Herstellung von hochreinem Titan durch Carboiodierung von Titanrohstoffen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Arbeitspaket 1. In der vorliegenden Arbeit wurden die grundlegenden Reaktionen eines Carboiodierungsprozesses und die fraktionierte Sublimation von Iodiden untersucht. Eine eingehende Literaturrecherche schuf die wissenschaftliche Ausgangsbasis für das Vorhaben und gab wichtige Hinweise auf die Reaktionsbedingungen und die chemisch-physikalischen Eigenschaften der Edukte. Zunächst wurde mit Reduktionsversuchen nach den optimalen Reaktionspartnern aus titanhaltigem Edukt und Kohlenstoffform gesucht. Dabei sollte bei möglichst niedriger Maximaltemperatur Ti2O3 als Produkt entstehen. Es zeigte sich, dass ein Gemisch aus reaktiv-gemahlenem Ilmenit und Holzkohle, das in einer Schwingmühle homogenisiert wurde, das beste Verhalten zeigte. Während bei den meisten Versuchen die Reduktion zu Ti2O3 erst bei über 1100 °C gelang, war dies bei dem genannten Gemisch schon bei 950°C möglich. In späteren Versuchen wurde dann gleichzeitig zur Reduktion Iod mit in den Reaktionsraum gegeben. Es zeigte sich, dass bei Anwesenheit von Iod schon ab 900°C Reduktionsprodukte auftreten und Titantetraiodid gewonnen werden kann. Die besten Ergebnisse konnte mit einem nano-Anatas- Thermolysekohlenstoff-Gemisch erzielt werden. Versuche mit Ilmenit zeigten etwas schlechtere Ergebnisse. Zwar fanden sich nach der Reaktion Phasen von teilreduzierten Titanoxiden, jedoch so gut wie kein Titantetraiodid als Sublimat. Überraschend war, dass auch Titancarbid bei 950°C mit Iod reagiert und Titantetraiodid bildet. Die Versuche zur fraktionierten Sublimation zeigten, dass sich ein Gemisch aus Iodiden, wie sie bei der Carboiodierung von unreinem Ilmenit auftreten können, zumindest grob trennen lässt. Die auftretenden Iodide können nach ihren Sublimationstemperaturen in zwei Gruppen eingeteilt werden. Einerseits lassen sich TiI4, SiI4 und AlI3 gruppieren, da ihre Sublimationstemperaturen zwischen 100 und 200°C liegen. Anderseits haben die Iodide FeI2, CaI2, MgI2 und MnI2 Sublimationstemperaturen zwischen 500 und 700°C. Bei den durchgeführten Versuchen zeigte sich, dass sich die niedrig-sublimierenden Iodide gut von den hoch-sublimierenden Iodiden abtrennen lassen, da letztere bei der gewählten Temperatur von 200°C keinen Dampfdruck aufweisen. Weiterhin zeigen auch die niedrig-sublimierenden Iodide untereinander eine grundsätzliche Trennbarkeit. Zwar konnten bei den durchgeführten Versuchen nur selten reine Phasen nach der Sublimation gefunden werden. Jedoch waren die jeweiligen Sublimat-Phasen oft stark mit einem der gewählten Iodide angereichert. Die Optimierung der Reaktionsapparatur wird hier sicher zu einer höheren Trennwirkung führen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die Carboiodierung als neuer Herstellungsweg für Titantetraiodid im Labormaßstab geeignet ist. Es müssen weitere Untersuchungen und ein Up-Scaling erfolgen, um die Eignung als industrielles Verfahren belegen zu können. Die Sublimation als Trennverfahren für Iodidgemische hat sich als prinzipiell durchführbar gezeigt, jedoch verläuft der Prozess mit der gewählten Apparatur noch zu langsam. Auch die Fraktionierung ist noch optimierbar. Arbeitspaket 2. In diesem Arbeitspaket stand die experimentelle Aufklärung des Reaktionssystems „Titan(IV)-iodid – Wasserstoff“ im Vordergrund, da dies für den neuen Carboiodierungsprozess essentiell ist, bisher aber noch nicht untersucht wurde. Die anhand vieler Einzelversuche erzielten Ergebnisse wurden durch begleitende numerische Modellierungen ergänzt. Zunächst wurden Experimente im geschlossenen System in Form von Reaktionen in Quarzglasampullen durchgeführt. Wichtige Parameter, wie die Reaktionstemperatur und die Reaktionszeit, wurden eingehend untersucht. Durch die Experimente im geschlossenen System konnten Randbedingungen gefunden werden, unter denen die gewünschte Reaktion zu Titan erfolgt. Auf Basis der ermittelten Reaktionsparameter wurde eine Durchflussapparatur konzipiert. Sie erlaubt die Untersuchung des Reaktionssystems „Titan(IV)-iodid – Wasserstoff“ im offenen System und ist somit Grundlage für einen kontinuierlichen Prozess. Es konnte gezeigt werden, dass Titan(IV)-iodid bei 700°C durch Wasserstoff nicht nur zu Titan(III)-iodid teilreduziert wird, sondern auch direkt zu Titan führt, dessen Ausbeute knapp 50% betrug. Somit konnte mit diesem Arbeitspaket ein wertvoller Beitrag zum System „Titan(IV)-iodid – Wasserstoff“ geleistet und die Grundlage für einen kontinuierlichen industriellen Prozess gelegt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Untersuchungen zur Reaktion von Titan(IV)-iodid mit Wasserstoff, Dissertation, TU Clausthal, 2014
H. Rempel
- Untersuchungen zur Carboreduktion und Carboiodierung titanoxidhaltiger Edukte sowie zur Trennung von Iodidgemischen durch Sublimation, Dissertation, TU Clausthal, 2014
Ph. Schlender
