СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХХЛОРИСТОГО ТИТАНА
METHOD OF PRODUCING TITANIUM TRICHLORIDE

Изобретение относится к получению треххлористого титана, используемого в качестве компонента активного покрытия анодов, катализатора в органическом синтезе, а также в процессах очистки воды.
Известны способы получения треххлористого титана, включающие взаимодействие металлического титана с водным раствором соляной кислоты концентрацией при нагревании [Пат. РФ 2316475 02.02.2008; JP 080208227, опубл. 13.08.1996].
Недостатками известных способов являются технологические затруднения ведения процесса, сложность и дороговизна аппаратурного оформления, дорогостоящее сырье.
Известны способы получения хлоридов титана (II и III) (ст. Низшие хлориды титана, их свойства, получение и применение (обзор литературы и патентов). - В.Г. Гопиенко, Г.Н. Гопиенко. - Ж. Цветная металлургия. - 1964. -№4, стр. 26-29; ст. Разработка технологии получения и очистки титансодержащих расплавов с применением механического перемешивания. - Р.А. Сандлер, А.И. Гулякин, Д.С. Абрамов, Е.Н. Пинаев, Э.И. Яскеляйнен, Л.М. Бердникова, Г.С. Лукашенко, Б.А. Карпов. - Труды ВАМИ - Производство магния и титана, №83, Ленинград, 1972, стр. 94-98; ст. Разработка технологических основ процесса получения низших хлоридов титана. - С.В. Александровский, Л.М. Бердникова, А.И. Гулякин, Е.Н. Пинаев, Д.С. Абрамов. - Ж. Цветная металлургия, №12, 1977, - стр. 29-31; Пат РФ №: 2370445 от 20.10.2009), включающий подачу в герметичный реактор расплава хлоридов металлов, металлического титана (отход) и подачу тетрахлорида титана в реактор. Процесс ведут в инертной атмосфере хлориды титана извлекают из реактора отстаиванием или фильтрованием.
Недостатком данных способов является высокая стоимость сырья, сложность аппаратурной схемы, высокие энергетические затраты (расплав солей) и значительные количества трудноутилизируемого остатка (сброс в отвал).
Известны способы получения катализатора на основе треххлористого титана (Патент СССР 504496, кл. C08F 10/14, 1972; Патент США 4235745, кл. C08F 4/64, 1980; Патент США 4199474, кл. C08F 4/64, 1980; Патент РФ 2053841, кл. B01J 37/00, 1993), включающие восстановление тетрахлорида титана органическими соединениями.
Недостатками данных способов являются: большая длительность процесса синтеза; низкая стабильность катализатора при его хранении (температура хранения), высокая стоимость исходных реагентов.
Наиболее близким по технической сущности (прототип) и достигаемому результату является способ получения треххлористого титана, включающий обработку концентрированного тетрахлорида титана металлом (алюминий, магний, титан) при температуре от 200 до 900°С (Лучинский Г.П. Химия титана. - М.: Издательство "Химия", 1971. - 471 с.):
Недостатками данного способа являются сложное аппаратурное оформление процесса и высокие энергозатраты на нагрев реакционной смеси. Помимо этого концентрированный тетрахлорид титана не реагирует с металлическим железом даже при температуре каления.
Существенным недостатком прототипа является работа с концентрированным безводным тетрахлоридом титана, который при контакте с воздухом гидролизируются с образованием паров соляной кислоты (белый дым). Образование летучих ядовитых паров, обладающих высокой коррозионной активностью требует применения герметичных реакторов, а также дополнительных мер безопасности персонала.
Задачей данного изобретения является разработка технологии получения треххлористого титана со сниженными энергозатратами, упрощенной аппаратурной схемой и повышенной экологической и производственной безопасностью, который может быть использован в процессах очистки сточных вод.
Поставленная задача решается способом получения треххлористого титана, включающий восстановление тетрахлорида титана металлом при нагревании, при этом в качестве исходного раствора берут 15-55 мас.% водные растворы тетрахлорида титана, количество металла варьируют от 10 до 100% от стехиометрического, а процесс восстановления ведут при температуре от 30 до 110°С, а в качестве металла используют алюминий или железо, или смесь металлических отходов процесса термической утилизации твердых коммунальных отходов.
К основным достоинствам предлагаемого способа следует отнести пониженные температуры проведения процесса восстановления, снижение энергозатрат на нагрев реакционной смеси, а также значительное упрощение аппаратурной схемы процесса, за счет отказа от герметичных сосудов, работающих под высоким давлением и при высокой температуре. Помимо этого становится возможным использование металлических отходов процессов сжигания твердых бытовых отходов. Водные растворы тетрахлорида титана подвержены гидролизу в меньшей степени, а количество выделяемых паров соляной кислоты снижается в 100 и более раз.
Сущность предлагаемого способа и достигаемые результаты более наглядно могут быть проиллюстрированы следующими примерами
Содержание треххлористого титана определяют по данным титрования полученного раствора сульфатом аммония-железа в присутствии индикатора роданида или метиленовой сини (Лучинский Г.П. Химия титана. - М.: Издательство "Химия", 1971. - 471 с; стр. 397).
ПРИМЕР №1
В водный раствор тетрахлорида титана (15 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,355 грамм алюминия в виде гранул (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 90°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 100 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 12,1%.
ПРИМЕР №2
В водный раствор тетрахлорида титана (55 мас.%) массой 50 грамм, вводят 1,3 грамма алюминия в виде стружки (100% от стехиометрии). Процесс восстановления ведут при постоянном перешивании в течение 120 минут при температуре 30°С. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 44,7%.
ПРИМЕР №3
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,71 грамма алюминия в виде порошка (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 80°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 60 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 24,4%.
ПРИМЕР №4
В водный раствор тетрахлорида титана (25 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,59 грамм алюминия в виде электротехнического лома (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 100°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 30 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 20,3%.
ПРИМЕР №5
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 2,21 грамма железа в виде лома (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 110°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 45 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 40,6%.
В сточные воды гальванического производства объемом 1 литр и содержанием соединений хрома (VI) - 3,2 мг/л вводят 0,25 мл полученного раствора. Эффективность удаления соединений хрома (VI) составляет 99,9%.
ПРИМЕР №5 (а)
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,95 грамма магния в виде стружки или лома (100% от стехиометрии). Процесс восстановления ведут при постоянном перешивании в течение 120 минут при температуре 70°С. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 40,6%.
В сточные воды гальванического производства объемом 2 литра и содержанием соединений хрома (VI) - 2,3 мг/л вводят 0,55 мл полученного раствора. Эффективность удаления соединений хрома (VI) составляет 99,4%.
ПРИМЕР №6
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,071 грамма алюминия в виде порошка (10% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 110°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 5 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 2,44%.
ПРИМЕР №7
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,355 грамма алюминия в виде порошка (50% от стехиометрии).
Реакционную смесь нагревают до 100°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 15 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 12,2%.
В сточные воды гальванического производства объемом 1 литр и содержанием соединений хрома (VI) - 19,2 мг/л вводят 2,0 мл полученного раствора. Эффективность удаления соединений хрома (VI) составляет 99,9%.
ПРИМЕР №8
В водный раствор тетрахлорида титана (30 мас.%) массой 50 грамм, вводят 0,75 смеси металлов (отход) термической утилизации твердых коммунальных отходов (100% от стехиометрии). Реакционную смесь нагревают до 80°С, при постоянном перемешивании и процесс восстановления ведут в течение 60 минут. Содержание треххлористого титана в полученном растворе 24,2%.
В сточные воды гальванического производства объемом 1 литр и содержанием соединений хрома (VI) - 12,7 мг/л вводят 1,0 мл полученного раствора. Эффективность удаления соединений хрома (VI) составляет 99,8%.
Как видно из примеров технический результат от вышеперечисленного снижение температуры проведения процесса, упрощение аппаратурной схемы и возможность использования дешевого металлического сырья и повышение экологической и производственной безопасности за счет использования разбавленных растворов. При использовании предлагаемого изобретения возможно получение широкой линейки реагентов для процессов органического синтеза и процессов очистки сточных вод различного происхождения (в т.ч. гальваники).
Помимо этого была установлена возможность использования железа для восстановления тетрахлорида титана, что также отличает предполагаемый способ от прототипа.