Titaanidioksidi

Ominaisuudet

Titaanidioksidi (TiO₂) on hyvin inertti, myrkytön valkoinen yhdiste, jonka moolimassa on 79,90 g/mol. Titaanidioksidin sulamispiste 1 855 °C, kiehumispiste 2 500–3 000 °C, tiheys 3,9–4,3 g/cm³ ja CAS-numero 13463-67-7. Ei liukene happoihin tai emäksiin. TiO₂ esiintyy kolmessa eri kidemuodossa: tetragonisina rutiilina ja anataasina sekä harvinaisena rombisena brookiittina.
Titaanidioksidin taitekerroin on erittäin korkea (rutiili 2,7; anataasi 2,55; vertailuna timantti 2,42), minkä takia sitä käytetään pigmenttinä maaleissa, papereissa ja muoveissa lisäämään niiden peittokykyä. Titaanidioksidin kidekoko on oltava noin 220 nanometriä eli puolet näkyvän valon aallonpituudesta, jotta se olisi mahdollisimman puhtaan valkoinen pigmentti. Jos kidekoko on hieman pienempi, niin valkoisen pigmentin sävy on sininen ja jos suurempi niin keltainen. Lisäksi titaanidioksin on oltava hyvin puhdasta, sillä kiteessä jo muutama miljoonasosa (ppm), esimerkiksi kromia, värjää pigmentin keltaiseksi. Titaanidioksidipigmentit ovat parempien ominaisuuksiensa vuoksi syrjäyttäneet lyijypohjaiset pigmentit ja TiO₂ onkin ominaisuuksiensa takia tuotetuin epäorgaaninen väriaine. Esimerkiksi maalien painosta on usein yli 20 % titaanipigmenttiä.
Termodynaamisesti rutiili on vakain kidemuoto: jos anataasia lämmitetään yli 700 °C lämpötilaan, sen kiderakenne muuttuu pysyvästi rutiiliksi. Rutiili on titaanidioksidin kidemuodoista tihein ja kovin. Sen tiheys on 4,21 g/cm3 ja kovuus Mohsin asteikolla 6,5–7,0 kun anataasin tiheys on 4,06 g/cm3 ja kovuus 5,5.
Kun titaanidioksidin kidekoko on selvästi alle 100 nanometriä, puhutaan mikrokiteisestä titaanidioksidista tai nanotitaanidioksidista. Mikrokiteinen titaanidioksidi ei ole enää valkoista pigmenttiä vaan se on transparenttia ja hyvin fotoaktiivista, sillä titaanidioksidi on puolijohde.

Valmistus

Puhtaan titaanioksidin valmistusreaktio keksittiin 1908 ja sen teollinen valmistus alkoi Norjassa vuonna 1916. 
Titaanidioksidipigmenttejä tuotetaan kahdella eri prosessilla: sulfaattiprosessilla ja kloridiprosessilla. Kloridiprosessia käytetään kun raaka-aineena on rutiilimineraali ja sulfaattiprosessia kun raaka-aine on esimerkiksi ilmeniitti. Molemmissa prosesseissa puhdasta titaanidioksidia vielä muokataan sen käyttötarkoituksen mukaan. Titaanipigmenttilaatuja eri tarkoituksiin onkin yli 400.  
Sulfaattiprosessissa raakamateriaali hajotetaan rikkihapon avulla 150–220 °C lämpötilassa. Prosessissa syntyvä titaanidioksidihydraatti saostetaan ja sen epäpuhtaudet poistetaan jatkoprosesseissa. Esimerkiksi Porin titaanidioksiditehtaalla Suomessa on jalostettu slagia ja ilmeniittiä, jolloin on käytetty sulfaattiprosessia.
Tässä prosessissa ei raaka-aineelta vaadita korkeaa titaanidioksidipitoisuutta, mutta sen jätteet ovat ympäristömyrkkyjä, ellei niitä neutraloida. Itse asiassa tässä prosessissa raaka-aineet, joissa on korkea titaanidioksidipitoisuus, eivät ole reaktiokykyisiä. Yleensä sulfaattiprosessia käyttävien titaanipigmenttitehtaiden käyttämän ilmeniittiraaka-aineen titaanidioksidipitoisuus on 45–60 %.
Kloridiprosessissa raakamateriaalit reagoivat kloorin kanssa 700 – 1 200 °C lämpötilassa, ja syntyy titaanitetrakloridia kun hiiltä on läsnä. Se tislataan muista klooriyhdisteistä ja sitten sitä poltetaan 900 – 1 400 °C lämpötilassa, jolloin muodostuu puhdasta TiO₂:ta.
Kloridimenetelmä on uudempi kuin sulfaattimenetelmä ja se saastuttaa vähemmän, mutta se vaatii raaka-aineekseen paljon titaanidioksidia sisältävän malmin (yli 70 %). Jotkut tehtaat ovat kuitenkin onnistuneet tuottamaan kloridiprosessin kautta titaanidioksidia myös muuttuneesta ilmeniitistä, jonka titaanidioksidipitoisuus on noin 60 %. Joka tapauksessa tätä tuotantotapaa käyttävien tehtaiden pääraaka-aine ei ole ilmeniitti.
Ilmeniittiä ja muita matalan TiO₂-pitoisuuden raaka-aineita voidaan muokata niin, että niitä voidaan käyttää hyväksi kloridiprosessissa. Tämä voidaan tehdä siksikin, että puhtaampi raaka-aine vähentää sulfaattiprosessissa syntyvien jätteiden määrää.