل هستند.

رنگدانه های TiO2 در ابعاد ۲۰۰-۳۵۰ نانومتر هستند و این فرم ۹۸ درصد کل تولید این ماده را تشکیل می دهد. این نوع تیتان عمدتا برای پراکنده کردن نور استفاده می شود و در سطوح کدر مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله این موارد، استفاده از آن به عنوان یک پایه برای رنگ های مختلف و یا به عنوان یک “درخشان کننده” سفید مستقل استفاده می شود.

نانو تیتان یا Ultrafine TiO2 شامل ذرات اولیه کوچکتر از ۱۰۰نانومتر است. در این حالت، تیتانیوم دی اکسید، شفاف (بدون رنگ) است و دارای خاصیت پراکنده کنندگی UV و جذب آن در مقایسه با اندازه بزرگتر آن یعنی TiO2 رنگدانه است.

تیتانیوم دی اکسید از چه چیزی ساخته شده است؟

تیتانیوم یکی از رایج ترین فلزات روی زمین است، اما به طور طبیعی عنصری در این فرم وجود ندارد. دی اکسید تیتانیوم – ترکیب طبیعی است که زمانی ایجاد می شود که تیتانیوم با اکسیژن در هوا واکنش دهد. تیتانیوم به عنوان یک اکسید در مواد معدنی پوسته زمین یافت می شود. همچنین با عناصر دیگر، از جمله کلسیم و آهن نیز یافت می شود. فرمول شیمیایی آن TiO2 است، به این معنی که شامل یک اتم تیتانیوم و دو اتم اکسیژن (از این رو دی اکسید) است.

TiO2 به طور معمول به عنوان یک ماده شیمیایی خنثی شناخته می شود، به این معنی که با سایر مواد شیمیایی واکنشی نشان نمی دهد و بنابراین ماده ای پایدار است که می تواند در بسیاری از صنایع مختلف و برای کاربردهای مختلف استفاده شود.

تیتان از کجا آمده است؟

خود تیتانیوم دی اکسید برای اولین به طور رسمی در اواخر دهه ۱۸۰۰ در آزمایشگاه ساخته و نامگذاری شد. در واقع چیزی که در آن زمان نامگذاری شد تا اوایل قرن بیستم ساخته شد، زمانی که آن را به عنوان یک جایگزین امن تر برای دیگر رنگدانه های سفید جایگزین کردند.

عنصر تیتانیوم و ترکیب TiO2 در سراسر جهان یافت می شود، این ماده به همراه سایر عناصر مانند آهن، چندین نوع سنگ و در معادن شن و ماسه (و حتی برخی ماسه های ساحلی) وجود دارد.

تیتان چگونه استخراج می شود؟

اینکه چگونه تیتانیوم دی اکسید خالص از مولکول های حاوی تیتانیوم استخراج می شود، بستگی به ترکیب سنگ معدن اصلی یا مواد اولیه دارد. دو روش برای تولید TiO2 خالص وجود دارد: فرایند سولفات و فرآیند کلراید.

منبع طبیعی اصلی دی اکسید تیتانیوم، سنگ معدن اورانیوم ایلمنیت است که حاوی ۴۵ تا ۶۰ درصد TiO2 می باشد.

روش های سولفات و کلرید

از دو روش استخراج گفته شده، در حال حاضر فرآیند سولفات محبوب ترین روش تولید TiO2 در اتحادیه اروپا است که ۷۰ درصد از منابع اروپایی را شامل می شود. ۳۰ درصد باقیمانده نتیجه پروسه کلراید است. تخمین زده می شود که در سطح جهانی حدود ۴۰-۴۵ درصد تولید جهان بر اساس روند کلراید است.

آینده تیتانیوم دی اکسید

به عنوان ماده ای که برای عموم نسبتا ناشناخته است، شگفت آور است که چگونه می توان تیتانیوم دی اکسید را در بسیاری از محصولات روزمره یافت. به خاطر خواص متنوع بسیاری که دارد، پوست ، شهرها، اتومبیل ها، خانه ها، غذا و محیط زیست ما با تیتان آمیخته شده و روشن تر، ایمن تر و تمیز تر شده اند. تیتانیوم دی اکسید یک میراث ۱۰۰ ساله است و البته که دارای استفاده تجاری بوده و بسیاز بی خطر است به همین دلیل در حال تبدیل شدن ماده‌ای حیاتی است زیرا با افزایش جمعیت، محیط زیست ما نیز با چالش های بیشتری روبه‌رو خواهد شد.