Trendy rozwoju technologii produkcji bieli tytanowej 1. Przegląd doniesień literaturowych (desk research)

Budowa nowej instalacji bieli tytanowej związana jest ze znacznymi kosztami, stąd wprowadzanie nowych technik nie jest procesem szybkim. Wysoka kapitałochłonność i ryzyko związane z utrzymaniem wysokiej jakości produktu powoduje, że wprowadzanie wyników badań uzyskanych w skali pilotowej do produkcji może być istotnie długotrwałe. Również duża konkurencyjność na rynku powoduje bardzo nikłą wymianę know-how między producentami. Przeprowadzone badania Life Cycle Assessment dla przemysłu bieli tytanowej wykazały, że korzystne w przyszłości dla środowiska i uzasadnione kosztowo działania, dotyczyć będą zużycia energii i wody, prawidłowej, stabilnej pracy instalacji i rozwoju produktów ubocznych. Na rozwój technologii będą miały wpływ działania Komisji Europejskiej w zakresie ochrony zdrowia człowieka jak i środowiska [53]. Trwająca dyskusja nad zmianą BAT dla instalacji produkujących biel tytanową w zakresie emisji zanieczyszczeń do środowiska wymusi na producentach wprowadzenie kosztownych rozwiązań aparaturowych.

Utrzymanie się na rynku dostawców poprzez ciągłe podnoszenie jakości produktów oraz zdobywanie nowych rynków zbytu poprzez poszerzenie asortymentu produktów jest kierunkiem strategicznym dla producentów bieli tytanowej. Działania te wymagają niemałych nakładów inwestycyjnych, szczególnie w obecnej światowej sytuacji gospodarczej. Jeden z europejskich producentów TiO₂ raportuje swoje nakłady na ten cel w wysokości ok. 12-13 mln$/rok w latach 2008-2010, natomiast na rok 2011 przewidział w swoim budżecie 20 mln$ [54].

Rozwój technologii produkcji bieli tytanowej związany z nowymi kierunkami w dziedzinie pigmentów, zarówno w pracach badawczych jak i technologicznych, jest skoncentrowany w trzech obszarach:

• poprawa właściwości istniejących pigmentów,

• rozszerzenie asortymentu i zakresu stosowania preparacji pigmentowych,

• wprowadzenie nanocząstek.

Główną przyczyną dużego zainteresowania zastosowaniem nanocząstek jest możliwość poprawy właściwości powłok, a tym samym odporności na korozję oraz właściwości mechanicznych. Cząsteczki bieli tytanowej o średnicy około 200 nm mają największą wydajność rozpraszania światła, a małe cząstki poniżej 80 nm są doskonałymi absorberami promieniowaniem UV, konkurującymi z organicznymi absorberami i stabilizatorami w super odpornych powłokach. W przeciwieństwie do organicznych substancji nano-TiO₂ nie zużywa się i nie degraduje w czasie eksploatacji powłoki.

Wykazuje również właściwości fotokatalityczne. Fotokatalityczna aktywność nano-TiO₂ może być wykorzystana do otrzymywania powłok samoczyszczących i niebrudzących się oraz przeciwmgielnych [55]. Powierzchnia z nano-TiO₂ w obecności UV i wilgoci staje się polarna i umożliwia spontaniczne rozlewanie się wody, tworząc raczej cienką warstwę niż drobne kropelki powodujące zamglenie np. szyb samochodowych.

Nano-cząstki TiO₂ znalazły także zastosowanie w przemyśle kosmetycznym,

przemyśle ceramicznym, w produkcji porcelany. Wprowadzenie cząstek nano-TiO₂ do użytku powszechnego wymaga jednak badań nad ich wpływem na zdrowie człowieka jak i na środowisko. Pojawiają się bowiem doniesienia o ich kancerogennym działaniu [56]. Konieczne jest więc wprowadzenie ram prawnych, które mogą pomóc w rozwoju technologii, przy równoczesnym ograniczaniu ryzyka dla zdrowia człowieka i środowiska naturalnego związanego z wytwarzaniem i stosowaniem cząstek nano-TiO₂.

Przewiduje się, że w najbliższej dekadzie światowe zapotrzebowanie na dwutlenek tytanu będzie wzrastało w tempie 3% na rok, przy czym największy wkład w ten wzrost będą miały kraje azjatyckie, zarówno w zakresie podaży jak i popytu. Szacunki wskazują, że w tym przedziale czasowym swoją produkcję podwoją Chiny osiągając poziom 1Mt/rok [57].

Przyszłość produkcji bieli tytanowej związana jest z modernizacją istniejących metod, bądź też rozwojem nowych idei technologicznych:

• Termochemiczna metoda chlorkowa wykazuje niemały potencjał związany z obniżeniem kosztów produkcji.

• Wciąż badane są możliwości zastosowania na skalę przemysłową metod elektrochemicznych, których zalety wynikają z odpowiednio dobranych operacji jednostkowych tj. bezpośredniej redukcji do TiO₂ oraz prowadzenia elektrolizy in-situ.

• Obiecujące wydają się także prace nad metodami wykorzystującymi proces ługowania hydrometalurgicznego, w których możliwe jest obniżenie wskaźnika zużycia surowca (ilmenit), utrzymanie stosunkowo niskiego zużycia energii z gwarancją wysokiej jakości produktu zbywalnego w wielu gałęziach gospodarki.

Zastosowanie w metodzie chlorkowej bezpośredniego hydrometalurgicznego procesu ługowania ilmenitu z etapem oczyszczania poprzez ekstrakcję rozpuszczalnikową daje korzyści ekonomiczne jak i ekologiczne (m.in. poprzez możliwość rozdziału tytanu od żelaza i innych zanieczyszczeń pochodzących z surowców o niskiej jakości, pominięcie procesu chlorowania, unikanie tworzenia się strumieni odpadowych). Tego typu modernizacje technologiczne, nie tylko w metodzie chlorkowej, wskazywane są w doniesieniach literaturowych jako rozwojowe i zalecane w produkcji bieli tytanowej.

Aby sprostać licznym wymaganiom postawionym w dokumentach strategicznych jak i normatywach, produkcja bieli tytanowej powinna wpisywać się m.in.

w idee zrównoważonego rozwoju. Jedną z nich jest zagospodarowanie odpadów produkcyjnych. W przypadku generowanych w procesie wytwarzania TiO₂ strumieni odpadowych istnieje wiele możliwości ich zagospodarowania. Do najistotniejszych kierunków zaliczyć należy zastosowanie tworzącego się w metodzie siarczanowej – siarczanu żelaza (II) w oczyszczalniach ścieków oraz w stacjach uzdatniania wody jako koagulantu. Znane jest także wykorzystanie siarczanu żelaza (II) w przemyśle cementowym do redukcji chromu. Tworzący się kompleks hydroksylowy TiO(OH)₂

znajduje zastosowanie w procesie usuwania NO_x z gazów odlotowych w energetyce, a także w fotokatalitycznych procesach transformacji zanieczyszczeń organicznych [58].

Źródła danych statystycznych wskazują [59], że od kilku lat produkcja TiO₂ utrzymuje się na stałym poziomie w USA i wynosi ok. 1,23-1,44 mln t/rok. Produkcja europejska osiąga podobne wartości, np. w 2010 roku wynosiła 1,29 mln t. Analiza specyfiki produkcji na przestrzeni kilkunastu lat wskazuje na zwiększenie wytwarzania TiO₂ metodą chlorkową m.in. w USA i Europie Zachodniej, przy zniżkującej metodzie siarczanowej, przy czym w Europie udział produkcji TiO₂ metodą chlorkową stanowi ok. 25% całej produkcji [54, 60]. Biorąc pod uwagę tendencję rozwojową metody chlorkowej należy spodziewać się zmian tego udziału.

3.6.2. Analiza wyników badań ankietowych (ankieta Delphi)

Dane uzyskane w wyniku przeprowadzonej w ramach projektu ankiety typu Delphi pozwalają na wskazanie tendencji w rozwoju technologii produkcji bieli tytanowej. Za pozytywne aspekty trendów rozwoju biorący w ocenie eksperci uznali ustabilizowaną pozycję producentów na rynku krajowym dzięki wieloletniemu doświadczeniu technologicznemu, grupie odbiorców gwarantującej stały i przewidywalny rynek zbytu. Wykształcona i stabilna kadra wzmocniona krajowym potencjałem badawczo-rozwojowym daje szanse dla dalszego rozwoju technologii wytwarzania bieli tytanowej.

Zagrożeniem dla niej są zaostrzające się wymagania prawne dotyczące korzystania ze środowiska, konkurencja ze strony krajów rozwijających się (nowe instalacje produkcyjne o niższym reżimie środowiskowym). Wyzwaniem dla tej technologii wydaje się wdrażanie nowych, innowacyjnych rozwiązań podyktowane między innymi zaostrzaniem prawa środowiskowego w Unii Europejskiej.

Poniżej przytoczono niektóre z wypowiedzi ekspertów związane z przyszłością produkcji bieli tytanowej:

• Obecna technologia jest silnie odpadowa ze względu na rodzaj surowca, ewentualne zmniejszenie odpadów wyniknie z intensyfikacji produkcji po istotnej poprawie procesów wydzielania, sterowania i innych modernizacjach inżynieryjnych, w tym systemu sterowania.

• Odpady z produkcji bieli tytanowej są wykorzystywane w znaczącym procencie, dalsze badania w tym kierunku winny doprowadzić do całkowitego ich zagospodarowania, co definiują nowe zapisy prawne.

• W kraju wykorzystuje się odpadowy kwas siarkowy, a ponadto produkuje siarczan żelaza wykorzystywany jako flokulant w oczyszczalniach ścieków;

aktualny BAT wskazuje na możliwość wytwarzania pigmentów żelazowych i zastosowania rolnicze,

• Siarczan żelaza to surowiec, nie odpad.

• Zbilansowanie podaży i popytu odpadów z produkcji TiO₂ wymaga poprawy cech fizykochemicznych (skład chemiczny, właściwości granulometryczne).

• Należy obawiać się zagrożeń związanych z rozmiarami cząstek nowych pigmentów, obecnie preferuje się pigmenty o jak najmniejszych cząstkach, a to powoduje zagrożenie dla zdrowia zarówno pracowników jak i otoczenia;

wprowadzenie cząstek nano-TiO₂ do użytku powszechnego wymaga badań nad ich wpływem na zdrowie człowieka jak i na środowisko, gdyż pojawiają się doniesienia o ich kancerogennym działaniu.

• Konieczne jest więc wprowadzenie ram prawnych, które mogą pomóc w rozwoju technologii, przy równoczesnym ograniczaniu ryzyka dla zdrowia człowieka i środowiska naturalnego związanego z wytwarzaniem i stosowaniem cząstek nano-TiO₂.

3.7. Technologie produkcji kwasu siarkowego