بحث التخرج"كيمياء"

التيتانيوم



Ti

يعود اكتشاف وتسمية معدن التيتانيوم الى حوالي 200 سنة مضت , تم اكتشافه عام 1791 م من قبل العالم وليام جروجر , وتمت تسميته عام 1795 م ويعود أصل التسمية الى الإغريقية Titanos ( تيتان ) وتعني أحد عمالقة الأساطير الإغريقية .
يعد التيتانيوم نسبياً واسع الإنتشار, حيث تقدر نسبتة تركيزه في القشرة الأرضية بحوالي 0.6 % وياتي ترتيبه التاسع بين العناصر المتواجدة في القشرة الأرضية وذلك بعد كلاً من (O2,Si,Al,Fe,Mg,Ca,Na,K )

لايوجد الفلز بصورة نقية لإحتوائه على آثار من العناصر الأخرى نتيجة ميله الشديد للإنجذاب نحو بعض الغازات الموجودة في محيطه .
يوجد التيتانيوم بصورة اولية في الصخور النارية , حيث يشكل المكونات الأساسية للصهارة (Magma ) الحامضية , ويوجد على عدة حالات .

الحلة الأولى منها التيتانيت والتي من اهمها :

الألمنايت FeTiO3





البيروفيسكايت CaTiO3





الحالة الثانية

يوجدعلى هيئة اكاسيد التيتانيوم

ايضاً قد يوجد في حالة وسطية مثل السيليكات , ويشكل التيتانيوم فيها المكون الرئيسي كما في حالة معادن الزركون وسيليكات الألمنيوم .

الأ ناتيز TiO2





الإلمنيت FeTiO2

البيرو فسكايت CaTiO2

الروتايل TiO2

استخلاص التيتانيوم

ينتج التيتانيوم بشكل خاص عن طريق اختزال رابع كلوريد التيتانيوم (TiCl4 ) والذي يصنع من الروتايل الطبيعي , او من مايسمى بالروتايل المصنع المحضر من الإلمنيت , والمخلفات الغنية بثاني اكسيد التيتانيوم الناتجة من تعدين الإلمنيت .

توجد عدة طرق لإستخلاص فلز التيتانيوم من رابع كلوريد التيتانيوم منها :

كلورة ثاني اكسيد التيتانيوم

تعرف هذه الطريقة باسم طريقة الفرشة المسالة (Fluidized –bed process ) ويستخدم فيها الروتايل بنسبة تركيز 96% مخلوطاً مع 20- 25 % من فحم الكوك المستخرج من النفط , ومادة مساعدة على التماسك مثل الأسفلت او قطران الخشب , واحياناً تضاف محفزات مثل (MgO2 ) , وقوالب من الفحم الحجري , ترص قوالب الفحم الحجري في اسفل برج الكلورة على طبقة من الكربون حيث تعمل كقطب كهربي , وتتفاعل مع الكلور عند درجة حرارة تتراوح ما بين( 500 الى850 درجة مئوية ) , يسخن الكلور الى 1000 درجة مئوية بواسطة فرشة الكربون المقاوم للحرارة , وعندئذ يتفاعل حرارياً مع الروتايل والكربون في قوالب الفحم الحجري .
تتم هذه الطريقة على مرحلتين , ففي المرحلة الاولى يختزل الروتايل بواسطة الكربون عند درجة حرارة تتراوح مابين (1200- 1400 درجة مئوية ) الى كربيد واكسيد التيتانيوم . وفي المرحلة الثانية يتفاعل مع الكلور بسهولة اكثر من تفاعله مع الروتايل .
بعد ذلك يتم فصل وتنقية رابع كلوريد التيتانيوم .

انتاج التيتانيوم الإسفنجي

هناك عدة طرق طرق لإنتاج التيتانيوم الإسفنجي منها

إختزال ثاني اكسيد التيتانيوم

إختزال هاليدات التيتانيوم

يمكن انتاج التيتانيوم الإسفنجي بإختزال هاليدات التيتانيوم ومن اهمها الكلوريدات والفلوريدات .

اختزال الكلوريدات

وينجم عن اختزالها بالهيدروجين – على قوس كهربائي - تكون كلوريدات ثانوية تجعل هذا التفاعل غير مجد صناعياً , كذلك يؤدي اختزال رابع كلوريد التيتانيوم بالكالسيوم الى نشر طاقة حرارية عالية , وعليه فإن هاتين الطريقتين غير محبذتين وبدلاً عنهما يمكن اجراء عمليات الاختزال بإحدى الطرق التالية :

الإختزال بالصوديوم

استخدم هنتر ( Hunter ) هذه الطريقة عام 1910 م لإنتاج كميات اكبر من التيتانيوم النقي من تفاعل رابع كلوريد التيتانيوم مع الصوديوم داخل قنبلة فولاذية مفرغة

TiCl4 + 4Na ------> Ti + 4NaCl

اما دوجوسا ( Degussa ) فقد استخدم خليط من البوتاستوم والصوديوم النقي عند درجة حرارة تتراوح مابين 700 – 800 درجة مئوية لاختزال رابع كلوريد التيتانيوم .

الإختزال بالمغنيسيوم

اكتشفت هذه الطريقة بواسطة العالم كرول (Kroll ) وطورت من قبل مكتب المناجم في مدينة بولدر بولاية نيفادا لتصبح ذات جدوى اقتصادية , وما يميز هذه الطريقة لانتاج التيتانيوم الاسفنجي انتاج حرارة عالية ومغنيسيوم عالي النقاوة .

Ti + 2MgCl2 ------> TiCl4 + 2Mg

إختزال رابع فلوريد التيتانيوم بالسيليكون

يميزها عن طريقة اختزال رابع كلوريد التيتانيوم إنتاج إسفنجة تيتانيوم عالية النقاوة , وفيها يتم اولاً انتاج رابع فلوريد التيتانيوم من تفاعل ثاني اكسيد التيتانيوم مع الهيدروجين ثم تنقيته بواسطة التسامي , ويلي ذلك اختزال الكلوريد المنتج بالسيليكون للحصول على التيتانيوم الاسفنجي عالي النقاوة .

التكسير الحراري لهاليدات التيتانيوم

تعد طريقة فان آركل (Van Arkel) ودي بوير (De Boer ) اقدم طريقة لهذا النوع , والتي يتم فيها تكسير رباعي يوديد التيتانيوم عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية على اسلاك من التنجستين مسخنة كهربائياً .

يمكن تحضير التيتانيوم عالي النقاوة بواسطة التكسير الحراري لثاني كلوريد او ثاني بروميد التيتانيوم . بامرار رباعي كلوريد التيتانيوم على مواد تحتوي على التيتانيوم ( خردة التيتانيوم , خام التيتانيوم , سبائك التيتانيوم ) عند درجة حرارة تتراوح ما بين 950 الى 1500 درجة مئوية فيتفاعل التيتانيوم الموجود في تلك المواد مكوناً ثاني كلوريد التيتانيوم على هيئة بخار , ثم يتكثف ويتحلل عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية , فينتج التيتانيوم ورابع كلوريد التيتانيوم الذي يستخدم مرة اخرى , كما في المعادلة التالية.

Ti + TiCl4 -----> 2TiCl2

تحضيره من الخردة

انتشر في الأونة الاخيرةإستخدام خردة التيتانيوم كمواد خام للحصول على التيتانيوم بدلاً من التيتانيوم الإسفنجي , خصوصاً بعد ان اتسع إنتاجه وتوفرت كميات كبيرة من الخردة . حيث يتم معالجتها وإزالة الشوائب الملتصقة بها وتصنيفها حسب نوعها قبل صهرها .