Περιεχόμενο
- Τι είναι το Τιτάνιο;
- Χρήσεις του μετάλλου τιτανίου
- Τι είναι το διοξείδιο του τιτανίου;
- Χρήσεις διοξειδίου του τιτανίου
- Από πού προέρχεται το τιτάνιο;
- Παραγωγή τιτανίου στις Ηνωμένες Πολιτείες
CIA A-12 Αεροσκάφος Αναγνώρισης: Φωτογραφία ενός υπερηχητικού αεροσκάφους CIA A-12 με τίτλο "The Titanium Goose" που ετοιμάζεται να ανεφοδιάσει σε μεγάλο υψόμετρο. Το όνομα είναι κατάλληλο, καθώς πολλά από τα μέρη του είναι φτιαγμένα με τιτάνιο. Εικόνα από την Κεντρική Υπηρεσία Πληροφοριών.
Τι είναι το Τιτάνιο;
Το τιτάνιο είναι ένα ασημένιο μέταλλο που είναι ισχυρό, ανθεκτικό στη διάβρωση και αδρανές. Είναι το ένατο πιο άφθονο στοιχείο στο φλοιό της Γης. Αντί να εμφανίζονται σε μεγάλες αποθέσεις, μικρές ποσότητες τιτανίου εμφανίζονται σχεδόν σε κάθε βράχο.
Το τιτάνιο είναι ένα σημαντικό συστατικό σε ένα μικρό αριθμό ορυκτών. Περίπου το 90% του τιτανίου στην γήινη κρούστα εμφανίζεται στο ilmenite, ένα ορυκτό που οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν ακούσει ποτέ. Είναι ένα οξείδιο σιδήρου τιτανίου με χημική σύνθεση FeTiO3. Το υπόλοιπο της γης κοντά στο τιτάνιο είναι σε μεταλλικά στοιχεία όπως ανατάση, μπρουκίτη, λευκοξένη, περοβσκίτη, ρουτίλιο και σφαιρίδιο.
Nitinol 60: Το Nitinol 60 είναι κράμα που περιέχει 60% νικέλιο και 40% τιτάνιο. Κανονικά ο ανοξείδωτος χάλυβας χρησιμοποιείται για να φέρει έδρανα επειδή είναι σκληρός, αλλά ο ανοξείδωτος χάλυβας υπόκειται σε διάβρωση. Το Nitinol 60 επιλύει το πρόβλημα διάβρωσης χωρίς απώλεια αντοχής και δεν αντιδρά με λιπαντικά έδρασης. Εικόνα από τη NASA.
Χρήσεις του μετάλλου τιτανίου
Το τιτάνιο είναι ένα οικείο μέταλλο. Πολλοί άνθρωποι γνωρίζουν ότι χρησιμοποιείται σε κοσμήματα, προσθετικά, ρακέτες τένις, μάσκες τελετών, ψαλίδια, πλαίσια ποδηλάτων, χειρουργικά εργαλεία, κινητά τηλέφωνα και άλλα προϊόντα υψηλής απόδοσης. Το τιτάνιο είναι εξίσου ισχυρό με το χάλυβα, αλλά βάρους περίπου το μισό. Είναι διπλάσιο από το αλουμίνιο αλλά μόνο κατά 60% βαρύτερο.
Το τιτάνιο συνδυάζεται με σίδηρο, αλουμίνιο, βανάδιο, νικέλιο, μολυβδαίνιο και άλλα μέταλλα για την παραγωγή κραμάτων υψηλής απόδοσης. Οι κινητήρες αεριωθουμένων, τα διαστημόπλοια, ο στρατιωτικός εξοπλισμός, τα ρουλεμάν, το θωρακισμένο σώμα και άλλα προϊόντα υψηλής τεχνολογίας χρειάζονται εξαρτήματα κατασκευασμένα με αυτά τα κράματα.
Αεροσκάφη τιτανίου: Το μέταλλο και τα κράματα τιτανίου παρέχουν ελαφριά, ανθεκτικά στη διάβρωση εξαρτήματα υψηλής αντοχής για κινητήρες αεροσκαφών, χειριστήρια και δομικά στοιχεία. Αυτό το NASA F-16XL διαθέτει ένα γάντι τιτανίου για μελέτες στρωτής ροής που καλύπτουν μέρος της αριστερής του πτέρυγας. Εικόνα της NASA από Jim Ross.
Λευκή βαφή: Το μεγαλύτερο μέρος του λευκού χρώματος που χρησιμοποιείται σήμερα περιέχει διοξείδιο του τιτανίου ως χρωστική ουσία. Αυτό δίνει στο χρώμα ένα λαμπερό λευκό χρώμα που είναι μόνιμο, με αδιαφάνεια για να καλύψει σε ένα παλτό, και μια φωτεινότητα που αντανακλά το φως. Όταν το χρώμα στεγνώνει, η μεταλλική επίστρωση που αφήνεται στον τοίχο είναι διοξείδιο του τιτανίου. Image copyright iStockphoto / Okea.
Τι είναι το διοξείδιο του τιτανίου;
Το διοξείδιο του τιτανίου είναι ένα λαμπερό, λευκό, αδιαφανές υλικό με χημική σύνθεση TiO2. Παράγεται με οξείδωση του ιλμενίτη ή άλλων ορυκτών τιτανίου σε υψηλές θερμοκρασίες. Στη συνέχεια αλέθεται στη λεπτή σκόνη που απαιτείται για τις πολλές χρήσεις της.
Περίπου δέκα φορές περισσότερο τιτάνιο χρησιμοποιείται με τη μορφή διοξειδίου του τιτανίου σε σύγκριση με το μέταλλο τιτανίου. Οι περισσότεροι άνθρωποι δεν έχουν ποτέ ακούσει τιτανίου που χρησιμοποιείται σε αυτή τη μορφή. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το διοξείδιο του τιτανίου είναι ένα συστατικό των προϊόντων και όχι ένα πρωτογενές υλικό.
Συστατικά στίλβωσης: Η σκόνη διοξειδίου του τιτανίου ταξινομείται προσεκτικά με μέγεθος σωματιδίων και πωλείται ως βερνίκι για εργασίες λαξευμένων και μεταλλικών. Η εικόνα είναι ένα βαρέλι βράχου με ροδέλες μόλις ανοίξει με ένα παχύ λευκό αφρό του πολωνικού.
Χρήσεις διοξειδίου του τιτανίου
Η πιο συνηθισμένη χρήση του τιτανίου είναι ως λευκαντικό, λαμπρυντικό και αδιαφανές μέσο. Τα υψηλής ποιότητας άσπρα χρώματα περιέχουν συνήθως σημαντικές ποσότητες διοξειδίου του τιτανίου, το οποίο φέρει το όνομα "λευκό τιτάνιο". Το διοξείδιο του τιτανίου αυξάνει τη λευκότητα και την ανακλαστικότητα των χρωμάτων. Όταν εισέρχεστε σε ένα δωμάτιο και ανάβετε το φως, το χρώμα είναι πολύ ανακλαστικό και κάνει το δωμάτιο να φαίνεται πιο φωτεινό - επειδή αντανακλάται περισσότερος φωτισμός από τις βαμμένες επιφάνειες. Το διοξείδιο του τιτανίου αυξάνει επίσης την αδιαφάνεια των χρωμάτων, επιτρέποντας σε ένα παλτό να καλύψει αυτό που είναι κάτω σε πολλές περιπτώσεις.
Για σχεδόν 2000 χρόνια, το "lead white" ήταν μια σημαντική χρωστική ουσία που χρησιμοποιείται σε λευκή βαφή. Το 1904 ο Sherwin-Williams, ένας κατασκευαστής χρωμάτων, αναφέρθηκε στους κινδύνους του χρώματος που περιέχει χρωστική ουσία μολύβδου. Από τότε οι κατασκευαστές χρωμάτων άρχισαν να απομακρύνονται από τις χρωστικές μολύβδου και η χρωστική του τιτανίου ήταν η πιο βιώσιμη αντικατάσταση. Σήμερα, το μεγαλύτερο μέρος του λευκού χρώματος που παράγεται έχει το διοξείδιο του τιτανίου ως χρωστική του.
Το διοξείδιο του τιτανίου πιέζεται στις ίνες χαρτιών υψηλής ποιότητας για να βελτιώσει την λευκότητα, τη φωτεινότητα και την υφή τους. Προστίθεται στο αποβουτυρωμένο γάλα για να βελτιώσει την λευκότητα και την αδιαφάνεια. Προστίθεται στην οδοντόκρεμα, το καουτσούκ, τα πλαστικά, τα καλλυντικά, το αντηλιακό και πολλά τρόφιμα για τον ίδιο λόγο. Αυτά είναι υλικά που χρησιμοποιούνται σχεδόν κάθε άνθρωπος στη Γη σχεδόν κάθε μέρα. Λίγοι άνθρωποι αντιλαμβάνονται το ρόλο που παίζει το τιτάνιο μέσα σε αυτά. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε τρόφιμα, καλλυντικά και άλλα προϊόντα που καταναλώνουν οι άνθρωποι επειδή είναι αδρανής.
Η σκόνη διοξειδίου του τιτανίου βαθμολογείται επίσης σε συγκεκριμένα μεγέθη σωματιδίων για χρήση ως ένωση στίλβωσης. Χρησιμοποιείται για τη στίλβωση πολύτιμων λίθων, μετάλλων και άλλων υλικών. Είναι συχνά λιγότερο αποτελεσματικό από τα άλλα γυαλιστικά, αλλά όταν είναι αποτελεσματικό μπορεί να προσφέρει εξοικονόμηση κόστους.
Βαριά μεταλλική άμμος: Το ρηχό σκάψιμο στη παραλία Folly, στη Νότια Καρολίνα, εκθέτει λεπτά στρώματα βαριάς ορυκτής άμμου. Το μεγαλύτερο μέρος του λαμινίτη που εξορύσσεται σήμερα είναι από άμμο με μεγάλη συγκέντρωση ορυκτών. Φωτογραφία από την Carleton Bern, Γεωλογική Έρευνα Ηνωμένων Πολιτειών.
Από πού προέρχεται το τιτάνιο;
Το μεγαλύτερο μέρος του κόσμου τιτανίου παράγεται από την εξόρυξη βαριάς ορυκτής άμμου. Αυτές οι άμμοι εμφανίζονται κάτω από την κλίση από τις εκτεθειμένες μάζες πυριγενών βράχων όπως το gabbro, norite και ο ανθοσιώτης. Αυτοί οι βράχοι περιέχουν ορυκτά που φέρουν τιτάνιο όπως ιλμενίτη, ανατάση, μπρουκίτη, λευκοξένη, περοβσκίτη, ρουτίλιο και σφαινόνη.
Όταν τα πετρώματα αυτά διασπώνται από τις καιρικές συνθήκες, τα μέταλλα τιτανίου είναι από τα πιο ανθεκτικά. Συγκεντρώνονται από τις καιρικές συνθήκες και μεταφέρονται κατάντη ως σπόροι άμμου και λάσπης. Τελικά, κατατίθενται ως άμμος κατά μήκος της ακτής μιας ηπείρου. Αυτός είναι ο τόπος όπου συνήθως εκσκαφέρονται ή εξορύσσονται. Οι μεταλλευτικές δραστηριότητες παρατηρούνται επίσης και σε χερσαίες τοποθεσίες όπου τα ορυκτά τιτανίου έχουν κατατεθεί κατά τη διάρκεια περιόδων θαλάσσιας στάθμης υψηλότερα από αυτό που γνωρίζουμε σήμερα.
Αυτές οι βαριές ορυκτές άμμοι μπορεί να περιέχουν λίγα τοις εκατό κατά βάρος ιλμενίτη και άλλα ορυκτά τιτανίου. Μετά την εξόρυξη της άμμου, πηγαίνει σε μια μονάδα επεξεργασίας που ανακτά ορυκτά που περιέχουν τιτάνιο. Μπορούν να ανακτηθούν ταυτόχρονα και άλλα πολύτιμα μέταλλα. Ακολούθως μεταποιούνται ή πωλούνται για την παραγωγή μετάλλου τιτανίου ή διοξειδίου του τιτανίου. Η άμμος επιστρέφεται στη θέση όπου εξορύσσεται και η παραλία ανακτάται.
Τιτάνιο σε ρεύματα ιζήματα και εδάφη: Ένας χάρτης που δείχνει την αφθονία του τιτανίου, με τη μορφή διοξειδίου του τιτανίου, σε ιζήματα ρεύματος και εδάφη τμήματος των ανατολικών Ηνωμένων Πολιτειών. Μια πλούσια σε τιτάνιο ζώνη που αντιστοιχεί στην φυσιογραφική επαρχία Virginia Blue Ridge παρουσιάζει τιμές άνω του 3% κατά βάρος διοξειδίου του τιτανίου, United States Geological Survey.
Παραγωγή τιτανίου στις Ηνωμένες Πολιτείες
Οι Ηνωμένες Πολιτείες χρησιμοποιούν περισσότερα μέταλλα τιτανίου από αυτά που παράγει σήμερα, καθιστώντας το καθαρό εισαγωγέα τιτανίου. Μια περιορισμένη ποσότητα βυθοκόρησης έχει συμβεί εκτός της ατλαντικής ακτής της Φλώριδας. Υπάρχουν ιζήματα ακτογραμμής που εκσκαφέρονται και επεξεργάζονται για να απομακρύνουν τις βαριές ορυκτές άμμους. Ο λαμινίτης είναι το πρωτογενές ορυκτό που περιέχει τιτάνιο και ανακτάται από αυτή τη δραστηριότητα.
Η εξόρυξη χερσαίων μεταφορών πραγματοποιήθηκε σε πολλές τοποθεσίες στη Βιρτζίνια. Υπάρχει ένα σώμα που φέρει ανιτωσίτη στην περιοχή της Blue Ridge και έχει εμφανιστεί με διάβρωση. Τα ιζήματα που προέρχονται από αυτή τη διάβρωση μπορούν τοπικά να περιέχουν μερικά βαρύ μέταλλα κατά βάρος, με το λαμινίτη να είναι το πρωτογενές ορυκτό που φέρει τιτάνιο. Αυτές οι κοιλότητες έχουν ανασκαφεί και επεξεργαστεί για να αφαιρέσουν το βαρύ ορυκτό τους περιεχόμενο. Η περιοχή στην οποία συναντάται αυτό το ορυχείο αντιστοιχεί σε ιζήματα ρεύματος πλούσια σε τιτάνιο και σε εδάφη δειγματοληπτικά, αναλυόμενα και χαρτογραφημένα από την Εθνική Γεωχημική Έρευνα (βλ. Συνοδευτικό χάρτη).
Για να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις τιτανίου, οι Ηνωμένες Πολιτείες εισάγουν μεταλλικά συμπυκνώματα τιτανίου. Οι κορυφαίοι παραγωγοί τιτανίου περιλαμβάνουν: Αυστραλία, Καναδά, Κίνα, Ιαπωνία, Κένυα, Μαδαγασκάρη, Μοζαμβίκη, Νορβηγία, Ρωσία, Σαουδική Αραβία, Σενεγάλη, Σιέρα Λεόνε και Νότια Αφρική.