ไทเทเนียมเป็นธาตุที่มีมากเป็นลำดับที่ 9 ในชั้นเปลือกโลก แต่โลหะชนิดนี้สามารถเกิดปฏิกิริยากับธาตุอื่นๆ ได้ง่าย จึงไม่พบ ในรูปโลหะบริสุทธิ์ตามธรรมชาติ แต่จะพบในรูปสารประกอบในแร่ชนิดต่างๆ เช่น แร่รูไทล์ (Rutile) แร่อิลเมไนต์ (Ilmenite) แร่อะนาเทส (Anatase) แร่บรูไคต์ (Brookite) แร่ไททะไนต์ (Titanite) เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีการพบแร่ไทเทเนียมอยู่รวมกับแร่เหล็กด้วย
(ซ้าย) วิลเลียม เกรกอร์ (ขวา) มาร์ติน ไฮน์ริช คลาพรอท
ประวัติการพบ
ไทเทเนียมค้นพบครั้งแรกในปี ค.ศ. 1791 โดย วิลเลียม เกรกอร์ (William Gregor) นักธรณีวิทยาชาวอังกฤษ วิลเลียมสังเกตเห็นว่า ทรายสีดำในลำธารใกล้เมืองมาแนคแคน (Manaccan) ประเทศอังกฤษ มีสมบัติถูกแม่เหล็กดูดติดได้ เมื่อเขานำทรายสีดำนี้ไปทำการแยกองค์ประกอบ ผลที่ได้คือ โลหะออกไซด์ 2 ชนิด โดยโลหะออกไซด์ชนิดหนึ่งคือ เหล็กออกไซด์ (iron oxide) ที่มีสมบัติแม่เหล็กดูดติดได้ ส่วนโลหะออกไซด์อีกชนิดหนึ่งนั้น วิลเลียมไม่สามารถจำแนกได้ว่าเป็นโลหะอะไร และทำให้เขาตระหนักว่า โลหะออกไซด์ปริศนานั้นประกอบด้วยธาตุโลหะใหม่ที่มีสมบัติไม่เหม ือนกับโลหะใดที่มีการบันทึกในขณะนั้น ดังนั้นวิลเลียมจึงเขียนรายงานสิ่งที่เขาพบและส่งไปที่ Royal Geological Society of Cornwall และส่งไปตีพิมพ์ลงใน Crell’s Annalen ซึ่งเป็นนิตยสารวิทยาศาสตร์ของประเทศเยอรมนี
ต่อมาในปี ค.ศ. 1795 นักเคมีชาวเยอรมันชื่อ มาร์ทิน ไฮน์ริช คลาพรอท (Martin Heinrich Klaproth) ก็พบโลหะออกไซด์ปริศนานี้จากแร่รูไทล์เช่นกัน มาร์ทินจึงตั้งชื่อธาตุโลหะปริศนานี้ว่า ไทเทเนียม ตามชื่อยักษ์ ไททัน (Titan) ที่ปรากฏในตำนานกรีกโบราณ ในตอนหลังมาร์ทินได้ทราบเรื่องการพบโลหะออกไซด์ของวิลเลียมที่เ กิดก่อนการพบของเขา มาร์ทินก็ได้รับตัวอย่างแร่มาแนคคาไนต์ (manaccanite) มาทดลองซ้ำ และยืนยันว่าโลหะออกไซด์ปริศนานั้นประกอบด้วยไทเทเนียมเช่นกัน
แร่รูไทล์
การผลิตไทเทเนียม
การแยกโลหะไทเทเนียมออกจากแร่หรือสารประกอบเ ป็นเรื่องยาก มีขั้นตอนมาก และมีค่าใช้จ่ายสูง แม้โลหะจะอยู่ในรูปของสารประกอบโลหะออกไซด์ก็ตาม แต่ไม่สามารถแยกด้วยการใช้วิธีเติมคาร์บอนแบบการถลุงเหล็กได้ เนื่องจากไทเทเนียมสามารถเกิดปฏิกิริยากับคาร์บอนกลายเป็นไทเทเ นียมคาร์ไบด์ (titanium carbide) ดังนั้นกว่าที่นักวิทยาศาสตร์จะคิดหาวิธีแยกโลหะบริสุทธิ์ระดับ 99.9% ออกมาสำเร็จก็ต้องรอถึงต้นศตวรรษที่ 20
โดยในปี ค.ศ. 1910 แมททิว เอ ฮันเตอร์ (Matthew A. Hunter) ประสบความสำเร็จในการแยกโลหะไทเทเนียมบริสุทธิ์ออกมาได้โดยนำสา รประกอบไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ (titanium tetrachloride, TiCl4) มาทำปฏิกิริยากับโซเดียมที่อุณหภูมิ 700-800 องศาเซลเซียส ซึ่งวิธีแยกไทเทเนียมนี้เรียกว่า กระบวนการฮันเตอร์ (Hunter process) อย่างไรก็ดีเนื่องจากวิธีนี้มีต้นทุนการผลิตสูงมากจึงไม่สามารถ นำมาใช้ผลิตในเชิงอุตสาหกรรมได้
สำหรับการผลิตโลหะไทเทเนียมระดับอุตสาหกรรมใ นปัจจุบันจะใช้กระบวนการของครอลล์ (Kroll process) ซึ่งแบ่งออกเป็น 4 ขั้นตอน ได้แก่ 1. การสกัด (extraction) 2. การทำให้บริสุทธิ์ (purification) 3. การผลิตไทเทเนียมพรุน (sponge production) และ 4. การเตรียมอัลลอย (alloy creation) โดยแต่ละขั้นมีรายละเอียดดังนี้
กระบวนการผลิตโลหะไทเทเนียมแบบครอล์
1.การสกัด แร่รูไทล์ซึ่งมีไทเทเนียมออกไซด์ (titanium oxide, TiO2) เป็นองค์ประกอบหลักจะถูกป้อนเข้าสู่เตาเผาแบบฟลูอิไดซ์ (fluidized-bed reactor) เพื่อทำปฏิกิริยากับก๊าซคลอรีนและคาร์บอน (ดังสมการข้างล่าง) ในเตาที่มีอุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียส ผลิตผลที่ได้คือ สารไทเทเนียมเตตระคลอไรด์ คาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide, CO2) และ/หรือคาร์บอนมอนอกไซด์ (carbon monoxide, CO) และสารประกอบโลหะคลอไรด์ต่างๆ ที่เป็นสารมลทิน
2.การทำให้บริสุทธิ์ เนื่องจากผลิตผลที่ได้จากการสกัดมีสารมลทินต่างๆ เจือปนอยู่ ดังนั้นจึงต้องนำสารทั้งหมดมาทำการกลั่นลำดับส่วน (fractional distillation) และตกตะกอน เพื่อให้ได้สารไทเทเนียมเตตระคลอไรด์บริสุทธิ์
3.การผลิตไทเทเนียมพรุน ไทเทเนียมเตตระคลอไรด์บริสุทธิ์ในรูปของเหลวที่ได้จากขั้นตอนก่ อนหน้าจะถูกส่งมาที่ถังทำปฏิกิริยา เพื่อทำปฏิกิริยากับแมกนีเซียม (magnesium, Mg) ที่อุณหภูมิ 1,100 องศาเซลเซียส (ดังสมการข้างล่าง) และใช้บรรยากาศก๊าซอาร์กอน (argon, Ar) เพื่อป้องกันโลหะไทเทเนียมที่เกิดขึ้นเกิดปฏิกิริยากับออกซิเจน และไนโตรเจนในบรรยากาศปกติ ผลิตผลที่ได้คือ โลหะไทเทเนียมแข็ง (เนื่องจากไทเทเนียมมีจุดหลอมเหลวที่ 1,668 องศาเซลเซียสซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิในถังปฏิกิริยา)
หน้าตาของไทเทเนียมพรุน
ทั้งนี้โลหะไทเทเนียมที่ได้ออกมาจะมีลักษณะเป็นก้อ นพรุนคล้ายฟองน้ำ ซึ่งต้องนำไปล้างน้ำ และล้างด้วยกรดไฮโดรคลอริกเพื่อกำจัดแมกนีเซียม และสารแมกนีเซียมคลอไรด์ส่วนเกินออกไป
ในกระบวนการแยกโลหะไทเทเนียมนั้น สารแมกนีเซียมคลอไรด์ (magnesium chloride, MgCl2) ซึ่งเป็นผลิตผลส่วนเกินหรือของเสียที่เกิดขึ้นจะถูกนำไปผ่านกระ บวนการแยกสารด้วยกระแสไฟฟ้า (electrolysis) ทำให้ได้โลหะแมกนีเซียมและก๊าซคลอรีนซึ่งสามารถนำกลับไปหมุนเวี ยนใช้ในกระบวนการใหม่ได้
4.การเตรียมเป็นอัลลอย ในขั้นตอนนี้ไทเทเนียมในรูปก้อนโลหะพรุนจะถูกผสมโลหะหลายชนิดลง ไปเพื่อเตรียมไทเทเนียมอัลลอย หลังจากเติมโลหะชนิดต่างๆ ครบตามสัดส่วนที่กำหนดแล้ว ก้อนโลหะจะถูกบีบอัดให้มีขนาดเล็กลงและเชื่อมเข้าด้วยกัน จากนั้นก้อนโลหะจะถูกส่งไปหลอมเป็นแท่งอินก็อต (ingot) ในเตาไฟฟ้า โดยอากาศภายในเตาจะถูกดูดออกจนเป็นสุญญากาศ และ/หรือแทนที่อากาศด้วยก๊าซอาร์กอน เพื่อป้องกันโลหะไทเทเนียมเกิดปฏิกิริยากับก๊าซออกซิเจนและก๊าซ ไนโตรเจน
(ซ้าย) แท่งอินก็อตมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 0.4-1.1 เมตร ยาว 4 เมตร (ขวา) แผ่นไทเทเนียม
ในการผลิตแท่งโลหะไทเทเนียมอัลลอยนี้ มีจุดน่าสนใจหนึ่งคือ แท่งอินก็อตไทเทเนียมอัลลอยที่ผลิตออกมาครั้งแรก จะต้อง นำไปหลอมและขึ้นรูปใหม่ซ้ำอย่างน้อยอีก 1-2 ครั้ง แท่งอินก็อตไทเทเนียมอัลลอยนั้นจึงจะได้รับการยอมรับในการซื้อ- ขาย สำหรับเหตุผล ที่ต้องนำแท่งอินก็อตมาหลอมและขึ้นรูปใหม่ซ้ำหลายครั้งก็เพื่อใ ห้โลหะต่างๆ ที่ผสมลงไปกระจายตัวอย่างทั่วถึงยิ่งขึ้นนั่นเอง
สุดท้ายเมื่อได้แท่งอินก็อตไทเทเนียมอัลลอยท ี่ผ่านการหลอม 2-3 ครั้งแล้ว ทำการตรวจหาตำหนิของแท่งอินก็อต และปรับแต่งผิวให้ได้ตามความต้องการของลูกค้า ก่อนจะส่งต่อให้บริษัทแปรรูปเพื่อแปรสภาพเป็นผลิตภัณฑ์ต่อไป
แหล่งข้อมูลที่มา http://www.tiche.org/forum/forum_postpop.asp?AN=1&TID=295&PN=1&FID=3&TPN=1
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น