يعد ثاني أكسيد التيتانيوم أفضل صبغة بيضاء غير عضوية حتى الآن، ويُستخدم على نطاق واسع في الطلاءات والبلاستيك والحبر وصناعة الورق والمطاط والألياف الكيميائية ومستحضرات التجميل.
إن فعالية ثاني أكسيد التيتانيوم كصبغة ترجع في المقام الأول إلى خصائصه البصرية، والتي تتأثر بشكل أساسي بخصائص سطحه. يلعب جوهر جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم دورًا ضئيلًا في تحديد أداء الصبغة.
إن كربونات الكالسيوم العادية أقل تكلفة بشكل كبير، حيث لا تتجاوز تكلفتها بضع مئات إلى بضعة آلاف من اليوانات للطن، في حين أن ثاني أكسيد التيتانيوم قد يصل سعره إلى 17 ألف يوان للطن. إن احتمال استبدال ثاني أكسيد التيتانيوم أو استبداله جزئيًا بكربونات الكالسيوم يمثل فرصة كبيرة لتوفير التكاليف.
قام فريق بقيادة البروفيسور دينج هاو من جامعة الصين للعلوم الجيولوجية (بكين) بتطوير استراتيجية لتعزيز أداء ثاني أكسيد التيتانيوم من خلال إنشاء بنية مركبة منظمة تجمع بين المعادن و جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم. أسفر هذا البحث عن أربع عمليات مبتكرة تعمل على تعزيز خصائص الصبغة في TiO2 وتمكين إنتاجه الأخضر.
1. طريقة الطحن الميكانيكي في الطور السائل
تتضمن هذه العملية تنشيط الجسيمات الصلبة من خلال الطحن الميكانيكي في وسط سائل (الماء في المقام الأول)، مما يؤدي إلى تفاعل بين كربونات الكالسيوم وجزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم دون الميكرون. والنتيجة هي جزيئات مركبة مطلية.
تتضمن المزايا الرئيسية لهذه الطريقة ما يلي:
- لا تستخدم المواد الكيميائية السامة
- لا تنتج مياه الصرف الصحي أو الغاز العادم أو النفايات الصلبة
- استهلاك منخفض للطاقة، بتكلفة معالجة أقل من 1000 يوان للطن
2. طريقة الكربنة
في هذه الطريقة، تُضاف جزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم إلى مستحلب هيدروكسيد الكالسيوم [Ca(OH)2]، ثم يتبع ذلك تفاعل كربنة مع غاز ثاني أكسيد الكربون. تُنتج هذه العملية صبغة مركبة من ثاني أكسيد الكالسيوم وثاني أكسيد التيتانيوم.
من خلال استخدام كربونات الكالسيوم غير المكلفة وتقنية الترسيب في الطور الغازي التي يسهل التحكم فيها، تسمح هذه الطريقة بتقليل استهلاك ثاني أكسيد التيتانيوم مع الحفاظ على أداء الصبغة. يساعد هذا النهج أيضًا في خفض التكاليف المستخدمون النهائيون.
3. طريقة تجميع التكتل الكاره للماء
في هذه التقنية، يعمل TiO2 كوحدة تجميع أساسية، بينما يعمل CaCO₃ كجسيم ضيف. تعمل القوى الكارهة للماء على أسطح الجسيمات في نظام قائم على الماء على دفع تركيبة جسيمات TiO2 وCaCO₃. يؤدي هذا إلى إنشاء توزيع طلاء منظم جيدًا ومستقر لـ TiO2 على سطح جسيمات CaCO₃.
الطريقة صديقة للبيئة وموفرة للطاقة ولا تنتج أي نفايات. بالإضافة إلى ذلك، فإن الصبغة المركبة الناتجة تتميز بخصائص كارهة للماء، مما يجعلها متوافقة للغاية مع الأنظمة العضوية.
4. تقنية إزالة البوليمر الحراري والمركبات القوية
تتضمن هذه العملية الجافة إزالة البوليمر بالحرارة، والتعديل، والطلاء، والعزل المتداخل لإنشاء منتجات معالجة لاحقة من ثاني أكسيد التيتانيوم. يُظهِر الصبغ المركب الناتج من المعدن وثاني أكسيد التيتانيوم تشتتًا عاليًا ومستقرًا لجزيئات ثاني أكسيد التيتانيوم، مما يعزز خصائص الصبغ.
تتميز الصبغة المركبة CaCO₃-TiO₂ المنتجة من خلال هذه الطريقة بخصائص أصباغ رئيسية مماثلة لثاني أكسيد التيتانيوم التجاري، بما في ذلك اللون وامتصاص الزيت وقوة الإخفاء وثبات الضوء، ولكن بتكلفة أقل. وهذا يجعلها خيارًا جذابًا للصناعات التي اعتمدت تقليديًا على ثاني أكسيد التيتانيوم، مما يوفر لها بديلاً واعدًا بإمكانات سوقية واسعة.
