Các ứng dụng quan trọng của TiO2 nano và triển vọng

-Công nghiệp chất màu titan đioxit bao gồm cả công nghệ nano đang tạo ra TiO2 siêu mịn cho những ứng dụng công nghệ cao.
Cuộc cách mạng NANO đang được phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực các khoáng vật như khoáng sét và các khoáng vật độn để tạo nên những vật liệu kích thước nano. Tiềm năng đối với những ứng dụng mới và bề rộng thị trường còn bỏ ngỏ của những thế hệ sản phẩm khoáng vật mới thật sự là điều hấp dẫn cả về phương diện ứng dụng và về giá trị thị trường.

Tại Mỹ, toàn bộ hoạt động nano đã có sự phê chuẩn của Tổng thống. Đầu tháng 12 năm 2003, Tổng thống Mỹ – Bush đã ký sắc lệnh Nghiên cứu và Phát triển công nghệ nano thế kỷ 21. Sắc lệnh này phê chuẩn một ngân sách 3,7 tỉ USD cho các chương trình nghiên cứu và phát triển trong bốn năm được phối hợp giữa một số cơ quan liên bang trong lĩnh vực công nghệ nano.

Những vật liệu nano đã sẵn sàng được sử dụng trong nhiều ứng dụng dân dụng và thương mại. Có thể dự báo mức tiêu thụ khoảng từ 100 đến 150 nghìn tấn vật liệu nano vào năm 2006. Những vật liệu này có các tính chất hóa học, cơ học và vật lý vượt trội so với những vật liệu hạt lớn hơn, vì do có kích thước tinh thể cực kỳ nhỏ và diện tích bề mặt lớn. Những vật liệu thể tích nhỏ, giá trị cao này nói chung được gọi là những sản phẩm kích thước nano, nếu chúng có kích thước hạt giữa 1 và 100 nanomet (nm), mặc dù cũng có người cho là có kích thước nhỏ hơn nữa, giữa 1 và 50 nm (1nm = 10-9 mét).

Chất màu titan đioxit

Công nghiệp chất màu titan đioxit (TiO2) là động lực chủ yếu của ngành khai thác sa khoáng, tiêu thụ lượng lớn nhất ilmenit và leucoxen (4,77 triệu tấn/ năm), rutil (417 nghìn tấn/ năm) và xỉ titan (2,07 triệu tấn/ năm). Khoảng 94% TiO2 được sản xuất để làm chất màu trắng trong sơn, chất dẻo và giấy. Những thị trường không phải là chất màu đối với TiO2 là làm chất độn chức năng, ắc quy titan và hóa chất. Chính trên thị trường chất độn chức năng, TiO2 siêu mịn hay TiO2 nano đang tìm được những ứng dụng thích hợp. Một số ứng dụng đã được phát triển tốt và thậm chí đã chín muồi, trong khi những ứng dụng khác đang được mở ra.

Thị trường lớn về TiO2 trong những năm gần đây đã chịu tổn thất do giá thấp, nhưng sau những tổn thất do dịch SARS vào nửa đầu năm 2003 và chiến tranh ở Irắc, thị trường đã bắt đầu phục hồi trong thời gian còn lại của năm 2003. Nhu cầu toàn thế giới giảm khoảng 3-5% trong năm 2003, mặc dù, châu Á và nhất là Trung Quốc tiếp tục có nhu cầu tăng mạnh. Đa số các nhà sản xuất TiO2 đều dự đoán sự phục hồi mạnh mẽ và nhu cầu thị trường thế giới trong năm 2004 có thể tăng 2-3%.

Sử dụng TiO2 nano
Một trong những thị trường sớm nhất và ngày nay đã chín muồi đối với TiO2 nano là sử dụng để lọc ánh sáng mặt trời. ứng dụng này đã được bắt đầu khoảng 15 năm trước và mức tiêu thụ khoảng 1.100 tấn TiO2/năm. Tuy nhiên, sự phát triển của thị trường này còn đang tiếp diễn. Trong thế hệ mới của những sản phẩm lọc ánh sáng mặt trời và chắn ánh sáng mặt trời, các hạt TiO2 nano tạo thành hàng rào vật lý không nhìn thấy và không cho qua ánh sáng tử ngoại. Những kem và thuốc bôi lông mi chứa TiO2 nano trở nên trong suốt hơn và hiệu quả hơn so với những sản phẩm có trước. Chúng chỉ tác dụng trên bề mặt da, do đó, da không hấp thụ bất kỳ phụ gia nào và cơ thể không đòi hỏi phải phân hủy chúng.

TiO2 nano dùng trong màng phủ ôtô phối hợp với các chất màu kim loại là một ứng dụng khác đã bắt đầu từ trước đây. Nhu cầu trong thị trường này khá lớn và khách hàng có thể lựa chọn được loại màu hợp thời trang.

Có lẽ ứng dụng thương mại quan trọng nhất sắp tới mà hiện nay đã có cơ sở hiện thực là dùng TiO2 nano để sản xuất kính tự làm sạch.

Tiếp theo chương trình nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, năm 2001, nhà sản xuất kính hàng đầu thế giới có cơ sở ở Anh đã phát triển loại kính thông thường với lớp phủ đặc biệt có chứa TiO2 trên mặt ngoài có tác dụng kép độc đáo. Dưới ánh sáng ban ngày, các hạt bụi hữu cơ bám trên bề mặt kính bị phá hủy (do hoạt tính quang xúc tác của TiO2 nano), và nước mưa sẽ rửa trôi đi lớp bụi đó. Sản phẩm này đang được đưa vào cả thị trường nhà ở và thị trường thương mại. Thị trường thương mại đang có chiều hướng tăng trưởng. Hiện nay sản phẩm đang được bán ở Châu âu, Bắc Mỹ, châu Á và Ôxtrâylia…

Hãng công nghiệp sản xuất kính ở Mỹ và Saint Gobain ở Pháp cũng đã phát triển các phiên bản riêng của họ là sản phẩm kính tự làm sạch bằng các lớp phủ TiO2 nano tương tự.

Nhiều công trình tiên phong trong lĩnh vực TiO2 nano đã được thực hiện ở Nhật Bản. Nhà sản xuất lớn nhất, hãng Ishihara Sangyo Kaisha đã đa dạng hóa thành những mức độ siêu mịn cho các ứng dụng điện tử và xúc tác và những quả bóng TiO2 được bán cho công nghiệp mỹ phẩm. Hãng Tayca tập trung phát triển các sản phẩm màu TiO2 siêu mịn và TiO2 quang xúc tác. Những nhà sản xuất khác của Nhật Bản là các hãng Titan Kogyo Kabushika Kaisha và Sakai Chemical đều phát triển TiO2 siêu mịn dựa trên cả anataz và rutil.

Bên ngoài Nhật Bản, đa số các nhà sản xuất TiO2 đều theo hướng R&D (nghiên cứu và phát triển) đối với TiO2 nano đến một mức độ nhất định, trong đó nổi bật là các hãng Millennium Chemicals, Kemira và Sachtleben Chemie.

Hãng Millennium Chemicals

Hãng Millennium Chemicals là hãng sản xuất TiO2 lớn thứ hai trên thế giới. Hãng này sản xuất TiO2 nano tại Thann (Pháp), đây là trung tâm của chương trình phát triển TiO2 siêu mịn. Hãng đã đầu tư 10 triệu USD để tăng công suất ở Thann lên 200% và đã hoàn thành vào đầu năm 2002. Công suất sản xuất ở Thann là 30.000 tấn TiO2/ năm, trong đó, 10.000 tấn/ năm là TiO2 siêu mịn. Hãng Millennium dự định trở thành người dẫn đầu thế giới về TiO2 siêu mịn để ứng dụng trong quá trình khử xúc tác chọn lọc (SCR DeNOx) và xúc tác Claus (dùng để thu hồi lưu huỳnh), ước tính chiếm 35 – 40% thị trường. Nhà máy mở rộng ở Thann tập trung vào phát triển TiO2 để dùng vào sứ điện tử, quang xúc tác, lớp chắn tia tử ngoại, tiền chất cho chất màu và chất hấp thụ đặc biệt.

Đối với những ứng dụng như sản xuất titanat vô cơ cho bột màu và bột sứ điện tử, thì thích hợp hơn là TiO2 với kích thước hạt cỡ bước sóng ánh sáng.

Những sản phẩm chất lượng DT tiêu chuẩn của hãng Millennium là những bột đã được nung và sấy phun. Các sản phẩm DT51 và DT51D được thiết kế đặc biệt cho vật liệu xúc tác. Sản phẩm DT52 có chứa tác nhân chèn WO3 để làm tăng hoạt tính xúc tác. DT58 có độ ổn định nhiệt cao và hoạt tính tốt hơn (rất bền trong khí SO2) nhờ có chèn SiO2 và WO3.

Hãng Kemira Pigments

Hãng Kemira Pigments vận hành nhà máy chất màu TiO2 ở Pori (Phần Lan) và được xếp là nhà sản xuất TiO2 lớn thứ bảy trên thế giới. Công suất sản xuất TiO2 đạt 130.000 tấn/năm vào cuối năm 2003. Ngoài bột màu TiO2 thông thường, nhà máy Pori sản xuất sản phẩm UV-Titan đạt chất lượng TiO2 trong suốt và siêu mịn, có khả năng bảo vệ đối với bức xạ tử ngoại và có hiệu quả đặc biệt khi kết hợp với chất màu kim loại. Sản phẩm UV-Titan được dùng trong các sản phẩm mỹ phẩm khác nhau, các màng chất dẻo (bao gói thực phẩm, nhà kính) và lớp phủ cho ôtô và gỗ.

Năm 2003, hãng Kemira công bố kế hoạch đầu tư 9,4 triệu USD để mở rộng năng lực sản xuất anataz đặc biệt và lắp đặt một hệ thống mới ở Pori, có thể hoàn thành vào tháng 12 năm 2004. Hiện nay, hãng Kemira sản xuất hơn 8.000 tấn bột màu anataz/năm trong khi năng lực sản xuất của hãng là 10.000 tấn/năm. Hãng Kemira đã có công suất sản xuất thương mại đối với TiO2 nano anataz, nhưng vẫn chưa có hoạt động thương mại đối với xúc tác quang hóa, có lẽ phải 5-6 năm tới mới đạt được mục tiêu này. Mặc dù, hiện nay các xúc tác quang hóa TiO2 trên thị trường chỉ mới nhạy với ánh sáng tử ngoại, nhưng hãng Kemira đã phát triển những tinh thể phản ứng được với ánh sáng nhìn thấy, và những kết quả đang được nghiên cứu áp dụng trên thị trường.

Những lĩnh vực hãng Kemira tập trung chú ý gồm thị trường đối với TiO2 hoạt động quang hóa trên bề mặt tự làm sạch, nhất là vật liệu xây dựng. Hướng khác là những hệ thống làm sạch không khí, phân hủy dư lượng thuốc trừ sâu, và làm sạch nước thải của công nghiệp sơn hay nước mưa từ các khe suối. TiO2 hoạt động quang hóa chỉ thực sự có tác dụng trong vùng nước nông, ở chỗ bức xạ ánh sáng tới có thể chiếu lên xúc tác.

Những pin mặt trời tối tân, pin Gratzel, sử dụng anataz, một dạng nhạy với chất màu của TiO2. Đa số các pin mặt trời hiện nay đều sử dụng silic tinh thể hay vô định hình, nhưng đã xác định được rằng những pin dựa trên anataz có thể được sản xuất với giá chỉ bằng 1/5 giá của pin silic.

Lĩnh vực khác được quan tâm nhiều là công nghiệp chất dẻo, ở đây TiO2 nano đã được dùng để sản xuất những vật liệu đặc biệt cho việc bảo vệ khỏi ánh sáng UV trong các nhà kính, bao bì thực phẩm và màng phủ ôtô.

Hãng Sachtleben Chemie

Có cơ sở tại Duisburg, Đức, hãng Sachtleben Chemie vừa kỷ niệm 125 năm thành lập vào năm 2003. Hiện nay hãng đang vận hành nhà máy TiO2 công suất 100.000 tấn/ năm ở Duisburg. Hãng Sachtleben sản xuất hai chủng loại sản phẩm TiO2 chủ yếu, Eusolex dùng trong công thức sản phẩm chống ánh nắng, và Hombitec dùng làm phụ gia trong suốt cho sản phẩm bảo quản gỗ.

Những hạt TiO2 nano của Hombitec bảo vệ các đồ dùng bằng gỗ có màu sáng khỏi những tác dụng làm hóa đen hay vàng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau. Công nghiệp ôtô cũng lợi dụng được những khả năng độc đáo của TiO2 nano. Ví dụ, những hạt cực mịn của Hombitec cho phép đạt được những sắc thái màu mới và hấp dẫn trong sơn và các lớp phủ. Màu sắc luôn thay đổi phụ thuộc vào góc ánh sáng chiếu tới.

Trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, TiO2 nano Hombikat được dùng làm xúc tác trong các nhà máy phát điện lạnh và trong ôtô có thể phân hủy tối đa các nitơ oxit phát ra từ quá trình cháy nhiên liệu. Cả những phản ứng phân hủy xúc tác quang hóa, ví dụ, trong xử lý nước, cũng như những phản ứng trùng ngưng và đồng phân hóa lựa chọn trong tổng hợp hữu cơ là một phần trong lĩnh vực ứng dụng rộng rãi của xúc tác quang hóa Hombikat UV100.

Hãng Altair Technologies

Hãng Altair Technologies có cơ sở ở Nevada là một trong những người tiên phong phát triển các hạt nano. Hãng đã đăng ký bằng sáng chế quá trình sản xuất TiO2 kích thước nano vào năm 2002 và đã bắt đầu sản xuất sản phẩm chất màu TiO2 nano.

Hãng Altair độc quyền ba bằng sáng chế: về TiO2 nano, về chế biến ilmenit thành TiO2 và về thủy phân gắn với quá trình ilmenit. Quá trình ilmenit đã được phát triển trở thành giá thấp hơn và thân môi trường hơn so với những quá trình sunfat và clorua truyền thống. Cải tiến giai đoạn thủy phân phun của quá trình ilmenit của hãng Altair là chìa khóa để phát triển quá trình TiO2 nano.

Hiện nay hãng Altair đang phát triển những vật liệu nano đặc biệt, có những ứng dụng tiềm năng trong ngành dược, xử lý môi trường, ắc quy cao cấp, pin nhiên liệu và sơn phun bằng gia nhiệt. Các vật liệu hạt nano đang được sản xuất và bán từ cơ sở sản xuất TiO2 nano công suất 200 tấn/ năm đặt tại Reno, Nevada.

Công ty Degussa

Công ty Degussa của hãng Dusseldorf đã tăng cường hoạt động công nghệ nano của mình bằng cách chuyển Trung tâm dự án vật liệu nano trước đây thành Công ty Degussa Advanced Nanomaterials hoạt động độc lập. Đơn vị mới phải sản xuất những vật liệu nano mới và tiến vào những hoạt động kinh doanh mới trong một thị trường hấp dẫn.

Ban lãnh đạo của Công ty Degussa Advanced Nanomaterials đóng tại Công viên Công nghiệp Hanau – Wolfgang. Công ty hiện đang sử dụng một đội ngũ gồm 20 người nhằm khẳng định mình như một thực thể kinh doanh có lãi bằng những sản phẩm mới kể cả TiO2 nano vào năm 2006. Công ty liên doanh Degussa Creavis Technologies & Innovation và Degussa Aerosil & Silanes Business Unit đang cung cấp đến 25 triệu Euro trong bốn năm tới để thúc đẩy đạt đến mục đích đó.

Những sản phẩm đầu tiên mà Công ty Degussa Advanced Nanomaterials tung vào thị trường là các oxit cỡ hạt nano, như kẽm oxit, ceri oxit và inđi – thiếc oxit cho những ứng dụng trong mỹ phẩm, điện tử, quang học, công nghiệp sơn phủ. Công ty Degussa Advanced Nanomaterials sẽ phát triển những sản phẩm phù hợp với thị hiếu của khách hàng phối hợp với những công ty hàng đầu trong những thị trường mục tiêu này. Những vật liệu nano mới thêm nữa là nhằm vào lĩnh vực đường ống dẫn dầu.