stringtranslate.com

Ильменит

Ильменит — минерал, оксид титана и железа с идеализированной формулой FeTiO
3. Это слабомагнитное черное или стально-серое твердое вещество. Ильменит является важнейшей рудой титана [5] и основным источником диоксида титана , который используется в красках, типографских чернилах, [6] тканях, пластмассах, бумаге, солнцезащитных кремах, продуктах питания и косметике. [7]

Структура и свойства

Ильменит — тяжелый (удельный вес 4,7), умеренно твердый (твердость по Моосу от 5,6 до 6), непрозрачный черный минерал с полуметаллическим блеском. [8] Он почти всегда массивный, с толстыми пластинчатыми кристаллами, довольно редкими. Он не показывает заметной спайности, вместо этого ломается с раковистым или неровным изломом. [9]

Ильменит кристаллизуется в тригональной системе с пространственной группой R3 . [10] [3] Кристаллическая структура ильменита представляет собой упорядоченную производную от структуры корунда ; в корунде все катионы идентичны, но в ильмените ионы Fe2 + и Ti4 + занимают чередующиеся слои, перпендикулярные тригональной оси c.

Чистый ильменит парамагнетик (демонстрирует лишь очень слабое притяжение к магниту), но ильменит образует твердые растворы с гематитом , которые являются слабоферромагнитными и поэтому заметно притягиваются к магниту. Природные месторождения ильменита обычно содержат сросшийся или выделившийся магнетит , который также способствует его ферромагнетизму. [8]

Ильменит отличается от гематита менее интенсивным черным цветом, более тусклым внешним видом и черной полосой , а от магнетита — более слабым магнетизмом. [9] [8]

Открытие

В 1791 году Уильям Грегор обнаружил месторождение черного песка в ручье, протекающем через долину к югу от деревни Манаккан ( Корнуолл ), и впервые определил титан как один из компонентов основного минерала в песке. [11] [12] [13] Грегор назвал этот минерал манакканитом . [14] Тот же минерал был найден в Ильменских горах , недалеко от Миасса , Россия , и назван ильменитом . [9]

Минеральная химия

Чистый ильменит имеет состав FeTiO 3 . Однако ильменит чаще всего содержит заметные количества магния и марганца и до 6 мас.% гематита, Fe 2 O 3 , заменяющего FeTiO 3 в кристаллической структуре. Таким образом, полную химическую формулу можно выразить как (Fe,Mg,Mn,Ti)O 3 . [8] Ильменит образует твердый раствор с гейкиелитом ( MgTiO
3) и пирофанит ( MnTiO
3), которые являются магниевыми и марганцевыми конечными членами ряда твердых растворов. [3]

Хотя ильменит обычно близок к идеальному FeTiO
3состав, с небольшими мольными процентами Mn и Mg, [3] ильмениты кимберлитов обычно содержат значительные количества молекул гейкиелита, [15] а в некоторых высокодифференцированных кислых породах ильмениты могут содержать значительные количества молекул пирофанита. [16]

При температурах выше 950 °C (1740 °F) существует полный твердый раствор между ильменитом и гематитом. При более низких температурах существует разрыв смешиваемости , что приводит к сосуществованию этих двух минералов в породах, но не к твердому раствору. [8] Это сосуществование может привести к образованию пластин распада в охлажденных ильменитах с большим количеством железа в системе, чем может быть однородно размещено в кристаллической решетке. [17] Ильменит, содержащий от 6 до 13 процентов Fe 2 O 3 , иногда описывается как железистый ильменит . [18] [19]

Ильменит изменяется или выветривается, образуя псевдоминерал лейкоксен , мелкозернистый желтоватый, сероватый или коричневатый материал [8] [20], обогащенный до 70% или более TiO 2 . [19] Лейкоксен является важным источником титана в месторождениях тяжелых минеральных песков и руд . [21]

Парагенезис

Ильменит — это распространенный акцессорный минерал, встречающийся в метаморфических и магматических породах . [3] Он встречается в больших концентрациях в слоистых интрузиях , где он формируется как часть кумулятивного слоя внутри интрузии. Ильменит обычно встречается в этих кумулятивах вместе с ортопироксеном [22] или в сочетании с плагиоклазом и апатитом ( нельсонитом ). [23]

Магнезиальный ильменит образуется в кимберлитах как часть ассоциации минералов MARID ( слюда - амфибол - рутил - ильменит - диопсид ) ксенолитов глимерита . [24] Марганцевый ильменит встречается в гранитных породах [16] , а также в карбонатитовых интрузиях, где он также может содержать аномально высокие количества ниобия . [25]

Многие основные магматические породы содержат зерна сросшегося магнетита и ильменита, образовавшиеся в результате окисления ульвошпинели . [ 18 ]

Переработка и потребление

Ильменитовый рудник Тельнес, Сокндал , Норвегия

Большая часть ильменита добывается для производства диоксида титана . [26] Ильменит и диоксид титана используются в производстве металлического титана . [27] [28]

Диоксид титана чаще всего используется в качестве белого пигмента, а основными отраслями-потребителями пигментов TiO 2 являются краски и поверхностные покрытия, пластмассы, бумага и картон. Потребление TiO 2 на душу населения в Китае составляет около 1,1 килограмма в год по сравнению с 2,7 килограммами в Западной Европе и Соединенных Штатах. [29]

Расчетное мировое производство титанового концентрата по источникам полезных ископаемых в метрических тоннах, 2015–2019 гг. Титановый концентрат в основном получают путем переработки ильменитового минерала, за которым следуют титансодержащие шлаки и природный рутил.

Титан является девятым по распространенности элементом на Земле и составляет около 0,6 процента земной коры. Ильменит обычно перерабатывается для получения титанового концентрата, который называется «синтетическим рутилом», если он содержит более 90 процентов TiO2, или, в более общем смысле, «титансодержащими шлаками», если он имеет более низкое содержание TiO2. Более 80 процентов предполагаемого мирового производства титанового концентрата получают путем переработки ильменита, в то время как 13 процентов получают из титансодержащих шлаков и 5 процентов из рутила. [30]

Ильменит может быть преобразован в пигментный диоксид титана либо с помощью сульфатного процесса, либо с помощью хлоридного процесса . [31] Ильменит также может быть улучшен и очищен до диоксида титана в форме рутила с помощью процесса Бехера . [32]

Ильменитовые руды также можно перерабатывать в жидкое железо и богатый титаном шлак с помощью процесса плавки. [33]

Ильменитовая руда используется сталеплавильщиками в качестве флюса для футеровки огнеупорных материалов горна доменной печи. [34]

Ильменит может быть использован для производства ферротитана путем алюминотермического восстановления. [35]

Производство сырья

Большая часть ильменита добывается из месторождений тяжелых минеральных песков руды, где минерал концентрируется в виде россыпного месторождения и выветривание снижает его содержание железа, увеличивая процент титана. Однако ильменит также может быть извлечен из источников титановой руды «твердых пород», таких как ультраосновные и основные слоистые интрузии или анортозитовые массивы . Ильменит в слоистых интрузиях иногда встречается в изобилии, но он содержит значительные сростки магнетита, которые снижают его содержание в руде. Ильменит из анортозитовых массивов часто содержит большое количество кальция или магния, что делает его непригодным для хлоридного процесса. [39]

Подтвержденные запасы руды ильменита и рутила оцениваются в 423–600 млн тонн диоксида титана. Крупнейшие месторождения ильменита находятся в Южной Африке, Индии, США, Канаде, Норвегии, Австралии, Украине, России и Казахстане. Дополнительные месторождения находятся в Бангладеш, Чили, Мексике и Новой Зеландии. [40]

В 2011 году крупнейшим в мире производителем ильменитовой руды была Австралия, добывшая около 1,3 млн тонн, за ней следовали Южная Африка, Канада, Мозамбик, Индия, Китай, Вьетнам, Украина, Норвегия, Мадагаскар и США.

Четырьмя крупнейшими производителями сырья ильменита и рутила в 2010 году были Rio Tinto Group , Iluka Resources , Exxaro и Kenmare Resources , на долю которых в совокупности пришлось более 60% мировых поставок. [41]

Два крупнейших в мире месторождения ильменита:

Основные виды деятельности по добыче ильменита на основе минеральных песков включают:

К числу наиболее привлекательных потенциальных месторождений ильменита относятся:

Мировая добыча титансодержащих минералов ильменита и рутила в тыс. тонн эквивалента TiO2 по странам в 2020 году.

В 2020 году Китай имел самую высокую активность по добыче титана. Около 35 процентов мирового ильменита добывается в Китае, что составляет 33 процента от общей добычи титанового минерала (включая ильменит и рутил). Южная Африка и Мозамбик также вносят важный вклад, представляя 13 и 12 процентов от мировой добычи ильменита соответственно. Австралия представляет 6 процентов от общей добычи ильменита и 31 процент от добычи рутила. Сьерра-Леоне и Украина также вносят большой вклад в добычу рутила. [30]

Китай является крупнейшим производителем диоксида титана, за ним следуют США и Германия. Китай также является лидером в производстве металлического титана, но Япония, Российская Федерация и Казахстан стали важными участниками этой области.

Патентная деятельность

Патентная активность в области производства диоксида титана из ильменита возросла с 2012 года.

Патентная активность, связанная с производством диоксида титана из ильменита, стремительно растет. [30] В период с 2002 по 2022 год было зарегистрировано 459 патентных семейств , описывающих производство диоксида титана из ильменита, и это число стремительно растет. Большинство этих патентов описывают процессы предварительной обработки, такие как использование плавки и магнитной сепарации для повышения концентрации титана в низкосортных рудах, что приводит к получению титановых концентратов или шлаков. Другие патенты описывают процессы получения диоксида титана либо прямым гидрометаллургическим процессом, либо посредством двух промышленно используемых процессов: сульфатного и хлоридного. Кислотное выщелачивание может использоваться либо в качестве предварительной обработки, либо как часть гидрометаллургического процесса для непосредственного получения диоксида титана или синтетического рутила (>90 процентов диоксида титана, TiO2). Сульфатный процесс составляет 40 процентов мирового производства диоксида титана и защищен в 23 процентах патентных семейств. Хлоридный процесс упоминается только в 8 процентах патентных семейств, хотя он обеспечивает 60 процентов мирового промышленного производства диоксида титана. [30]
Основными участниками патентования производства диоксида титана являются компании из Китая, Австралии и США, что отражает основной вклад этих стран в промышленное производство. Китайские компании Pangang и Lomon Billions Groups являются основными участниками и имеют диверсифицированные патентные портфели, охватывающие как предварительную обработку, так и процессы, ведущие к получению конечного продукта.

Для сравнения, патентная активность, связанная с производством титана из ильменита, остается стабильной. [30] В период с 2002 по 2022 год было 92 семейства патентов, описывающих производство титана из ильменита, и это число оставалось довольно стабильным. Эти патенты описывают производство титана из минеральных руд, таких как ильменит, и из диоксида титана (TiO2) и тетрахлорида титана (TiCl4), химического вещества, получаемого в качестве промежуточного продукта в хлоридном процессе. Исходные материалы очищаются при необходимости, а затем преобразуются в титан с помощью процесса химического восстановления с использованием восстановителя. Процессы в основном различаются в отношении восстановителя, используемого для преобразования исходного материала в титан: магний является наиболее часто упоминаемым восстановителем и наиболее используемым в промышленном производстве.
Ключевыми игроками в этой области являются японские компании, в частности Toho Titanium и Osaka Titanium Technologies , обе из которых сосредоточены на восстановлении с использованием магния. Pangang также вносит свой вклад в производство титана и имеет патенты, описывающие восстановление электролизом расплавленной соли. [30]

Лунный ильменит

Ильменит был обнаружен в лунных образцах , особенно в лунных морских базальтах с высоким содержанием титана, распространенных в местах полётов Аполлона-11 и Аполлона-17 , и в среднем составляет до 5% лунных метеоритов. [46] Ильменит был выбран для извлечения воды и кислорода ISRU из-за простой реакции восстановления, которая происходит с буферами CO и H2 . [ 47] [48] [49]

Источники

 В этой статье использован текст из свободного контента . Лицензия CC-BY. Текст взят из Production of titanium and titaniumoxide from ilmenite and related applications, WIPO.

Ссылки

  1. ^ Warr, LN (2021). «Утвержденные символы минералов IMA–CNMNC». Mineralogic Magazine . 85 (3): 291–320. Bibcode : 2021MinM...85..291W. doi : 10.1180/mgm.2021.43 . S2CID  235729616.
  2. ^ Barthelmy, David (2014). "Ilmenite Mineral Data". Mineralogy Database . Webmineral.com . Получено 12 февраля 2022 г. .
  3. ^ abcde Энтони, Джон У.; Бидо, Ричард А.; Блад, Кеннет У.; Николс, Монте К. (ред.). "Ильменит". Справочник по минералогии (PDF) . Шантильи, Вирджиния, США: Минералогическое общество Америки . Получено 12 февраля 2022 г. .
  4. ^ ильменит, Mindat.org
  5. ^ Хайнц Сибум, Фолькер Гюнтер, Оскар Ройдл, Фатхи Хабаши, Ханс Уве Вольф, «Титан, титановые сплавы и титановые соединения» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана 2005, Wiley-VCH, Вайнхайм. doi :10.1002/14356007.a27_095
  6. ^ "Sachtleben RDI-S" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 25 декабря 2018 г. . Получено 25 декабря 2018 г. .
  7. ^ "Продукты". Mineral Commodities Ltd. Получено 8 августа 2016 г.
  8. ^ abcdef Кляйн, Корнелис; Херлбат, Корнелиус С. младший (1993). Руководство по минералогии : (по Джеймсу Д. Дане) (21-е изд.). Нью-Йорк: Wiley. С. 380–381. ISBN 047157452X.
  9. ^ abc Синканкас, Джон (1964). Минералогия для любителей . Принстон, Нью-Джерси: Van Nostrand. С. 328–329. ISBN 0442276249.
  10. ^ Нессе, Уильям Д. (2000). Введение в минералогию . Нью-Йорк: Oxford University Press. С. 366–367. ISBN 9780195106916.
  11. ^ Грегор, Уильям (1791) «Beobachtungen und Versuche über den Menakanit, einen in Cornwall gefundenen Magneticischen Sand» (Наблюдения и эксперименты относительно менакканита [т. е. ильменита], магнитного песка, найденного в Корнуолле), Chemische Annalen …, 1 , стр. 40–54, 103–119.
  12. ^ Эмсли, Джон (2001). «Титан». Строительные блоки природы: путеводитель по элементам от А до Я. Оксфорд, Англия, Великобритания: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850340-8.
  13. ^ Вудфорд, Крис (2003). Титан. Нью-Йорк: Benchmark Books. стр. 7. ISBN 9780761414612. Получено 22 февраля 2022 г. .
  14. ^ Хабаши, Фатхи (январь 2001 г.). «Историческое введение в тугоплавкие металлы». Обзор переработки минералов и извлечения металлов . 22 (1): 25–53. Bibcode : 2001MPEMR..22...25H. doi : 10.1080/08827509808962488. S2CID  100370649.
  15. ^ Wyatt, Bruce A.; Baumgartner, Mike; Anckar, Eva; Grutter, Herman (сентябрь 2004 г.). «Композиционная классификация «кимберлитового» и «некимберлитового» ильменита». Lithos . 77 (1–4): 819–840. Bibcode :2004Litho..77..819W. doi :10.1016/j.lithos.2004.04.025. S2CID  140539776.
  16. ^ аб Сасаки, Казухиро; Накашима, Кадзуо; Канисава, Сатоши (15 июля 2003 г.). «Пирофанит и ильменит с высоким содержанием Mn обнаружены в меловом плутоне Тоно, северо-восток Японии». Neues Jahrbuch für Mineralogie - Monatshefte . 2003 (7): 302–320. дои : 10.1127/0028-3649/2003/2003-0302.
  17. ^ Weibel, Rikke; Friis, Henrik (2007). "Глава 10 Изменение непрозрачных тяжелых минералов как отражение геохимических условий в осадочных и диагенетических средах". Развитие седиментологии . 58 : 277–303. doi :10.1016/S0070-4571(07)58010-6. ISBN 9780444517531.
  18. ^ ab Buddington, AF; Lindsley, DH (1 января 1964 г.). «Минералы оксида железа и титана и их синтетические эквиваленты». Journal of Petrology . 5 (2): 310–357. doi :10.1093/petrology/5.2.310.
  19. ^ ab Murphy, P.; Frick, L. (2006). «Титан». В Kogel, J. (ред.). Промышленные минералы и горные породы: товары, рынки и использование. SME. стр. 987–1003. ISBN 9780873352338. Получено 21 февраля 2022 г. .
  20. ^ Mücke, A.; Bhadra Chaudhuri, JN (февраль 1991 г.). «Непрерывное изменение ильменита через псевдорутил в лейкоксен». Ore Geology Reviews . 6 (1): 25–44. Bibcode : 1991OGRv....6...25M. doi : 10.1016/0169-1368(91)90030-B.
  21. ^ Ван Гозен, Брэдли С.; Фей, Дэвид Л.; Шах, Анджана К.; Верпланк, Филип Л.; Хёфен, Тодд М. (2014). «Модель отложения тяжелых минеральных песков в прибрежных условиях». Отчет Геологической службы США о научных исследованиях . Отчет о научных исследованиях. 201--5070-L. doi : 10.3133/sir20105070L .
  22. ^ Wilson, JR; Robins, B.; Nielsen, FM; Duchesne, JC; Vander Auwera, J. (1996). "The Bjerkreim-Sokndal Layered Intrusion, Southwest Norway". Developments in Petrology . 15 : 231–255. doi :10.1016/S0167-2894(96)80009-1. hdl : 2268/550 . ISBN 9780444817686.
  23. ^ Шарлье, Бернар; Сакома, Эммануэль; Сове, Мартин; Стэнэвей, Керри; Аувера, Жаклин Вандер; Дюшен, Жан-Клер (март 2008 г.). «Слоистая интрузия Грейдера (анортозит Гавр-Сен-Пьер, Квебек) и генезис нельсонита и других руд Fe–Ti–P». Литос . 101 (3–4): 359–378. Bibcode : 2008Litho.101..359C. doi : 10.1016/j.lithos.2007.08.004.
  24. ^ Доусон, Дж. Барри; Смит, Джозеф В. (февраль 1977 г.). «Набор ксенолитов MARID (слюда-амфибол-рутил-ильменит-диопсид) в кимберлите». Geochimica et Cosmochimica Acta . 41 (2): 309–323. Bibcode : 1977GeCoA..41..309D. doi : 10.1016/0016-7037(77)90239-3 .
  25. ^ Cordeiro, Pedro FO; Brod, José A.; Dantas, Elton L.; Barbosa, Elisa SR (август 2010 г.). «Минеральная химия, изотопная геохимия и петрогенезис богатых ниобием пород из карбонатит-фоскоритового комплекса Catalão I, Центральная Бразилия». Lithos . 118 (3–4): 223–237. Bibcode : 2010Litho.118..223C. doi : 10.1016/j.lithos.2010.04.007.
  26. ^ "Industry Fundamentals". Mineral Commodities Ltd. Архивировано из оригинала 7 октября 2016 г. Получено 8 августа 2016 г.
  27. ^ Кролл, В. (1940). «Производство пластичного титана». Труды Электрохимического Общества . 78 : 35–47. doi :10.1149/1.3071290.
  28. ^ Seki, Ichiro (2017). «Восстановление диоксида титана до металлического титана путем нитридизации и термического разложения». Materials Transactions . 58 (3): 361–366. doi : 10.2320/matertrans.MK201601 .
  29. ^ «Справочник по химической экономике диоксида титана».
  30. ^ abcdef Всемирная организация интеллектуальной собственности. (2023). «Отчет о патентном ландшафте». ВОИС . Отчеты о патентном ландшафте. doi :10.34667/tind.47029 . Получено 19 октября 2023 г.
  31. ^ Вёльц, Ганс Г.; и др. (2006). «Пигменты неорганические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a20_243.pub2. ISBN 978-3527306732.
  32. ^ Welham, NJ (декабрь 1996 г.). «Параметрическое исследование механически активированного карботермического восстановления ильменита». Minerals Engineering . 9 (12): 1189–1200. Bibcode : 1996MiEng...9.1189W. doi : 10.1016/S0892-6875(96)00115-X.
  33. ^ Писториус, ПК (январь 2008 г.), «Плавка ильменита: основы» (PDF) , Журнал Южноафриканского института горного дела и металлургии , 108
  34. ^ "Rio Tinto, Fer et Titane - Products". Rio Tinto Group. Архивировано из оригинала 6 мая 2015 года . Получено 19 августа 2012 года .
  35. ^ Гасик, Майкл, ред. (2013). Справочник по ферросплавам: теория и технология . Лондон: Elsevier. стр. 429. ISBN 978-0-08-097753-9.
  36. ^ Хейс, Тони (2011), Диоксид титана: сияющее будущее впереди (PDF) , Euro Pacific Canada, стр. 5 , получено 16 августа 2012 г.[ мертвая ссылка ]
  37. ^ Хейс 2011, стр. 5.
  38. ^ Исследование USGS 2012, стр. 174
  39. ^ Мерфи, Филипп; Фрик, Луиза (2006). «Титан». В Баркер, Джеймс М.; Когель, Джессика Элзи; Триведи, Нихил К.; Круковски, Стэнли Т. (ред.). Промышленные минералы и горные породы: товары, рынки и использование (7-е изд.). Литтлтон, Колорадо: Общество горного дела, металлургии и разведки. стр. 990–991. ISBN 9780873352338. Получено 23 февраля 2022 г. .
  40. ^ Гютер, В.; Сибум, Х.; Ройдл, О.; Хабаши, Ф.; Вольф, Х (2005). «Титан, титановые сплавы и титановые соединения». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Wiley InterScience. ISBN 978-3-527-30673-2.
  41. ^ Хейс 2011, стр. 3.
  42. ^ "Lac Tio Mine". InfoMine . Получено 16 августа 2012 г.
  43. ^ "TiZir Limited". Mineral Deposits Limited. Архивировано из оригинала 18 августа 2012 года . Получено 16 августа 2012 года .
  44. ^ «Ванадий - AIMR 2011 - Атлас австралийских рудников».
  45. ^ Кракер, Дэн. «Титановый хребет? Прорыв может привести к новому виду добычи в северо-восточной части Миннесоты» . Получено 31 мая 2017 г.
  46. ^ Коротев, Рэнди. 2005 «Лунная геохимия по рассказам лунных метеоритов». Геохимия. Том 65. Страницы 297–346. https://doi.org/10.1016/j.chemer.2005.07.001
  47. ^ Шлютер и Коули. «Обзор методов извлечения кислорода на Луне на месте». Планетная и космическая наука. Том 181. https://doi.org/10.1016/j.pss.2019.104753
  48. ^ Perreault & Patience. «Кинетика восстановления ильменита–CO». Топливо. Том 165. Страницы 166-172. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2015.10.066
  49. ^ Мускателло, Тони. 2017. Презентация «Извлечение кислорода из минералов», лаборатория прикладной химии NASA KSC. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20170001458/downloads/20170001458.pdf