Innovative approaches to the production of titanium(iv) oxide nanopowders from secondary raw materials/

Abstract

Овај рад представља нови приступ синтези нано праха титанијум(IV) оксида или комерцијално познатијег као титанијум диоксид (TiO₂) из индустријског отпада, конкретно црвеног муља и остатка производње титанијум диоксида (тионита). Истраживање се фокусира на развој еколошки одрживог и економски исплативог процеса који искоришћава висок садржај титанијума у овим токовима отпада. Процес синтезе је подијељен у три фазе. У почетку, црвени муљ пролази кроз редукцију угљеником и водоником како би се уклонили оксиди гвожђа, при чему се добија шљака богатија са свим осталим елементима укључујући и титанијумом и метална фаза богата гвожђем. Ова шљака, заједно са тионитиом се подвргава киселом лужењу у другој фази како би се произвео титанијум оксисулфат. Добијени раствор се чисти солвентом екстракцијом како би се уклониле нечистоће и добио чист раствор титанијум оксисулфата. У последњој фази, прочишћени раствор се користи за синтезу нано праха титанијум диоксида преко ултразвучне спреј пиролизе са редукцијом водоником. Овај метод омогућава прецизну контролу над својствима нано праха, чинећи га погодним за разне примјене. Истраживање демонстрира перспективан начин преласка отпада у ресурсе, пружајући потенцијални пут за производњу TiO2 нано праха, уз рјешавање еколошких изазова које представља одлагање црвеног муља и тионита. Представљене су детаљне анализе ефикасности процеса, карактеристика материјала и скалабилности, истичући потенцијални утицај методе на управљање отпадом.

This thesis presents a novel approach to the synthesis of titanium dioxide (TiO₂) nanopowder from industrial waste materials, specifically red mud and titanium dioxide production residue (tionite). The focus of the research is the development of an environmentally sustainable and economically viable process that prioritizes the high titanium content in these waste streams. This thesis is divided into three key parts. Firstly, red mud is reduced with carbon or hydrogen in order to remove iron oxides, producing a titanium-rich slag and an iron-rich metal phase. That slag, along with tionite, in the second step, is subjected to sulfuric acid leaching in order to produce a titanium oxysulfate solution. The resulting leachate is purified using solvent extraction to remove impurities obtaining a clean titanium oxysulfate solution. In the final step, purified solution is processed via ultrasonic spray pyrolysis with hydrogen reduction, leading to the formation of TiO₂ nanopowder. This method produces fine spherical nanoparticles with precise control of their properties, making them suitable for various value applications. This research demonstrates the feasibility and great opportunity for a waste-to-resource approach, providing a potential path for the industrial-scale production of TiO₂ nanopowder while addressing very important environmental challenges posed by red mud and tionite disposal. Detailed analyses of whole process, the dependence of process parameter change, material characteristics, and the possibility of application are presented with the highlight on sustainability and proper waste management.