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En anglais
RÉSUMÉ
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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Titanium dioxide TiO2 with the crystalline forms anatase and rutile is worldwide used in the industry, in very large quantities. TiO2 is a component of many materials, as paints, polymers, papers, textiles, cosmetics, and foods. It is also used for photovoltaic components, for photocatalysis processes, disinfection, self-cleaning and superhydrophilicity of surfaces. This article is devoted to mineral resources of TiO2 and their industrial treatment. It also describes current industrial applications and futures perspectives using the oxide.
Auteur(s)
-
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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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
photocatalysis | rutile | anatase | pigment
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5. Utilisation du dioxyde de titane
5.1 Photocatalyse
Le TiO2 est couramment utilisé dans les procédés de photocatalyse, dans les réacteurs industriels, mais aussi pour la production d’électricité à partir de l’énergie solaire. Ces applications sont liées au caractère semi-conducteur du TiO2 dont la largeur de bande interdite est au moins équivalente à l’énergie des photons dans la bande des ultraviolets (gap de 3,0 eV pour le rutile et 3,2 eV pour l’anatase). La figure 5 schématise le processus de photocatalyse initié par l’interaction d’un photon de la lumière incidente dans la bande d’énergie du semi-conducteur, entre la bande de valence et la bande de conduction. Il en résulte la formation d’un électron e– qui quitte la bande de valence en y laissant un trou (h+ de charge équivalente +1). L’électron formé migre vers un niveau d’énergie supérieur de la bande de conduction.
Le processus fondamental de formation de paires électrons-trous est à la base des applications en photocatalyse et pour la production d’énergie. Il est décrit par l’équation :
( 14 )
Dans cette réaction, e–, hν et h+ représentent respectivement un électron de la bande de conduction, l’énergie d’un photon incident et un trou de la bande de valence.
Les porteurs de charge e– et h+ sont fortement réactifs et peuvent soit se recombiner rapidement dans le semi-conducteur, soit être piégés sur des sites de surface, ou surtout réagir en surface avec un fort potentiel rédox. Le TiO2 est particulièrement intéressant dans les procédés de photocatalyse et de production d’énergie en raison de la grande largeur du gap d’énergie et des positions respectives des niveaux d’énergie de la bande de conduction et de la bande de valence. Par ailleurs, le TiO2 est une ressource disponible en grande quantité et à coût modéré.
L’inconvénient de ce processus de photocatalyse est qu’il ne peut être initié que dans la lumière UV (< 400 nm)...
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Utilisation du dioxyde de titane
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - O’REGAN (B.), GRÄTZEL (M.) - A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. - Nature, 353, 737-740 (1991).
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(2) - HAYLE (S.T.), GONFA (G.G.) - Synthesis and characterization of titanium oxide nanomaterials using sol – gel method. - Am. J. Nanosci. Nanotech., 2, 1-7 (2014).
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(3) - CHAO (S.), PETROVSKY (V.), DOGAN (F.) - Effects of sintering temperature on the microstructure and dielectric properties of titanium dioxide ceramics. - J. Mater. Sci., 45, 6685-6693 (2010).
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(4) - RICHARDS (B.S.) - Single-material TiO2 double-layer antireflection coatings, - Sol. Energy Mater Sol. Cells, 79, 369-390 (2003).
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(5) - HOSSAIN (M.A.), AHMED (A.N.), KHAN (M.A.A.) - Vitreous enamel coating on mild steel substrate : characterization and evaluation. - Int. J. Sci. Eng. Res., 5821-5826 (2014).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Titanium dioxide for coatings :
HAUT DE PAGE
ISO 591-1 - 2000 - Titanium dioxide pigments for paints
ASTM D476-00 - 2000 - Standard Classification for Dry Pigmentary Titanium Dioxide Products
HAUT DE PAGE
ANSES, 2017 Avis de l’Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail relatif à une demande d’avis relatif. N° 2017-SA-0020
ECHA, 2017 Committee for Risk Assessment Titanium dioxide. Ref CLH-O-0000001412-86-163/F.
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