Antimoontrioxide (Sb2O3) is een wit kristallijn poeder met een molaire massa van 291,52 g/mol en een smeltpunt van 656 °C. Het heeft twee vormen: senarmontiet (onder 570 °C) en valentiniet (boven 570 °C).
Senarmontiet heeft een dichtheid van 5,25 g/cm³, terwijl valentiniet een dichtheid heeft van 5,7 g/cm³. Antimoontrioxide is oplosbaar in zuren en alkaliën.
Inhoudsopgave
1. Productie van antimoontrioxide
Antimoontrioxide kan worden geproduceerd door antimoontrisulfide te roosteren, antimoon te verbranden in een zuurstofrijke omgeving of antimoonhaliden of antimoontrisulfide te hydrolyseren.
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
Antimoontrioxide is een veelzijdig materiaal met een breed scala aan toepassingen, grofweg ingedeeld in vlamvertragende en niet-vlamvertragende toepassingen.
2.1. Vlamvertragende toepassingen
- Poly(vinylchloride) (PVC): antimoontrioxide wordt vaak gebruikt in combinatie met een halogeenbron, zoals gechloreerde alkydhars, poly(vinylchloride)hars of een gechloreerde weekmaker, om PVC vlamvertragende eigenschappen te geven. Deze combinatie is effectief in het voorkomen van de uitstoot van brandbare gassen tijdens verbranding. Het wordt gebruikt in transportbanden voor mijnen, kabelcoatings en gecoate stoffen voor toepassingen zoals wandbekleding en kussenhoezen.
- High-impact polystyrenen (HIPS): antimoontrioxide wordt gebruikt in HIPS voor producten zoals televisieachterkanten, huishoudelijke elektrische apparaten en behuizingen voor elektrische apparatuur, waaronder computers (pc’s).
- Polyethyleen en polypropyleen: Deze kunststoffen bevatten antimoontrioxide voornamelijk voor draadomhulsels en elektrische leidingen die worden gebruikt in bouwtoepassingen.
- Polyamiden en technische kunststoffen: antimoontrioxide wordt gebruikt in materialen zoals nylons, die worden gebruikt in auto-onderdelen, industriële apparatuur en elektrische gegoten onderdelen. De vlamvertragende eigenschappen ervan verhogen de veiligheid in deze toepassingen.
- Antimoontrioxide wordt toegevoegd aan onverzadigde polyesters in toepassingen zoals bouwpanelen, auto-onderdelen en reddingsbootrompen, waar brandwerendheid essentieel is.
2.2. Niet-vlamvertragende toepassingen
- Pigmenten: antimoontrioxide wordt gebruikt in pigmenten, met name bij de productie van chroompigmenten. Deze pigmenten dienen verschillende doeleinden bij het kleuren van materialen.
- Opaakmaker voor keramische glazuren en frit: In keramiek fungeert antimoontrioxide als een opaakmaker voor glazuren en als frit. Het draagt bij aan de ondoorzichtigheid en het uiterlijk van keramische producten.
- Verfijning van loodkristalglas en glas voor televisiebuizen: antimoontrioxide speelt een essentiële rol bij het verfijnen van loodkristalglas en glas dat wordt gebruikt voor televisiebuizen. Het helpt ongewenste kleur en gasbellen uit het glas te verwijderen, waardoor de helderheid en kwaliteit ervan worden verbeterd. Natriumantimonaat kan ook voor soortgelijke doeleinden worden gebruikt.
- Polymerisatiekatalysator: antimoontrioxide wordt gebruikt als katalysator bij de productie van polyestervezels. Het bevordert het polymerisatieproces, wat leidt tot de creatie van polyestervezels die worden gebruikt in verschillende textiel- en industriële toepassingen.
De vraag naar antimoontrioxide is sinds ongeveer 1970 aanzienlijk toegenomen, wat het belang ervan in verschillende sectoren weerspiegelt. Volgens een rapport van MarketsandMarkets wordt verwacht dat de wereldwijde markt voor antimoontrioxide in 2028 $ 4,1 miljard zal bedragen.
Het toenemende gebruik van antimoontrioxide in vlamvertragende toepassingen is de belangrijkste motor van de marktgroei. De groeiende vraag naar kunststoffen in verschillende industrieën, zoals de automobielindustrie, de bouw en de elektronica, stimuleert ook de marktgroei.
3. Toxicologie
Antimoontrioxide is een giftige verbinding die verschillende gezondheidsproblemen kan veroorzaken, waaronder:
- Acute orale vergiftiging: Symptomen kunnen zijn: braken, diarree en buikpijn.
- Chronische luchtwegvergiftiging: Symptomen kunnen zijn: pijn, neusbloedingen, rhinitis, faryngitis, pneumonitis en tracheitis.
- Langdurige blootstelling: Kan resulteren in longröntgenfoto’s die lijken op die van pneumoconiose. Werknemers die langdurig worden blootgesteld aan antimoontrioxide kunnen pneumoconiose en emfyseem ontwikkelen.
- Kanker: Antimoontrioxide wordt ervan verdacht kankerverwekkend te zijn voor mensen.
De TLV (threshold limit value) voor antimoontrioxide is 0,5 mg/m³ (als Sb). Dit betekent dat werknemers niet mogen worden blootgesteld aan niveaus van antimoontrioxide in de lucht die 0,5 mg/m³ overschrijden.
De TCLo (lowest perceived chronic toxicity level) voor antimoontrioxide is 4,2 mg/m³ gedurende 52 weken. Dit betekent dat blootstelling aan antimoontrioxide op niveaus van 4,2 mg/m³ gedurende 52 weken of langer chronische gezondheidsproblemen kan veroorzaken.
Referentie
- Antimoon en antimoonverbindingen; Ullmann’s Encyclopedie van Industriële Chemie. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a03_055.pub2
