Представлен обширный материал по изучению титанатов, являющихся сложными оксидными соединениями титана, в которых проявляется межвалентное взаимодействие разнозарядных ионов титана в совокупности с изоморфными замещениями титана катионами других элементов. Искусственные титанаты выделены в особую разновидность химических соединений, имеющих аналоги среди земных и лунных минералов. В работе обобщены результаты исследований титанатов методами оптической, рентгеновской и ОЖ-спектроскопии, приведены результаты термодинамического моделирования процессов восстановления простых и сложных титанатов, а также анализируются технологические процессы получения титанатов, образующихся при переработке титаномагнетитов, ильменитов и другого рудного сырья различных месторождений России.

Для научных сотрудников и инженеров, работающих в области получения редких металлов, титана и его пигментного диоксида, геохимиков, а также для студентов металлургических специальностей.

Искусственные титанаты как сложные оксидные соединения впервые были обнаружены в металлургических титансодержащих шлаках, образующихся при восстановительной плавке ильменитовых и титаномагнетитовых концентратов. В процессе такой плавки железо восстанавливается и образует металлический полупродукт, а четырёхвалентный титан восстанавливается до трёх- и двухвалентного состояния и практически полностью концентрируется в неметаллической фазе — титановом шлаке.

Продукты производства, содержащие искусственные титанаты, относятся к титансодержащим веществам, которые находят применение в производстве металлического титана и его пигментного диоксида. Ряд титансодержащих веществ пока не находит применения, однако дальнейший научно-технический прогресс не возможен без широкого их использования. Поэтому производство искусственных титанатов, несомненно, получит широкое развитие в нашей стране. Этому будет способствовать тот задел, который подготовила отечественная наука, начиная со времен Д. К. Кириллова («Исследования над титаном», 1875 г.) и заканчивая нашими днями (работы акад. И. П. Бардина, акад. Э. В. Брицке, доктора технических наук К. Х. Тагирова и их продолжателей, работающих в ИМЕТ им. А. А. Байкова РАН и в других институтах).

При рассмотрении твёрдых титанатов ограничимся пока их оксидными формами, которые представлены простыми и комплексными соединениями. По типу химической связи их можно подразделить на вещества с проявлением ионной, ковалентной и металлической связи. В действительности между такими соединениями может и не быть чётких границ, а может существовать либо плавный переход, либо более сложный вариант — сосуществование указанных типов связей в одном соединении. Таким образом, титанатный шлак, оксидные продукты (например, искусственные титанаты) и другие соединения следует относить к титанатам. В связи с этим для определения их места во всём многообразии химических соединений очевидна необходимость систематики и классификации титанатов, а также анализа специфики природы их образования и отличий от иных типов соединений.

Исследования показали, что в зависимости от размеров ионных радиусов катионов образующиеся титанаты могут быть отнесены к двойным оксидам или к комплексным соединениям. Причём чем ближе их размеры в анионных образованиях, тем вероятность образования двойных оксидов увеличивается. Так, по мере восстановления титана размеры его катионов увеличиваются, и их соотношение способствует образованию титанатов составов TiO₂•Ti₂O₃ и TiO•2TiO₂. При наличии TiO₂ с брукитовой структурой, указанные оксиды взаимно растворяются и образуют аносовитовую фазу, в которой химическая связь характеризуется одновременным сосуществованием ионного, ковалентного и металлического типов связи (TiO и VO — металлы). С изменением состава аносовита меняется и природа химической связи, меняются химические и технологические свойства титанатов, а следовательно, меняется характер технологического процесса их переработки.

Опыт восстановительной плавки титанатов позволяет сделать вывод о том, что переход Ti⁴⁺→ Ti³⁺→ Ti²⁺ сопровождается не только изменением структуры и свойств, но и спектров РФЭ, что даёт возможность контролировать развитие процесса металлизации в расплаве.

Важное место в изучении процессов с участием титанатов занимают термодинамическое моделирование и кинетические исследования с использованием методологии переходного состояния, которые необходимы для оценки механизмов происходящих процессов и базируются на опытных данных с учётом значений абсолютной энтропии переходного комплекса. Это приводит к возможности интенсификации процесса при помощи создания условий для преобладающего протекания реакции в кинетической области. Такое же большое значение в методологии исследований имеет прямое изучение образующихся фаз с использованием оптических и рентгенографических методов.

К искусственному сырью наряду со шлаками могут быть отнесены титансодержащие агломераты, металлизованные, офлюсованные и восстановленные окатыши, полученные из ильменитовых, титаномагнетитовых и перовскитовых концентратов. В настоящее время известно несколько десятков титансодержащих веществ, полученных в опытном и промышленном масштабах. В их составе обнаружены новые кристаллические фазы — титановые и титансодержащие вещества. В связи с этим возникает необходимость систематизации и классификации знаний о титансодержащих продуктах и о титановых фазах (искусственных титанатах), которые по аналогии с титанониоботанталатами могут быть отнесены к самостоятельному классу минералов.

Выделение разновалентных титанатов в самостоятельный класс требует не только кристаллохимического и минералогического обоснования, но и определения их химической индивидуальности или особенностей природы химической связи. Этим, по нашему мнению, заканчивается минералогическая часть исследования, обязательная, но недостаточная при изучении процессов, протекающих в условиях сосуществования разновалентных ионов титана, железа, ниобия и ванадия. Для полных исследований минералогическая систематизация должна быть дополнена классификацией минеральных структур срастаний. Это облегчает раскрытие химизма фазообразования, являющегося основой понимания важнейших физико-химических процессов в металлургии титанатов.

Систематика новых титансодержащих веществ в некоторой степени подводит итог нашим знаниям о получении нового искусственного сырья с заданными свойствами. Наряду с систематизацией наших знаний об искусственных титанатах данная работа может послужить основой для развития дальнейших исследований по изучению нового класса веществ, не известных в земной природе, но созданных человеком и существующих только в восстановительных условиях. Часть из этих веществ уже широко используется в производстве металлов и их оксидных соединений.

В книге приведена систематика оксидных веществ, содержащих разновалентные ионы титана, классификация титанатов, включая лунные аналоги, обобщены методы исследования титанатов (оптические, рентгеновские, РФК- и ОЖ-спектроскопия). В монографии показаны технологические особенности получения титанатов при переработке ильменитового, титаномагнетитового и других видов сырья, а также описано применение титанатов в производстве пигментного диоксида титана, включая наноразмерные частицы TiO₂ и др.

Существенный вклад в обобщения по титанатам внесла одна из первых работ по титанатам — книга «Искусственные титанаты» и её автор Галина Александровна Меняйлова.

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Химия подгруппы титана: сульфаты, фториды, фторосульфаты из водных сред, Годнева М. М., Мотов Д. Л., 2006
2. Процессы и аппараты химико-металлургической технологии редких металлов, Джемрек У. Д., 1965
3. Термодинамика испарения двойных оксидов, Казенас Е. К., 2004