Le dioxyde de titane TiO2 dans ses formes cristallines anatase et rutile est utilisé dans l'industrie en très grande quantité. Il entre dans les compositions de céramiques, de peintures, de polymères, de papiers, de textiles, de cosmétiques et de composés alimentaires. Il est aussi utilisé dans les composants photovoltaïques pour la production d'électricité, dans les applications pour la photocatalyse, pour les procédés d'autonettoyage et de désinfection ainsi que pour le contrôle du comportement hydrophile des surfaces. Cet article fait le point sur les ressources minérales permettant d'obtenir les poudres de TiO2, ainsi que sur les applications actuelles et celles en cours de développement.
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Philippe BLANCHART
: Professeur émérite - ENSIL – ENSCI, Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER) - ESTER Technopole, Limoges, France
INTRODUCTION
Le dioxyde de titane (TiO2) est utilisé dans l’industrie depuis de nombreuses décennies, comme pigment de peintures ou d’émaux, dans les produits cosmétiques tels que les crème solaires ou les dentifrices, dans les produits pharmaceutiques, mais également dans l’industrie alimentaire en tant que colorant. Le dioxyde de titane est aussi utilisé dans de nombreuses applications liées à ses propriétés photocatalytiques. De nouvelles applications émergentes sont liées au comportement des particules de taille nanométrique.
Dans toutes ces applications, la nature chimique du dioxyde de titane est considérée comme non toxique. C’est aussi un composé peu cher puisque la technologie industrielle de synthèse du dioxyde de titane à partir de ressources minérales se fait relativement simplement par voies chimiques.
Depuis 1950, le marché mondial des charges minérales à base de TiO2 est principalement orienté vers la production de pigments. Environ 90 % de ces pigments sont utilisés dans les peintures, les matières plastiques et les papiers. Le pourcentage restant est utilisé dans des applications très diverses. Le marché des matières premières à base d’oxyde de titane et celui des industries connexes représente une valeur d’environ 9 milliards de dollars américains par an.
Le dioxyde de titane est fortement associé à notre vie quotidienne. Environ 5 millions de tonnes de dioxyde de titane sont produites annuellement dans le monde. Cette industrie est principalement concentrée en Inde et en Chine.
Depuis 1990, la demande globale a augmenté d’environ 3 % par an et, selon les estimations de l’industrie, ce niveau de croissance devrait se poursuivre, stimulé par de nombreux marchés, dont les peintures architecturales, l’aéronautique ou l’embouteillage plastique. La consommation est concentrée en Amérique du Nord et en Europe, mais la Chine est devenue un acteur majeur dans l’industrie mondiale du dioxyde de titane.
L’objectif de l’article est de décrire les différentes variétés de dioxyde de titane, les ressources minérales à l’origine de ces oxydes et les méthodes de transformations industrielles permettant d’obtenir les poudres de dioxyde de titane.
L’article présente aussi les propriétés physiques de ces oxydes et les applications industrielles induites par ces propriétés remarquables.
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3. Synthèse et fabrication industrielle des poudres de TiO2
3.1 Fabrication industrielle des poudres de TiO2
Dans la nature, le titane est principalement combiné avec des composés minéraux, et ces ressources minérales sont relativement abondantes.
Les principales formes minérales sont l’anatase (TiO2), la brookite, l’ilménite (FeTiO3), la pérovskite, le rutile (TiO2) et la titanite (sphène). Les sources minérales les plus importantes sont l’ilménite (45 % TiO2) et le rutile (95 % TiO2). Les plus gros gisements sont en Australie et Afrique du Sud, fournissant environ la moitié de la production mondiale de minerai de titane. Selon l’United States Geological Survey (USGS), les ressources mondiales d’anatase, d’ilménite et de rutile dépassent les 2 milliards de tonnes.
L’ilménite est le minerai de titane le plus important, il est utilisé dans environ la moitié la production mondiale. Il est converti en dioxyde de titane par deux procédés différents :
le procédé au sulfate ;
le procédé au chlorure.
Procédé au sulfate
Il est réalisé à partir d’ilménite ou de rutile. La première étape de ce procédé consiste à broyer le minerai et à le dissoudre dans l’acide sulfurique pour former un mélange de sulfates :
( 8 )
Les ions fer colorants sont sous la forme de sulfate de fer et sont éliminés de la solution par précipitation. La solution restante contient du sulfate de titanyle, TiOSO4, qui se transforme en dioxyde de titane hydraté et insoluble.
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Fabrication des céramiques et des films de TiO2
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