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Titandioxid



Mineralien und aus Mineralien gewonnene Erzeugnisse werden seit Jahrtausenden von der Menschheit verwendet. Salz, Metalle, Edelsteine, Kieselgur oder aus Mineralien gewonnene Farbpigmente sind nur einige Beispiele. Auch die Kosmetikindustrie profitiert von Mineralien; vor allem im Sommer ist Titandioxid ein mehr oder weniger täglicher Begleiter.

Titandioxid-Mineralien

Titandioxid (TiO2) kommt in der Natur in Form von drei Mineralien vor, die sogenannten Titandioxid-Modifikationen.

  1. Rutil
  2. Anatas
  3. Brookit
Rutil
Rutilnadeln eingelagert in Bergkristall


Rutil

Der Name Rutil stammt aus dem Lateinischen und geht auf Abraham Gottlob Werner (1749 bis 1817) zurück. Der deutsche Mineraloge bezog sich bei der Namensfindung auf die rote Farbe des Minerals.
Rutil ist ein Oxidmineral mit der chemischen Zusammensetzung TiO2.
Neben rot kann Rutil auch von gelber, braungelber, rotbrauner, violetter, blauer oder schwarzer Farbe sein. Die Strichfarbe ist gelbbraun.
Das Mineral bildet dem tetragonalen Kristallsystem folgend langprismatische, pyramidale Kristalle, die zu Zwillingen und Viellingen miteinander verwachsen können.
Rutil weist einen metallischen bis diamantartigen Glanz auf, die Transparenz ist durchsichtig bis durchscheinend. Der Bruch von Rutil ist muschelig bis uneben, die Spaltbarkeit ist vollkommen. Die Mohshärte beläuft sich auf 6 bis 6,5 bei einer Dichte von 4,18 bis 4,25 g/cm³.
Rutil ist ein wichtiges Mineral, insofern dass die Kristalle einen bis zu 60 %-igen Gehalt an Titan aufweisen. Daneben werden Mineralien mit Rutileinschlüssen (z.B. Rutilquarz, Sternsaphir, Sternrubin) zu Schmuck verarbeitet.


Anatas

Das Mineral Anatas wurde im Jahr 1738 in St. Christophe-en-Oisans in Frankreich entdeckt und erhielt aufgrund doppelpyramidalen, langgestreckten Kristallen den aus dem Griechischen stammenden Namen Anatas.
Genau wie Rutil besteht Anatas aus TiO2.
Anatas in der Reinform ist farblos; durch Beimengungen anderer Elemente ist das Oxidmineral von hellgelber, rotbrauner, blauer oder schwarzgrauer Farbe (daher früher unter dem Alternativnamen indigoblauer Schörl bekannt) bei weißer Strichfarbe.
Das Mineral kristallisiert dem tetragonalen Kristallsystem folgend und bildet pyramidale oder tafelige Kristalle.
Anatas zeichnet sich durch einen metalischen bis diamantartigen Glanz bei durchsichtiger bis durchscheinender Transparenz aus. Der Bruch von Anatas ist spröde und halbmuschelig, die Spaltbarkeit ist vollkommen. Mit einer Mohshärte von 5,5 bis 6 zählt Anatas zu den mittelharten Mineralien, die Dichte beträgt 3,8 bis 3,97 g/cm3.
Die wirtschaftliche Bedeutung von Anatas liegt vor allem in der Verwendung als Photokatalysator, Lebensmittelfarbe unter der E-Nummer E 171 und als Rohstoff in der Herstellung für Glas und Porzellan begründet.


Brookit

Namenspate von Brookit ist der englische Mineraloge Henry James Brooke (1771 bis 1857), der das Mineral 1825 in Gwnedd am Snowdon in Wales entdeckte.
Die Farbe des dritten Titandioxid-Minerals variiert zwischen gelbbraun, rotbraun, braun bis schwarz bei hellgelber bis gelbgrauer Strichfarbe.
Brookit kristallisiert dem orthorhombischen Kristallsystem folgend. Die Kristalle zeichnen sich durch eine prismatische, tafelige und pyramidale Form auf und sind dabei mit vertikal verlaufenden Riefen versehen.
Die Transparenz des Minerals ist durchsichtig bis undurchsichtig, der Glanz ist ebenso metallisch bis diamantgleich wie bei Anatas und Rutil. Brookit weist einen unebenen bis halbmuscheligen Bruch sowie eine undeutliche Spaltbarkeit auf. Die Mohshärte beträgt 5,5 bis 6, die Dichte beläuft sich auf 4,1 bis 4,2 g/cm³.
Von allen Titandioxid-Mineralien ist Brookit das seltenste, weshalb Brookit weniger von wirtschaftlicher Bedeutung ist.


Gewinnung von Titandioxid

Aufgrund des hohen Bedarfs an Titandioxid werden neben Titandioxid-Mineralien auch andere titanhaltige Mineralien und titandioxidhaltige Schlacken verwendet, um daraus Titandioxid zu gewinnen.
Das Mineral, aus dem Titandioxid am häufigsten extrahiert wird, ist Ilmenit (FeTiO3). Ilmenit ist ein häufig vorkommendes Mineral, an dessen chemischer Zusammensetzung Eisen beteiligt ist. Für industrielle Zwecke ist jedoch reines Titandioxid gewünscht, das ohne Beimengungen anderer Elemente auskommt.
Die beiden Verfahren, die zur Gewinnung von Titandioxid zum Einsatz kommen, sind das Sulfatverfahren sowie das Chloridverfahren.
Beide Verfahren setzten zunächst die Zerkleinerung und Reinigung des titanerzhaltigen Materials voraus. Dies erfolgt mittels Flotation in einem Wasserbecken, in das zusätzlich Hilfsstoffe (u.a. Schaumbildner, ph-Regler, Flockungsmittel) eingetragen werden und Luft eingeblasen wird. Durch die Luftzufuhr entsteht ein titandioxdihaltiger Schaum auf der Wasseroberfläche, der abgeschöpft wird.

In den anschließenden Schritten wird jener Schaum so aufbereitet, dass reines Titandioxid entsteht und die im Ilmenit vorhandenen Eisengehalte entfernt werden.

Seit 1919 wird das Sulfatverfahren zur Gewinnung von Titandioxid angewendet. Die Bestandteile des vorab getrockneten Schaum werden zermahlen und mit konzentrierter Schwefelsäure versetzt. Infolge chemischer Reaktionen entsteht Eisensulfat und Titansulfat als Feststoff. Danach folgt das sog. Kochen in Wasserkesseln mit dem Ergebnis, dass sich Titansulfat in Titanoxidhydrat umwandelt. Im letzten Schritt wird das Produkt bei 800 bis 1000 °C im Offen geglüht, sodass der Kristallwasseranteil flüchtig wird und Titandioxid vorliegt.

Alternativ kommt das Chloridverfahren zum Einsatz, bei titanhaltiges Erz mit Koks (= kohlenstoffhaltiger Brennstoff) mit Chlorgas vermengt wird und im Ofen auf Temperaturen bis 1000 °C erhitzt wird. Dabei kommt es zur Reaktion des Chlors mit dem Titanoxid des Erzes und den Reaktionsprodukten Kohlenstoffdioxid und Titantetrachlorid (TiCl4) sowie wasserlösliches Eisen(II)-Chlorid. Das entstandene Titanchlorid wird mehrmals durch Kondensation von Fremdstoffen gereinigt und final im Ofen mit zugesetztem Sauerstoff erhitzt, wodurch am Ende Chlor und Titandioxid entsteht.


Eigenschaften von Titandioxid

Dass Titandioxid ein wichtiger Stoff im Alltag ist, wird mit den Eigenschaften des kristallinen Feststoffs begründet.

  • kostengünstige Herstellung
  • ungiftig
  • nicht schädlich für Gewässer
  • wasserunlöslich
  • säuren- und basenbeständig (Ausnahme: hochkonzentrierte Schwefelsäure)
  • hitzebeständig bis 1855 °C

Eine hohe Bekanntheit erlangte Titandioxid in den vergangenen Jahr im Zusammenhang mit Sonnenschutz und UV-Filtern. Feinst pulverisierte Partikel von Titandioxid, die im Größenbereich von 10 bis 60 nm (= Nanobereich) liegen, haben sich als mineralischer Sonnenschutz vor UV-A- und UV-B-Strahlung etabliert. Begründet wird der Schutz vor UV-Strahlung mit dem hohen Brechungsindex von Titandioxid. Das auf Titandioxid-Nanopartikel treffende Licht wird effektiv gestreut und reflektiert. Zudem sind die Nanopartikel auf Titandioxid-Basis photostabil, d.h., diese werden nicht infolge der Sonneneinstrahlung zersetzt. Die Hersteller von titandioxidhaltigen Sonnencremes werben ferner mit der guten Verträglichkeit und dem nicht vorhandenen Allergiepotential von Titandioxid.
Trotz der Vorteile steht Titandioxid in der Debatte, ein Krebsauslöser zu sein. Klinische Untersuchungen haben ergeben, dass das Krebspotential abhängig vom Aufnahmepfad ist. Pulverisiertes Titandioxid, das eingeatmet wird, birgt ein potentielles Risiko. Titandioxid, das in Trägersubstanzen wie Creme, Farbe oder Pasten eingearbeitet ist, nicht. In verschiedenen Test wurde nachgewiesen, dass Titandioxid nur in die oberste Hautschicht eindringt.


Verwendung von Titandioxid

Titandioxid ist ein vielfältig genutzter Rohstoff.
In der Malerei ist Titandioxid schon lange bekannt und hat sich als hochdeckendes, weißes Pigment bewährt, das auch um zum Abtönen anderer Farben genutzt wird einhergehend mit einer höheren Deckkraft der Farbe. Ferner wird das Titandioxid als weißes Pigment Kunststoffen und Lacken zugesetzt.
Ebenso ist Titandioxid in einigen Lebensmitteln und Süßwaren wie Bonbons, Zuckerglasuren und Kaugummis enthalten.
Auch die Kosmetikbranche setzt auf Titandioxid. Make-up (z.B. Mineral Make-up), Puder und Lidschatten beinhalten mitunter Titandioxid, genau wie Zahnpasta und Sonnencreme. Weitere Einsatzgebiete von Titandioxid sind die Textilbranche (z.B. Sonnenschutzkleidung). Ob ein Produkt Titandioxid enthält, lässt sich anhand verschiedener Bezeichnungen herausfinden. In Cremes, Puder und Lotionen findet sich Titandioxid unter dem englischen Namen Titanium Dioxide. Alternativ werden die Begriffe C.I. Pigment White 6, C.I. 77891, Titanweiß oder im Lebensmittelbereich E171 angegeben.


Siehe auch:
Mineralische Kakteenerde
Lavaerde, Ghassoul und Wascherde
Babypuder


Quellen:
Medenbach, O.; Sussieck-Fornefeld, C.; Steinbach, G. (1996): Steinbachs Naturführer Mineralien. 223 Artbeschreibungen, 362 Farbfotos, 250 Zeichnungen und 30 Seiten Bestimmungstabellen. Mosaik Verlag München*
Pellant, C. (1994): Steine und Minerale. Ravensburger Naturführer. Ravensburger Buchverlag Otto Maier GmbH*
Bauer, J.; Tvrz, F. (1993): Der Kosmos-Mineralienführer. Mineralien Gesteine Edelsteine. Ein Bestimmungsbuch mit 576 Farbfotos. Gondrom Verlag GmbH Bindlach*
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Letzte Aktualisierung: 9. Dezember 2018

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