TİTANYUM
Titanyum metal ve alaşımları üstün fiziksel ve kimyasal özellikler gösterir. Ancak elde edilmesi, işlenmesi çok zor ve pahalı olduğundan metal olarak kullanımı özel alanlarla sınırlıdır. Titanyum mineralleri, boya, plastik ve kağıt endüstrilerinde kullanılan titanyum dioksit pigmentinin eldesinde, uzay ve uçak endüstrilerinde, savaş sanayinde, kimya ve elektrokimya endüstrilerinde kullanılan stratejik öneme sahip bir hammaddedir.
Nadir bir element olarak bilinen titanyum, aslında yerkabuğunda en çok bulunan 6. elementtir. Ancak özel jeolojik koşullarda ve çok seyrek olarak yataklanmaktadır. Ekonomik öneme sahip titanyum mineralleri rutil ( TiO2 ) ve ilmenit ( FeTiO3 ) tir. Titanyum cevheri, kayaçlardan (primer yataklar) ve plaserlerden (ikincil yataklar) elde edilmektedir.
Primer titanyum yatakları likid magmasal evrede oluşur. Anortozitlerle sıkı ilişkilidir. Dünyada bu tip yatakların zaman zaman işletildiği bilinmektedir. Ancak ekonomik açıdan fazla önemleri yoktur. Sekonder yataklar ise plaserler şeklinde sahil kumlarında ve akarsu deltalarında oluşurlar. Kimyasal ve fiziksel açıdan dayanıklı, özgül ağırlığı yüksek olan titanyum mineralleri plaser tipi yatak oluşturmaya çok uygundur. Rutil ve ilmenit mineralleri genel olarak monozit, zirkon, garnet, ve manyetit gibi ağır minerallerle birlikte sahil kumlarında yataklanır. Avustralya da çok zengin ve geniş yayılımlı plaser tipi yataklar vardır.
Genel Müdürlüğümüz önceki yıllarda ülkemiz genelinde titanyum arama projeleri yürütmüştür. Ancak günümüz koşullarında ekonomik olarak işletilebilir boyutlu ve kaliteli primer veya sekonder titanyum yatağı bulunamamıştır. Ülkemiz titanyum gereksinimini tamamen ithalatla karşılamaktadır. Ülkemizde titanyum daha çok pigment olarak boya, plastik ve seramik sektörlerinde kullanılmaktadır. Titanyum cevherlerinden sülfat ve klorit yöntemleri ile TiO2 elde edilir. Daha eski olan sülfat yöntemi aşırı çevre kirliliğine neden olur. Klorit yöntemi ise çok yüksek tenörlü cevher gerektirmektedir.
Dünya'da pek çok ülkede zengin titanyum yatakları vardır. Ancak rezervleri konusundaki bilgiler sınırlıdır. Dünyanın önemli titanyum yataklarına sahip ülkeleri; Çin, Avusturalya, Kanada, Hindistan, Güney Afrika, Norveç, Ukrayna, Birezilya, ABD, Vietnam, Mozambik ve Sri Lanka’dır. Dünyada günümüzde titanyum cevheri üretiminde, TiO2 eldesi ve arzında herhangi bir sorun yoktur. Mevcut rezervler dünya gereksinimini uzun süre karşılamaya yetecek düzeydedir. Ancak mevcut teknolojilerin karmaşık olması nedeni ile ürün fiyatları yüksektir. Fiyatların yüksekliği de tüketimi ve kullanım alanlarını sınırlamaktadır.
Titanyum, periyodik cetvelin 4. alt gurubunda yer alan, çok sert, gümüşi beyaz renkli, parlak bir elementtir. Ergime noktası 1660°C, kaynama noktası 3287°C, özgül ağırlığı 4,5, atom numarası 22, atom ağırlığı 47,9 dur. Metal halinde kuvarsı çizecek kadar sert ve kırılgandır. Isı ve elektrik iletkenliği demire oranla düşüktür. Kimyasal maddelere karşı dayanıklıdır. Bu üstün metalik özelliklerine karşın cevher üretiminin çoğu metale indirgenmeden titanyum oksit şeklinde kullanılır. En önemli titanyum mineralleri; rutil , ilmenit, anataz, brukit, sfen, perovskit, ve titanomanyetittir. Ancak rutil, ilmenit ve anatas ticari öneme sahiptir.
Rutil ( TiO2 ) titanyum dioksitin yüksek ısı ve basınç polimorfudur. Koyu kırmızı, kızıl kahverengi, bazen siyah renklidir. Mohs sertliği 6-6,5, özgül ağırlığı 4,2-4,3 gr/cm3 tür. Kolay kırılır, metalimsi elmas parıltılıdır. Saf rutil minerali % 90-95 TiO2 içerir.
İlmenit ( FeTiO3 ) siyah renkli, manyetik duyarlılığı yüksek bir mıneraldir. Mohs sertliği 5-6, özgül ağırlığı 4,7-4,8 gr/cm3 tür. Metalik ve yarı metalik cilalıdır, kuvvetli anizotroptur. HCl ve HF asitlerde erir. Yüksek TiO2 içerikli altere ilmenitlere lökoksen de denir.
Anatas ( TiO2 ) Sarı-kahve ve mavimsi renklidir. Mohs sertliği 5,5-6 özgül ağırlığı 3,8-4 gr/cm3 tür. Çizgi rengi beyazdır.
Titanyumun iki ana kullanım alanı bulunmaktadır;
A-Metal ve alaşımları
B-Oksit ve diğer bileşikleri
Titanyum metali üstün fiziksel ve kimyasal özellikleri olan pahalı, işlenmesi zor ve hafif bir metaldir. Ancak alternafinde başka bir metal olmadığı alanlarda kullanılır. Bu nedenle; uzay aracı, uçak ve füze yapımında yeri doldurulamaz bir metaldir. Yüksek hız, titreşim ve yüksek ısının söz konusu olduğu araç parçalarında, motor türbin kanatlarında çok kullanılır. Tuz, asit ve diğer kimyasal maddelere karşı çok dayanıklıdır. Bu nedenle de denizaltı gövdelerinde, aşındırıcı kimyasal madde üreten fabrikaların bazı bölümlerinde kullanılmaktadır. Titanyumun nikel ile yaptığı nitinol adlı alaşımının bellek yeteneği vardır. Bu alaşımdan yapılan bir nesnenin şekli bozulup ısıtıldığında tekrar eski halini almaktadır. Günümüzde nitinol, tıp ve uzay sanayinde kullanım alanı bulmaktadır. Dünyada üretilen titanyum cevherinin yaklaşık % 6’ sı titanyum metal endüstrisinde kullanılmaktadır.
Titanyum oksit, şu anda bilinen en beyaz boya pigmentidir. Titanyum beyazı adı altında boya endüstrisinde geniş çapta kullanılır. Günümüzde dünyada üretilen titanyum cevherinin yaklaşık %91’ i pigment endüstrisinde tüketilmektedir. Bu sektörde kullanılan çinko oksit ve kurşun oksitten daha opaktır. Titanyum pigmenti diger pigmentlerle karıştırıldığında opaklığını kaybetmez. Bunun dışında titanyum oksitler kozmetik endüstrisi, linolyum (muşamba), yapay ipek, beyaz mürekkep, renkli cam, seramik sırı, deri ve kumaş boyanması ve kağıt endüstrisi gibi pekçok alanda da kullanılmaktadır. Bu kadar çok kullanım alanları olmasına karşın, üretilen tüm titanyum oksit pigmentinin % 57 si boya endüstrisi tarafından tüketilir.
Plastiklerde titanyum oksit pigmenti, matlık sağlar ve ultraviole ışınlarına karşı bariyer oluşturur. Polietilen eşya ve vinil pencere çerçevelerinde ürün ağırlığının %3-25 oranlarında titanyum oksit pigmenti kullanılmaktadır. Titanyum oksit pigmenti, kağıt ürünlerinde dolgu ve kaplama maddesi olarak kullanılır. Kuru kağıtta % 5 den az oranda bulunur. Kağıt endüstrisinde, daha az aşındırıcı olması nedeniyle anatastan üretilen pigment tercih edilir. Titanyum oksit pigmentinin % 17 si plastik % 15 i de kağıt endüstrisinde kullanılmaktadır. Titanyumun ana kullanım alanlarından biri de kaynak elektrotları yapımıdır. Rutil ve ilmenit elektrik ark kaynaklarında kullanılan elektrotlarda örtü malzemesi olarak kullanılmaktadır. Titanyum cevher üretiminin yaklaşık % 3’ü bu alanda tüketilmektedir.
Diğer titanyum bileşiklerinden titanklorit, kumaşların rengini ağartmada; tetraklorit yapay sis eldesinde; titanyum karpit, aşındırıcı olarak kullanılır.
Primer ve plaser tipi titanyum yataklarında genellikle açık işletme madencilik yöntemi uygulanır. Deniz tabanındaki cevherli kumlar, kovalı tarama gemisi veya kum süpürme makinaları ile çıkarılır. Akarsu ve kıyı plaserleri ise yıkama ve eleme tesislerinde işlemden geçirilir, kum ve çakıl birbirinden ayrılır. Çeşitli biçimlerde çıkartılan cevher klasik yöntemlerle zenginleştirilir. Öğütme, gravite, kostik işlemle yüzey kili ve demiroksitin ayrılması, yaş ve/veya kuru elektrostatik seperasyon, flotasyon, süzme, yıkama, kurutma gibi işlemler uygulanır. Elde edilen konsantre; rutil, ilmenit ve titanlı manyetit minerallerinden birisidir. Bu ürünlerden de TiO2 pigmenti elde edilir. Bu işlem iki yöntemle yapılır:
1.Sülfat yöntemi
2.Klorit yöntemi
Sülfat yönteminde, % 45-65 TiO2 içeren ilmenit veya % 70-72 TiO2 içeren curuf kullanılmaktadır. Titanyumlu curuf, genellikle, demiri bol ilmenitlerin elektrotermal yöntemle ergitilerek demirin ayrıştırılması ile elde edilir. Eldeki cevher sülfürik asitle çözülerek titanil sülfat ve demir sülfat açığa çıkarılır. Titan hidrolizle çökertilir. Yıkanıp filtre edildikten sonra TiO2 elde etmek için kalsinize edilir. Demir sülfat atık olarak çıkar.
Klorit yönteminde ise kullanılan cevherin TiO2 içeriğinin çok yüksek, CaO içeriğinin maksimum % 2 ve MgO içeriğinin de maksimum % 1 olması gerekir. Bu da rutil ve sentetik rutildir. Sentetik rutil; yüksek kaliteli ilmenitten redüksiyon yoluyla, kimyasal olarak TiO2 dışındaki maddelerin ayrıştırılması ile elde edilir. Daha sonra bu yüksek tenörlü cevherden 850-950o C de petrol kokuyla ve klor gazıyla işlenerek titanyum tetraklorür üretilir. Bundan da atmosferik ortamda ya da oksijen ortamında kalsinasyonla TiO2 elde edilir. Yan ürün olarak klorik asit ve klor çıkar. Du Pont firmasının geliştirdiği klorit yöntemi esaslı bir yöntem daha vardır. Bunda daha düşük tenörlü cevherler kullanılabilmektedir. Ancak daha fazla atık madde çıkmaktadır. İki yöntemde de üretilen titanyum pigmenti birbirinin yerine kullanılabilmektedir. Kristal yapısı rutilden daha gevşek olan anatas, yalnızca sülfat yönteminde kullanılmaktadır. Dolayısıyla bundan elde edilen pigment daha yumuşaktır.