تیتانیوم، یکی از ارزشمندترین فلزات مهندسی، به‌رغم فراوانی در پوسته زمین، یکی از دشوارترین و پرهزینه‌ترین فلزات برای استخراج محسوب می‌شود. برخلاف فلزاتی مانند آهن یا مس که استخراج و پالایش نسبتاً ساده‌تری دارند، فرآیند به‌دست آوردن تیتانیوم خالص، شامل مراحل پیچیده‌ای است که به فناوری پیشرفته، انرژی بالا و مواد شیمیایی خاص نیاز دارد. در این مقاله، به بررسی کامل و دقیق روش‌های استخراج تیتانیوم، از معدن تا فلز خالص می‌پردازیم.

تیتانیوم در طبیعت چگونه یافت می‌شود؟

تیتانیوم به‌صورت آزاد در طبیعت وجود ندارد، بلکه به‌صورت ترکیبات معدنی در کانی‌هایی نظیر روتیل (TiO₂)، ایلمنیت (FeTiO₃) و لکوکسن یافت می‌شود. این کانی‌ها در رسوبات ساحلی و پوسته زمین، به‌ویژه در کشورهای استرالیا، هند، چین، کانادا و آفریقای جنوبی استخراج می‌شوند.

مراحل استخراج تیتانیوم از معدن تا فلز

فرایند کلی استخراج تیتانیوم را می‌توان به سه مرحله اصلی تقسیم کرد:
۱. فرآوری اولیه (جداسازی کانی‌ها)
۲. تبدیل به دی‌اکسید تیتانیوم یا کلرید تیتانیوم
۳. احیای شیمیایی و تولید فلز خالص

در ادامه به توضیح هر مرحله می‌پردازیم:

۱. فرآوری اولیه: غنی‌سازی کانسنگ

در این مرحله، ابتدا سنگ معدن تیتانیوم (ایلمنیت یا روتیل) از معادن سطحی استخراج می‌شود. سپس با استفاده از فرایندهای فیزیکی مانند جداسازی ثقلی، جداسازی مغناطیسی و شناورسازی، ناخالصی‌ها حذف و کنسانترهٔ تیتانیوم به‌دست می‌آید.

• در مورد ایلمنیت، به‌دلیل وجود آهن، جداسازی پیچیده‌تر است.

• روتیل خالص‌تر بوده و استخراج آن ساده‌تر و پرکاربردتر در صنعت است.

۲. تبدیل به کلرید تیتانیوم (TiCl₄)

در این مرحله، کنسانترهٔ حاصل با استفاده از فرآیند کلرینه کردن به چهارکلرید تیتانیوم (TiCl₄) تبدیل می‌شود. این واکنش معمولاً در حضور کلر گازی (Cl₂) و کربن (زغال‌سنگ یا کک) در دمای حدود ۹۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود:

FeTiO₃ + Cl₂ + C → TiCl₄ + FeCl₂ + CO

چهارکلرید تیتانیوم یک مایع فرّار و بی‌رنگ است که به‌راحتی تقطیر شده و ناخالصی‌ها از آن جدا می‌شود. این ماده، پیش‌ساز اصلی برای تولید فلز تیتانیوم و همچنین رنگ‌دانهٔ سفید در صنعت رنگ‌سازی است.

۳. فرآیند کرول (Kroll Process): تبدیل TiCl₄ به فلز خالص

تا به امروز، فرآیند کرول رایج‌ترین روش صنعتی برای تولید فلز تیتانیوم است. این روش در دههٔ ۱۹۴۰ توسط ویلهلم کرول توسعه یافت و همچنان استاندارد اصلی صنعت به‌شمار می‌رود.

مراحل فرآیند کرول:

1. احیای TiCl₄ با منیزیم فلزی (Mg)
   در این واکنش، TiCl₄ با منیزیم در دمای حدود ۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد واکنش می‌دهد:

   TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂

2. جمع‌آوری تیتانیوم اسفنجی (Titanium Sponge)
   محصول نهایی به‌صورت تیتانیوم اسفنجی است؛ فلزی متخلخل که برای خالص‌سازی بیشتر به ذوب مجدد نیاز دارد.

3. جدا کردن منیزیم کلرید و ناخالصی‌ها
   با استفاده از خلأ یا فرایندهای تقطیری، MgCl₂ باقی‌مانده جدا می‌شود.

4. ذوب تیتانیوم و شکل‌دهی نهایی
   اسفنج حاصل، پس از ذوب در کوره‌های مخصوص (اغلب ذوب قوسی تحت خلأ) به شمش یا شکل‌های اولیه صنعتی تبدیل می‌شود.

روش‌های جایگزین در حال توسعه

فرایند کرول علی‌رغم دقت بالا، هزینه‌بر و زمان‌بر است. به همین دلیل، پژوهشگران به‌دنبال روش‌های ساده‌تر و ارزان‌تر برای تولید تیتانیوم هستند. برخی از این روش‌ها عبارت‌اند از:

• فرآیند فِس (FFC Cambridge): احیای مستقیم TiO₂ در الکترولیت مذاب با استفاده از جریان الکتریکی.

• احیای پلاسمایی: استفاده از پلاسما برای حذف اکسیژن از دی‌اکسید تیتانیوم.

• فرایند تولید پودر تیتانیوم: برای چاپ سه‌بعدی فلزات و صنایع پیشرفته.

این روش‌ها هنوز به مرحله صنعتی گسترده نرسیده‌اند اما نویدبخش آینده‌ای با هزینه کمتر و کارایی بالاتر هستند.

چالش‌های اقتصادی و زیست‌محیطی استخراج تیتانیوم

فرآیندهای استخراج تیتانیوم بسیار انرژی‌بر و پیچیده‌اند. مصرف بالای انرژی، تولید گازهای گلخانه‌ای و وابستگی به مواد شیمیایی خطرناک از جمله کلر، از چالش‌های زیست‌محیطی این صنعت محسوب می‌شود. همچنین قیمت تمام‌شدهٔ بالای فلز تیتانیوم باعث شده تا استفاده از آن محدود به صنایع خاص و استراتژیک شود.

جمع‌بندی

استخراج تیتانیوم، یکی از پیشرفته‌ترین فرآیندهای متالورژی مدرن است که با وجود فراوانی منابع، به‌دلیل پیچیدگی شیمیایی، نیازمند فناوری بالا و هزینه بالاست. از استخراج کانی تا تولید تیتانیوم اسفنجی، هر مرحله به دقت و مهندسی خاصی نیاز دارد. با توسعه روش‌های نوین و تلاش برای بهینه‌سازی مصرف انرژی، آینده‌ای درخشان برای تولید ارزان‌تر و پایدارتر تیتانیوم پیش‌بینی می‌شود.