Trabalho da aluna: Anais - 2 B - Etec Sapopemba - 1 sem 2011
O titânio foi descoberto em 1791, por William Gregor, ao realizar experiências de tratamento da ilmenita com ácido sulfúrico e ácido clorídrico concentrado. O nome titânio tem origem na palavra grega titanes, que na mitologia grega, é um dos filhos de Urano (Céu) e Gaia (Terra).
Propriedades químicas:
O Titânio é um elemento metálico muito conhecido por sua excelente resistência à corrosão (quase tão resistente quanto a platina) e por sua grande resistência mecânica. Possui baixa condutividade térmica e elétrica. É um metal leve, forte e de fácil fabricação com baixa densidade (40% da densidade do aço). Quando puro é bem dúctil e fácil de trabalhar. Ele é tão forte quanto o aço, mas 45% mais leve. É 60% mais pesado que o alumínio, porém duas vezes mais forte. Tais características fazem com que o titânio seja muito resistente contra os tipos usuais de fadiga. Esse metal forma uma camada passiva de óxido quando exposto ao ar, mas quando está em um ambiente livre de oxigênio ele é dúctil. Ele queima quando aquecido e é capaz de queimar imerso em nitrogênio gasoso. É resistente à dissolução nos ácidos sulfúrico e clorídrico, assim como à maioria dos ácidos orgânicos. O Ti é o único elemento que queima em nitrogênio.
Quanto à fabricação do titânio metálico, existem atualmente seis tipos de processos disponíveis: "Kroll", "Hunter", redução eletrolítica, redução gasosa, redução com plasma e redução metalotérmica. Dentre estes, destaca-se o processo Kroll, que é o responsável, até hoje, pela maioria do titânio metálico produzido no mundo ocidental.
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| Símbolo | Ti |
| Número atômico | 22 |
| Massa atômica | 47,90 u |
| Cor | Branco metálico |
| Temperatura ambiente | Sólido |
| Série química | Metal de transição |
| Densidade | 4507 kg/m3 |
| Ponto de fusão | 1941 K |
| Ponto de ebulição | 3560 K |
Minério:
O titânio é encontrado em meteoritos e em rochas lunares. Na crosta terrestre, é o nono elemento mais abundante, ocorrendo na natureza na forma de combinações químicas, geralmente, com oxigênio e ferro. Os principais minerais economicamente importantes são: ilmenita, rutilo, anatásio e leucoxênio.
Nos depósitos do primeiro tipo, o rutilo raramente é encontrado em concentrações economicamente aproveitáveis. Nesses depósitos, os minerais de titânio ocorrem associados a minerais de ferro.
Em ambos os tipos de depósitos, a ilmenita é sempre mais comum do que o rutilo, sendo as reservas conhecidas de ilmenita em todo o mundo muito maiores que as de rutilo. De acordo com o Anuário Mineral Brasileiro (DNPM, 2006), o Brasil possui reservas medidas de 230,5 milhões de toneladas de ilmenita e 11,4 milhões toneladas de rutilo, além de possuir a maior reserva mundial de anatásio, com 419,2 milhões de toneladas
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A ilmenita é um óxido de ferro e titânio (FeTiO3). A denominação ilmenita tem origem no nome da montanha russa Ilmenski, onde a espécie foi encontrada pela primeira vez. O mineral, quando fresco e inalterado, tem cor preta, com lustre metálico a submetálico.
· Rutilo
O rutilo é um dióxido de titânio (TiO2) essencialmente cristalino. O elevado teor em Ti faz com que o rutilo seja o mais valorizado entre os minerais de titânio. O nome rutilo vem do latim rutilus, que significa avermelhado.
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O anatásio (TiO2) também cristaliza no sistema tetragonal, possuindo cor e brilho variáveis. Os grãos de anatásio, provenientes de areias de praias, possuem pequena translucidez e cores variando do amarelado ao cinza, com índice de refração acima de 2,5. O anatásio, quando transparente, é usado como gema. O nome anatásio vem do grego anatasis, que significa prolongamento. Os maiores depósitos de anatásio são encontrados nos carbonatitos de Tapira, município de Araxá, MG.
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Ocorre segundo partículas finas originadas da alteração da ilmenita. O leucoxênio pode ser amorfo ou possuir variados graus de cristalinidade. O teor em TiO2 depende do grau de alteração da ilmenita.
Distribuição das reservas nacionais de minerais de titânio por estado.
| Estado | Reserva Medida (103 t) | ||
| Ilmenita | Rutilo | Anatásio | |
| Bahia | 2645 | 161 | - |
| Espírito Santo | 1015 | 1 | - |
| Goiás | 17 | - | 15683 |
| Minas Gerais | 1639 | - | 2503825 |
| Paraíba | 2261 | 1137 | - |
| Pernambuco | 454 | - | - |
| Rio de Janeiro | 40 | 3 | - |
| Rio Grande do Sul | 6 | - | - |
| São Paulo | 32468 | - | - |
| Total | 40545 | 1302 | 266065 |
Lavra
Os depósitos primários de minerais de titânio quase sempre são lavrados pelo método a céu aberto. O minério é desmontado por explosivo e transportado por caminhões até os equipamentos de comunicação.
Processamento
O processo de concentração dos minérios de titânio depende do tipo de depósito. A origem geológica do minério, naturalmente, tem influência na granulometria de liberação e na composição mineralógica da ganga.
Nos depósitos primários, o processo é iniciado com as etapas de britagem e moagem para promover a liberação da ilmenita. Nesse tipo de depósito, geralmente, a ganga é constituída, principalmente, por magnetita, hematita, quartzo, albita etc. A ilmenita tem densidade de 4,5 e, em termos de susceptibilidade magnética, é classificada como mineral magnético a fortemente magnético (faixa de campo de 5.000 a 10.000 Gauss), e comportando-se como mineral condutor A hematita (Fe2O3) tem densidade em torno de 5,5 e é um mineral fracamente magnético (faixa de campo de 13.000 a 18.000 Gauss) e condutor. O quartzo e a albita possuem densidade em torno de 2,7 e são minerais não-magnéticos e não-condutores.
Beneficiamento industrial:
O titânio metálico é usado em indústrias metalúrgicas, químicas, elétricas, cerâmicas etc, desde a fabricação de turbinas para aviões supersônicos até próteses dentárias, sendo especialmente indicado para usos em materiais que necessitam de boa resistência em situações adversas, como tubulações em água do mar (Kane, 1987) e em diversos artefatos da indústria aeroespacial.
Devido ao fato de a sua produção implicar na utilização de sofisticados processos químicos, o titânio tem preço mais elevado do que outros materiais estruturais, como o alumínio e o aço.
O pigmento é estável, possui elevada resistência à mudança de cor, alta estabilidade térmica, excelente poder de cobertura e não é tóxico. Essas propriedades resultam em um valioso pigmento, com grande capacidade de dispersão, reflexão e refração da luz visível.
O dióxido de titânio é amplamente utilizado nas indústrias de tintas, plástico, papel, borracha, tintas para impressão, cosméticos, produtos farmacêuticos etc.
Quando usado como pigmento, é chamado de titânio branco, pigmento branco PW-6 ou CI 77891.
Na metalurgia, o alumínio e outros metais podem substituir o titânio em algumas aplicações estruturais, o que pode resultar em produto de qualidade inferior. Aços à base de níquel podem competir com o titânio em algumas situações. Em aplicações em que a resistência à corrosão se revela fator decisivo, o aço inoxidável e o aço 90, cobre-10, níquel e alguns materiais não metálicos aparecem como concorrentes para o titânio, porém todas estas alternativas têm preço mais elevado. O carbeto de tungstênio é concorrente do carbeto de titânio para fabricação de ferramentas de corte.
Tintas
O Brasil é único produtor de pigmentos de dióxido de titânio da América Sul. No País, são produtores de dióxido de titânio a Millennium Inorganic Chemicals do Brasil S.A., que responde por 62% da produção com sua fábrica em Camaçari (BA), e a DUPONT, com 38%, com sua fábrica em Uberaba (MG).
O dióxido de titânio (TiO2) é o principal pigmento branco utilizado na indústria de tintas, tanto à base de água como à base de solventes. Possui as seguintes características:
· Proporciona uma brancura excepcional ao dispersar a luz;
· Proporciona brancura e poder de cobertura em tintas foscas e brilhantes, tanto úmidas como secas ou reumedecidas;
· O uso de um extensor (ou carga) correto garante o espaçamento adequado das partículas de TiO2 para evitar o acúmulo e a perda do poder de cobertura, especialmente em tintas foscas ou acetinadas;
· Em tintas para exterior tem maior tendência à calcinação do que a maioria dos pigmentos coloridos.
Plásticos
Um importante mercado consumidor é o da indústria dos plásticos, onde o dióxido de titânio é misturado a resinas de polietileno, polipropileno, poliestireno, termoplástico e PVC. A utilização do pigmento de titânio na indústria de plástico decorre das seguintes características:
· Resistência à degradação por luz ultravioleta;
· Elevados índices de alvura e refração;
· Inércia química.
A quantidade de dióxido de titânio adicionada aos plásticos varia entre 3% e 25%, em peso, com relação ao produto final.
Papel
Na indústria de papel, o pigmento é utilizado pelo fato de possuir o maior índice de refração entre os insumos minerais usados como cargas. Esta característica resulta em elevados índices de opacidade e alvura. O dióxido de titânio pode ser usado com as funções de carga e de cobertura.
Apesar das vantagens técnicas, o uso do dióxido de titânio em papel é limitado pelo preço elevado, se comparado ao caulim, por exemplo. Esse fato, muitas vezes, obriga a adição de insumos mais baratos, porém de menor eficiência, para compor uma mistura com o dióxido de titânio. A quantidade de dióxido de titânio no papel é menos de 5% do peso do produto final.
Outras Aplicações
Outras aplicações para o dióxido de titânio incluem: borrachas, esmaltes para porcelanas, soldas, fibras de vidro, capacitores de cerâmica, abrasivos (ilmenita), produção de vidros (rutilo), catálise, têxtil, tinta de impressão, etc.
O tetracloreto de titânio (TiCl4), um líquido incolor, é usado: na fabricação de vidros iridescentes (vidros que mudam a coloração em função do ângulo de visão), por aviões, como skywriting, e na formação de cortinas de fumaça, muito usadas durante a Primeira Guerra Mundial. A cortina de fumaça aparece quando o tetracloreto de titânio é pulverizado no ar (na forma de spray) e imediatamente hidrolisado para formar ácido clorídrico (HCl) e finas partículas de dióxido de titânio, na forma de uma fumaça bastante densa, segundo a reação descrita pela Equação 4.
É bastante utilizado na indústria aeroespacial (o titânio só começou a ser explorado em larga escala depois do crescimento desse setor), onde formam ligas com outros metais para originar diversos tipos de estruturas. É recomendado por ser conjuntamente forte, resistente e leve, além da capacidade de suportar altas temperaturas. Devido a essas características também é explorado pelo setor automobilístico (fabricação de conexões) e marinho (turbinas e hélices).
A área da segurança também tira proveito de suas propriedades, onde o metal é matéria importante na fabricação de carros blindados, cofres e portões de segurança.
O titânio é utilizado para fazer próteses com a finalidade de substituir articulações. Outra aplicação essencial é feita em implantes dentários, onde pinos de titânio substituem as raízes dos dentes. O uso é indicado devido a sua alta biocompatibilidade, além de possuir alta resistência à corrosão, que pode ocorrer devido aos fluidos humanos.
| Aplicação | Distribuição (%) |
| Tintas | 60 |
| Papel | 12 |
| Plásticos | 15 |
| Fibras | 3 |
| Tintas de impressão | 3 |
| Outros | 8 |
Cerca de 90% da produção de concentrados de minério de titânio é utilizada na produção de pigmentos.
Tinta antibactericida
Cientistas anunciaram o desenvolvimento de um novo tipo de tinta contendo nanopartículas acionadas pela luz que são capazes de eliminar as superbactérias resistentes a antibióticos e que causam milhares de infecções hospitalares todos os anos.
Nanopartículas de dióxido de titânio
A nova tinta com nanotecnologia poderá ser utilizada em qualquer superfície, mas principalmente nas paredes e no teto dos hospitais. Os cientistas descobriram que determinadas formas de nanopartículas de dióxido de titânio podem matar bactérias e eliminar a sujeira das superfícies quando elas são submetidas à luz ultravioleta.
O dióxido de titânio já é utilizado industrialmente em tintas, como branqueador. Mas as tintas comuns possuem outros componentes que neutralizam seu efeito bactericida. A presença de carbonato de cálcio, por exemplo, diminui a capacidade de matar as bactérias em 80%.
Superfície autolimpante
O material, feito à base de nanopartículas de dióxido de titânio, tem adicionalmente uma propriedade hidrofílica, que força a água que entra em contato com a superfície a formar gotas e escorrer, levando junto as partículas de poeira e sujeira que se acumularam.
Os pesquisadores do Instituto de Tecnologia Industrial de Cingapura esperam comercializar a nova tinta principalmente para grandes edifícios, que possuem grandes custos anuais de limpeza.
Mesmo se a superfície exigir uma lavagem, o processo dispensará os tradicionais detergentes e ácidos utilizados em limpezas desse tipo. A aplicação do material pode ser feita diretamente sobre a camada de tinta que dá a cor ao edifício ou sobre pastilhas ou outros tipos de revestimento.
Embora o dióxido de titânio já esteja sendo utilizado em vidros e em revestimentos especiais para hospitais, sua mistura direta com a tinta até agora era problemática porque o TiO2 ataca a superfície da tinta devido à sua grande fotorreatividade.
Os pesquisadores de Cingapura desenvolveram uma técnica que cria uma camada inorgânica-orgânica que fica entre a tinta e o revestimento de dióxido de titânio. Esta camada intermediária serve tanto como um ligante para as partículas de TiO2 quando como um substrato que evita que as nanopartículas altamente reativas ataquem a superfície da tinta.
Diferença entre duas superfícies, uma que usa o
revestimento (esquerda) e outra que não utiliza (direita).
Nova técnica permitirá exploração de reservas de titânio
Engenheiros russos desenvolveram uma nova técnica que poderá viabilizar a exploração de enormes reservas de titânio, existentes não apenas naquele país, mas também ao redor do mundo.
A situação do titânio é paradoxal. De um lado, ele existe em abundância na crosta terrestre: em termos de ocorrência natural, ele é o terceiro mais abundante, perdendo apenas para o ferro e o alumínio. Mas, na indústria, ele é utilizado cem vezes menos do que o alumínio. E muito menos quando se leva em conta apenas sua utilização na forma metálica. O maior uso industrial do titânio é na forma de dióxido, principalmente na indústria de tintas.
Agora os engenheiros do Instituto de Metalurgia e Materiais de Baikov, descobriram uma forma de extrair o titânio do rutilo. Como o rutilo ocorre na Rússia principalmente em areias com óleo mineral, o passo básico é a obtenção do rutilo puro.
Para isolar o rutilo, separando-o principalmente do dióxido de silício (quartzo), o principal componente da areia, é utilizado um tratamento termal. Durante esse tratamento, o rutilo adquire propriedades magnéticas, podendo ser facilmente separado da areia.
Os pesquisadores não sabem ainda a razão desse comportamento magnético, embora suspeitem que tenha a ver com alguma composição-traço de ferro. Eles planejam iniciar esforços de pesquisa básica para descobrir exatamente por que e como ocorre o fenômeno.
Mas o que importa no seu trabalho atual é que o fenômeno magnético do rutilo ocorre de forma persistente, tendo sido demonstrado experimentalmente, permitindo a separação entre rutilo e areia de quartzo. O processo é realmente muito eficiente, permitindo a extração de 90% a 95% do rutilo contido na areia.
Manufatura de Titânio Metálico
A produção do titânio metálico pode ser obtida pelo processo Kroll (com magnésio) ou pelo processo Hunter (com sódio). O primeiro é descrito a seguir. No processo Kroll, a ilmenita reage com o cloro e o carbono para produzir o tetracloreto de titânio, segundo a reação descrita pela Equação 2.
O tricloreto de ferro é removido por destilação, e o tetracloreto de titânio é reduzido com magnésio, segundo a reação descrita pela Equação 3.
Impacto Ambiental:
Na lavra, praticamente, tudo que é rejeito é retornado à cava para reabilitação da área lavrada. Argila e matéria orgânica (basicamente, árvores e raízes) são encontradas nesses depósitos e fazem parte do capeamento. Nas operações de lavra, esses materiais devem ser removidos e depositados em áreas especiais, para posterior utilização na reabilitação do solo. Assim, o solo removido é devolvido ao ambiente, complementando a etapa de reabilitação da área minerada. Usualmente, os métodos de lavra desses depósitos possuem uma recuperação que varia entre 80 e 90%.
A produção atual de dióxido de titânio é da ordem de 108.000 toneladas. No momento, o processo mais utilizado é o sulfato, que tem a inconveniência de ser altamente poluente. Após imposição governamental, passou-se a associar a ilmenita com slag, que contém mais baixo teor de ferro, reduzindo sensivelmente os efluentes poluidores. A produção de pigmentos a partir do rutilo, através do processo por cloretação, causa poucos problemas de poluição. Atualmente, todos os resíduos do processo por sulfatação são aproveitados como sulfato ferroso, o que inibiu a importação do slag.
Conclusão:
Pode se concluir que o Titânio é um elemento de muito valor por suas inúmeras vantagens e características favoráveis. Algumas etapas da sua obtenção são altamente poluentes, mas esse fator deve ser bem analisado, pois o titânio é muito útil, principalmente com essas novas tecnologias.
Bibliografia
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