Herstellung und Verwendung von Antimontrioxid

Antimony trioxide formula

Antimontrioxid (Sb2O3) ist ein weißes kristallines Pulver mit einer Molmasse von 291,52 g/mol und einem Schmelzpunkt von 656 °C. Es gibt zwei Formen: Senarmontit (unter 570 °C) und Valentinit (über 570 °C).

Senarmontit hat eine Dichte von 5,25 g/cm3, während Valentinit eine Dichte von 5,7 g/cm3 hat. Antimontrioxid ist in Säuren und Laugen löslich.

Inhaltsverzeichnis

1. Herstellung von Antimontrioxid

Antimontrioxid kann durch Rösten von Antimontrisulfid, Verbrennen von Antimon in einer sauerstoffreichen Umgebung oder Hydrolysieren von Antimonhalogeniden oder Antimontrisulfid hergestellt werden.

production of antimony trioxide

1.1. Rösten von Antimonsulfid

Antimontrioxid (Sb2O3) kann aus Sulfidverbindungen durch zwei Methoden hergestellt werden: flüchtiges Rösten und nichtflüchtiges Rösten. Beim verflüchtigenden Rösten entsteht flüchtiges Sb2O3, das vom Rückstand abgetrennt werden kann. Beim nichtflüchtigen Rösten entsteht nichtflüchtiges Sb2O4, das mit dem Rückstand vermischt bleibt.

Die Verflüchtigungsröstung ist die bevorzugte Methode, da sie ein reineres Produkt ergibt. Allerdings ist es schwieriger, die Temperatur und den Zug im Ofen während dieses Prozesses zu kontrollieren.

Die grundlegende Reaktion beim verflüchtigenden Rösten ist:

2 Sb2S3 + 9 O2 → 2 Sb2O3 + 6 SO2

Überschüssiger Sauerstoff kann zur Bildung von Sb2O4 führen:

Sb2S3 + 5 O2 → Sb2O4 + 3 SO2

Bei Temperaturen über 560 °C nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit deutlich ab. Beim Rösten kann Sb2O4 auch mit Sb2S3 zu Sb2O3 reagieren:

Sb2S3 + 9 Sb2O4 → 10 Sb2O3 + 3 SO2

Daher ist eine sorgfältige Prozessplanung erforderlich, um eine schnelle und bevorzugte Bildung von Sb2O3 sicherzustellen. Die Temperatur muss ausreichend hoch sein, um die Verflüchtigung zu fördern, während die Sauerstoffzufuhr begrenzt sein muss, um die Bildung von Sb2O4 zu verhindern.

Zu hohe Temperaturen können jedoch dazu führen, dass ein Teil der Ladung schmilzt, die Sulfidkörner umhüllt werden und deren Oxidation behindert wird. Bei der Kondensation von Sb2O3 ist es wichtig, einen niedrigen Sauerstoffgehalt in der Gasphase aufrechtzuerhalten, um die Oxidation von Sb2O4 zu verhindern.

Die verwendete Temperatur hängt vom Sulfidgehalt des Erzes ab. Minderwertige Erze können zwischen 850 und 1000 °C geröstet werden. Bei reichen Erzen ist die obere Temperaturgrenze der Schmelzpunkt des Sulfids (546 °C).

In der Praxis sollten die Temperaturen 400°C nicht überschreiten. Die Kontrolle der Sauerstoffzufuhr wird erreicht, indem der Charge Holzkohle oder Koksgrus beigemischt wird und nur die zur Bildung von Kohlenmonoxid und Sb2O3 erforderliche Luft eingelassen wird.

Kohlenmonoxid dient dazu, die Bildung von Sb2O4 zu unterdrücken. Dennoch ist die vollständige Verhinderung der Sb2O4-Bildung eine Herausforderung.

Die Ausbeute des Prozesses variiert je nach verwendeter spezifischer Methode und Sulfidgehalt des Erzes und liegt zwischen 60 % und 90 % oder mehr.

Kommerzielles Sb2O3 sollte mindestens 99,5 % Sb2O3 enthalten. Die Qualität wird auch anhand der kristallinen Feinheit, der Haftung auf Oberflächen und der Abwesenheit von Anbackungen beurteilt. Ein rötlicher Farbton im Oxid deutet auf das Vorhandensein von Sb2S3 hin, während ein gelblicher Farbton unerwünscht ist und auf eine Selen- und PbO-Kontamination hinweist.

Der akzeptable Arsengehalt sollte bei etwa 0,1 % liegen.

Raffiniertes kommerzielles Sb2O3 kann durch einen sekundären Röstprozess hergestellt werden, bei dem Rohoxid kontrollierten Röstbedingungen unterzogen wird. Dieser Trennprozess ist besonders wichtig für die Gewinnung von hochwertigem Sb2O3, während Arsenoxid von geringem Wert ist.

Quecksilberhaltige Sb-Erze müssen typischerweise bei Temperaturen unter 400 °C geröstet werden, um das Quecksilber zu verflüchtigen. Dabei ist eine genaue Temperaturkontrolle erforderlich, um eine Überhitzung und die Verflüchtigung von Sb-Verbindungen zu vermeiden.

Das geröstete Erz, das noch Sb2S3 enthält, wird dann unter Sauerstoffausschluss langsam abgekühlt, bevor es in offenen Herdöfen einer Reduktion oder Eisenfällung unterzogen wird.

In modernen Röstöfen kommen üblicherweise Drehrohröfen zum Einsatz. Diese Öfen können Sb2O3-Ausbeuten von 95 – 98 % bei hohem Durchsatz erzielen, unabhängig von der Art des Erzes. Sie eignen sich für Oxid-Sulfid-Erze, indem sie das Sb zunächst zum Metall reduzieren und es anschließend zu Sb2O3 oxidieren, frei von nichtflüchtigen Verunreinigungen und Abgasen, die bei der Reduktion entstehen.

Einige Drehrohröfen verwenden heiße Luft zum Erhitzen, was die Gasdurchflussraten reduziert und die Mitnahme von Ganggestein minimiert, aber dennoch zu Temperaturschwankungen führen kann, die zum Schmelzen der Charge führen können.

Rohes Sb2O3, hergestellt mit etwa 81 % Sb, 0,3 % As und 0,15 % Ni, kann durch verflüchtigendes Rösten von Sulfidkonzentrat in einem Drehrohrofen gewonnen werden. Die Temperaturen während dieses Prozesses liegen zwischen 1100 und 1200 °C.

Die Oxidation von Sb2S3 zu Sb2O3 erfolgt teilweise in der Gasphase. Insbesondere nutzt dieser Umwandlungsprozess den Chemetron-Prozess, der einzigartige Funktionen in der Oxidations- und Kühlkontrolle beinhaltet.

Während Sb2O3 kontinuierlich aus dem Ofen entfernt wird, verbleiben nichtflüchtige Elemente im Ofen und werden während der Entschlackungskampagnen regelmäßig entfernt. Zu den kritischen Parametern der Prozesssteuerung gehören die Ofenbeschickungsraten, die Brennerpositionierung und die Abkühlraten, die das Produkt beeinflussen

1.2. Rückgewinnung von Antimonoxid

Antimontrioxid (Sb2O3), auch Antimon(III)-oxid genannt, ist ein weit verbreitetes Flammschutzmittel. Die Nachfrage ist in den letzten Jahren gestiegen und wird hauptsächlich durch Rösten von Antimonsulfiderzen oder anderen antimonhaltigen Rohstoffen hergestellt.

Zur Gewinnung von hochreinem Antimontrioxid, insbesondere zur Abtrennung von Arsen von Antimontrioxid, wird ein selektives Verflüchtigungsverfahren eingesetzt. Dabei wird zunächst das leichter flüchtige Arsentrioxid verdampft und anschließend das weniger flüchtige Antimontetroxid bei hohen Temperaturen selektiv kondensiert. Dieser Prozess führt zur Kondensation von Arsentrioxid bei niedrigeren Temperaturen.

Eine weitere Methode zur Rückgewinnung von Antimontrioxid aus komplexen Antimonsulfiderzen besteht darin, diese mit Calciumchlorid umzusetzen. Diese Reaktion findet in einer oxidierenden Atmosphäre bei etwa 500 °C statt, wie in der folgenden Gleichung dargestellt:

Sb2S3 + 3 CaCl2 + 6 O2 → 2 SbCl3 + 3 CaSO4

Dabei verflüchtigen sich über 90 % des Antimons als SbCl3, das dann durch Destillation und Hydrolyse zu Sb2O3 gereinigt werden kann.

2. Verwendung von Antimonoxid

uses of antimony trioxide

Antimontrioxid (Sb2O3) ist ein vielseitiges Material mit einem breiten Anwendungsspektrum, das grob in flammhemmende und nicht flammhemmende Anwendungen eingeteilt wird.

2.1. Flammhemmende Anwendungen

  • Poly(vinylchlorid) (PVC): Sb2O3 wird üblicherweise in Kombination mit einer Halogenquelle wie chloriertem Alkydharz, Poly(vinylchlorid)harz oder einem chlorierten Weichmacher verwendet, um PVC flammhemmende Eigenschaften zu verleihen. Diese Kombination verhindert wirksam die Freisetzung brennbarer Gase während der Verbrennung. Es wird in Förderbändern für Bergwerke, Kabelbeschichtungen und beschichteten Stoffen für Anwendungen wie Wandverkleidungen und Kissenbezüge verwendet.
  • Hochschlagfeste Polystyrole (HIPS): Sb2O3 wird in HIPS für Produkte wie Fernsehrückwände, elektrische Haushaltsgeräte und Gehäuse für elektrische Geräte, einschließlich Computer (PCs), verwendet.
  • Polyethylen und Polypropylen: Diese Kunststoffe enthalten Sb2O3 hauptsächlich für Drahtummantelungen und elektrische Leitungen, die in Bauanwendungen verwendet werden.
  • Polyamide und technische Kunststoffe: Sb2O3 wird in Materialien wie Nylons eingesetzt, die in Automobilkomponenten, Industrieanlagen und elektrischen Formteilen Verwendung finden. Seine flammhemmenden Eigenschaften erhöhen die Sicherheit bei diesen Anwendungen.
  • Ungesättigte Polyester: Diese Art von Polymer profitiert von Sb2O3 in Anwendungen wie Bauplatten, Automobilteilen und Rettungsbootrümpfen, bei denen es auf Feuerbeständigkeit ankommt.

2.2. Nicht flammhemmende Anwendungen

  • Pigmente: Sb2O3 wird in Pigmenten verwendet, insbesondere bei der Herstellung von Chromatpigmenten. Diese Pigmente dienen verschiedenen Zwecken bei der Einfärbung von Materialien.
  • Trübungsmittel für Keramikglasuren und Fritte: In Keramik fungiert Sb2O3 als Trübungsmittel für Glasuren und als Fritte. Es trägt zur Opazität und zum Aussehen von Keramikprodukten bei.
  • Raffinierung von Bleikristallglas und Glas für Fernsehröhren: Sb2O3 spielt eine entscheidende Rolle bei der Raffinierung von Bleikristallglas und Glas für Fernsehröhren. Es hilft dabei, unerwünschte Farben und Gasblasen aus dem Glas zu entfernen und verbessert so dessen Klarheit und Qualität. Für ähnliche Zwecke kann auch Natriumantimonat verwendet werden.
  • Polymerisationskatalysator: Sb2O3 dient als Katalysator bei der Herstellung von Polyesterfasern. Es fördert den Polymerisationsprozess und führt zur Bildung von Polyesterfasern, die in verschiedenen textilen und industriellen Anwendungen verwendet werden.

Die Nachfrage nach Antimontrioxid ist seit etwa 1970 deutlich gestiegen, was seine Bedeutung in verschiedenen Sektoren widerspiegelt. Laut einem Bericht von MarketsandMarkets wird der weltweite Markt für Antimontrioxid bis 2028 voraussichtlich 4,1 Milliarden US-Dollar erreichen.

Der zunehmende Einsatz von Antimontrioxid in Flammschutzanwendungen ist der Haupttreiber des Marktwachstums. Auch die wachsende Nachfrage nach Kunststoffen in verschiedenen Branchen wie der Automobil-, Bau- und Elektronikindustrie befeuert das Marktwachstum.

3. Toxikologie

Toxicology of antimony trioxide

Antimontrioxid (Sb2O3) ist eine giftige Verbindung, die eine Vielzahl von Gesundheitsproblemen verursachen kann, darunter:

  1. Akute orale Vergiftung: Zu den Symptomen können Erbrechen, Durchfall und Bauchschmerzen gehören.
  2. Chronische Atemvergiftung: Zu den Symptomen können Schmerzen, Nasenbluten, Rhinitis, Pharyngitis, Pneumonitis und Tracheitis gehören.
  3. Langfristige Exposition: Kann zu Lungenröntgenaufnahmen führen, die denen bei Pneumokoniose ähneln. Arbeitnehmer, die über einen längeren Zeitraum Sb2O3 ausgesetzt sind, können eine Pneumokoniose und ein Emphysem entwickeln.
  4. Krebs: Antimontrioxid steht im Verdacht, beim Menschen krebserregend zu sein.

Der TLV (Grenzwert) für Antimontrioxid beträgt 0,5 mg/m3 (als Sb). Dies bedeutet, dass Arbeitnehmer keinen Konzentrationen von Antimontrioxid in der Luft ausgesetzt sein sollten, die 0,5 mg/m3 überschreiten.

Der TCLo (niedrigster beobachteter chronischer Toxizitätswert) für Antimontrioxid beträgt 4,2 mg/m3 während 52 Wochen. Dies bedeutet, dass eine Exposition gegenüber Antimontrioxid in Konzentrationen von 4,2 mg/m3 über 52 Wochen oder länger zu chronischen Gesundheitsproblemen führen kann.

Referenz