Antimoontrioxide: productie, toepassingen en toxicologie

1.1. Roosteren van antimoonsulfide

Antimoontrioxide kan op twee manieren uit sulfideverbindingen worden geproduceerd: vluchtig roosteren en niet-vluchtig roosteren. Vluchtig roosteren produceert vluchtig antimoontrioxide, dat van het residu kan worden gescheiden. Niet-vluchtig roosteren produceert niet-vluchtig Sb₂O₄, dat gemengd blijft met het residu.

Vluchtig roosteren is de voorkeursmethode omdat het een zuiverder product oplevert. Het is echter een grotere uitdaging om de temperatuur en trek in de oven tijdens dit proces te regelen.

De fundamentele reactie voor het vervluchtigen van het roosteren is:

2 Sb₂S₃ + 9 O₂ → 2 Sb₂O₃ + 6 SO₂

Overtollig zuurstof kan leiden tot de vorming van Sb₂O₄:

Sb₂S₃ + 5 O₂ → Sb₂O₄ + 3 SO₂

Bij temperaturen boven 560 °C neemt de reactiesnelheid aanzienlijk af. Tijdens het roosteren kan Sb₂O₄ ook reageren met Sb₂S₃ om antimoontrioxide te produceren:

Sb₂S₃ + 9 Sb₂O₄ → 10 Sb₂O₃ + 3 SO₂

Daarom is een zorgvuldige engineering van het proces noodzakelijk om een ​​snelle en preferentiële vorming van Sb₂O₃ te garanderen. De temperatuur moet voldoende hoog zijn om vervluchtiging te bevorderen, terwijl de zuurstoftoevoer beperkt moet worden om de vorming van Sb₂O₄ te voorkomen.

Echter, extreem hoge temperaturen kunnen leiden tot het smelten van een deel van de lading, waardoor de sulfidekorrels worden omhuld en hun oxidatie wordt belemmerd. Tijdens de condensatie van Sb₂O₃ is het essentieel om een ​​laag zuurstofgehalte in de gasfase te handhaven om oxidatie van Sb₂O₄ te voorkomen.

De gebruikte temperatuur is afhankelijk van het sulfidegehalte van het erts. Laagwaardige ertsen kunnen worden geroosterd tussen 850 en 1000 °C. Voor rijke ertsen is de bovenste temperatuurgrens het smeltpunt van het sulfide (546 °C).

In de praktijk mogen temperaturen niet hoger zijn dan 400 °C. De zuurstoftoevoer wordt geregeld door houtskool of cokesbries in de lading op te nemen en alleen de benodigde lucht toe te laten om koolmonoxide en antimoontrioxide te vormen.

Koolmonoxide dient om de vorming van Sb₂O₄ te onderdrukken. Desalniettemin is het volledig voorkomen van de vorming van Sb₂O₄ een uitdaging.

De opbrengst van het proces varieert afhankelijk van de specifieke gebruikte methode en het sulfidegehalte van het erts, variërend van 60% tot 90% of meer.

Commerciële Sb₂O₃ moet minimaal 99,5% antimoontrioxide bevatten. De kwaliteit wordt ook beoordeeld op basis van de kristallijne fijnheid, hechting aan oppervlakken en de afwezigheid van klontering. Een roodachtige tint in het oxide suggereert de aanwezigheid van Sb₂S₃, terwijl een gelige tint ongewenst is en duidt op selenium- en PbO-verontreiniging.

Het acceptabele arseengehalte moet rond de 0,1% liggen.

Geraffineerd commercieel antimoontrioxide kan worden geproduceerd via een secundair roostproces, waarbij ruw oxide gecontroleerde roostomstandigheden ondergaat. Dit scheidingsproces is vooral van cruciaal belang voor het verkrijgen van hoogwaardige Sb₂O₃, waarbij arseenoxide weinig waarde heeft.

Kwikhoudende Sb-ertsen moeten doorgaans worden geroosterd bij temperaturen onder de 400 °C om het kwik te laten verdampen, waarbij nauwkeurige temperatuurregeling nodig is om oververhitting en de verdamping van Sb-verbindingen te voorkomen.

Het geroosterde erts, dat nog steeds Sb₂S₃ bevat, wordt vervolgens langzaam afgekoeld onder zuurstofuitsluiting voordat het wordt gereduceerd of ijzerprecipitatie ondergaat in openhaardovens.

Moderne roostovens maken doorgaans gebruik van draaiovens. Deze ovens kunnen antimoontrioxide-opbrengsten van 95 – 98% bereiken met een hoge doorvoer, onafhankelijk van de aard van het erts. Ze zijn geschikt voor oxide-sulfide-ertsen, waarbij het Sb eerst tot het metaal wordt gereduceerd en vervolgens wordt geoxideerd tot Sb₂O₃, vrij van niet-vluchtige onzuiverheden en afgassen die tijdens de reductie worden geproduceerd.

Sommige draaiovens gebruiken hete lucht voor het verwarmen, wat de gasstroom vermindert en de gangue-meevoering minimaliseert, maar nog steeds kan leiden tot temperatuurschommelingen die resulteren in het smelten van de lading.

Ruw Sb₂O₃, geproduceerd met ongeveer 81% Sb, 0,3% As en 0,15% Ni, kan worden verkregen door een vluchtige roostering van sulfideconcentraat in een draaioven. Temperaturen tijdens dit proces variëren van 1100 – 1200 °C.

De oxidatie van Sb₂S₃ tot Sb₂O₃ vindt gedeeltelijk plaats in de gasfase. Opvallend is dat dit conversieproces gebruikmaakt van het Chemetron-proces, dat unieke eigenschappen heeft op het gebied van oxidatie- en koelcontrole.

Terwijl Sb₂O₃ continu uit de oven wordt verwijderd, blijven niet-vluchtige elementen in de oven en worden deze periodiek verwijderd tijdens ontslakkingscampagnes. Kritische procescontroleparameters omvatten oventoevoersnelheden, branderpositionering en koelsnelheden, die van invloed zijn op het product

1.2. Terugwinning van antimoonoxide

Antimoontrioxide, ook bekend als antimoon(III)oxide, is een veelgebruikte vlamvertrager. De vraag ernaar is de afgelopen jaren toegenomen en het wordt voornamelijk geproduceerd door het roosteren van antimoonsulfide-ertsen of andere antimoonbevattende grondstoffen.

Om antimoontrioxide met een hoge zuiverheid te verkrijgen, met name om arseen van antimoontrioxide te scheiden, wordt een selectief vervluchtigingsproces gebruikt. Dit houdt in dat het vluchtigere arseentrioxide bij voorkeur wordt verdampt en het minder vluchtige antimoontroxide vervolgens selectief wordt gecondenseerd bij hoge temperaturen. Dit proces resulteert in de condensatie van arseentrioxide bij lagere temperaturen.

Een andere methode om antimoontrioxide te winnen uit complexe antimoonsulfide-ertsen is om ze te laten reageren met calciumchloride. Deze reactie vindt plaats in een oxiderende atmosfeer bij ongeveer 500 °C, zoals weergegeven in de onderstaande vergelijking:

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

Tijdens dit proces wordt meer dan 90% van het antimoon vervluchtigd als SbCl₃, dat vervolgens kan worden gezuiverd door destillatie en hydrolyse om antimoontrioxide te produceren.

2. Toepassingen van antimoonoxide