Новые требования по TiO2 с 01.10.2021 в ЕС

С 1 октября 2021 г. в Европейском Союзе вступает в силу обязательное требование о наличии предупредительной этикетки на порошках, содержащих 1% и более TIO₂ с размером частиц менее 10 мкм. Данное предупреждение призвано уведомить потребителя о возможном формировании пыли и капель, опасных при вдыхании.

Компания NEA разработала NEATiReX – систему сокращения содержания тонкодисперсной пыли TiO2 до допустимого уровня менее 1%.

До настоящего момента считалось, что порошковые покрытия не содержат растворители, экологичны, а риск возгорания или взрыва значительно ниже по сравнению с жидкими покрытиями на основе растворителей. Теперь многие эксперты в лакокрасочной индустрии опасаются, что большинство красок и покрытий лишатся своей экологической этикетки. [1]

Был разработан особый процесс, снижающий содержание в порошковом покрытии двуокиси титана с размером частиц ≤ 10 мкм до уровня менее 1%. Новая система сокращения содержания диоксида титана в порошке была подробно изучена.

В октябре 2019 года Европейская комиссия классифицировала двуокись титана (TiO₂) как вещество, потенциально вызывающее рак при вдыхании. В феврале 2020 года было опубликовано официальное постановление о контроле за содержанием TiO₂, в котором TiO₂ признается канцерогеном категории 2.

Таким образом, с 1 октября 2021 года в силу вступает обязательное требование о наличии предупредительной этикетки на порошках, содержащих 1% и более TiO₂ с размером частиц ≤ 10 мкм (далее именуемых «тонкодисперсная пыль TiO₂»), уведомляющей потребителя о возможном формировании пыли и капель, опасных при вдыхании (EUH211/EUH212). Порошковые и твердые смеси, содержащие по крайней мере 1% TiO₂, должны быть помечены следующим образом: «EUH 212: Предупреждение! В процессе использования может производить пыль, опасную при вдыхании. Не вдыхайте ее». Дополнительно на смесях должно быть размещено предупреждение EUH 210.

Преимуществом порошковых покрытий является отсутствие растворителей в составе, экологичность, а также значительно меньший риск возгорания или взрыва по сравнению с жидкими покрытиями на основе растворителей. Утрата экологической этикетки [1] в связи с новым постановлением станет недостатком, имеющим решающее значение.

К тому же, остатки порошковых красок, содержащих TiO₂ в форме тонкодисперсной пыли, должны рассматриваться как «опасные отходы», что повысит расходы на утилизацию. [2]
Приведет ли это к отказу потребителей от покупки и использования порошковых покрытий, содержащих TiO₂, тем самым сократив спрос на порошковые покрытия?

TiO₂ в основном применяется в качестве белого пигмента в лакокрасочной индустрии. [3] С точки зрения производителей порошковых покрытий, технической замены TiO₂ при производстве светлых и белых красок не существует. TiO₂ обладает лучшими характеристиками укрывистости, метеостойкости и цветовой яркости, и до сих пор ей не было альтернативы без ущерба качеству или экологичности. Из 2328 оттенков по шкале RAL только 119 (5%) производятся без добавления двуокиси титана. [4] Таким образом, для производства порошковых покрытий определенных цветов использование TiO₂ по-прежнему необходимо.

В связи с этим был разработан специальный технологический процесс, чтобы гарантированно сократить содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ в порошковых покрытиях до менее 1% и обеспечить ввод аддитивов в конечный порошок. [5]

При сокращении содержания двуокиси титана свойства порошкового покрытия после распыления и классификации в ударной мельнице-классификаторе изменяются таким образом, что количество частиц TiO₂ уменьшается. В результате в порошковом покрытии остается менее 1% тонкодисперсной пыли TiO₂.

В то же время состав аддитивов в порошковом покрытии остается прежним, несмотря на изменения в гранулометрическом составе. Система сокращения содержания TiO₂ может применяться как в рамках системы измельчения порошковых покрытий, так и вне производственной линии – отдельным технологическим этапом.

На следующем производственном этапе тонкодисперсная пыль TiO2 спрессовывается в гранулят для дальнейшего использования. Это позволяет сократить расходы, поскольку потери сырьевых материалов удерживаются на низком уровне, а благодаря компактированию пыли производится небольшое количество «опасных отходов». [2]

Система сокращения TiO₂ NEATiReX
Целью данной разработки было реализовать компактную систему с высокой производительностью и низким энергопотреблением, которая сократила бы содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ до менее 1%, в то же время улучшая качество порошкового покрытия.
На рис. 1 процесс сокращения содержания TiO₂ представлен в виде схемы устройства, работающего в автономном режиме.

В автономной системе NEATiReX измельченное порошковое покрытие сначала добавляется в систему сокращения содержания TiO₂ с помощью поворотного клапана. Дальнейшая транспортировка продукта внутри системы осуществляется пневматически. Температура воздуха на впуске может быть снижена до 2 °C с помощью охладителя воздуха. Специально разработанный сепарационный процесс сокращает содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ в порошковом покрытии. Данная технология основана на механической сепарации по градиенту плотности.

Рис. 1: Схема организации системы сокращения содержания TiO₂ с устройством дозирования и диспергирования аддитивов и узлом компактирования

Тонкодисперсная пыль TiO₂ и порошковое покрытие с сокращенным содержанием TiO₂ выгружаются по-отдельности с помощью двойной заслонки. Воздух для транспортировки выходит из системы очищенным. В дополнение есть возможность направить отработанный воздух обратно в систему.

Поскольку механическая сепарация производится в рамках системы сокращения содержания TiO₂, аддитивы, добавляемые в продукт после измельчения (например, оксид алюминия и диоксид кремния), вводятся уже после сокращения количества TiO₂. Для этого применяется новое устройство дозирования и диспергирования, которое вводит аддитив в биг-бэг или стандартные коробки с порошковым покрытием перед наполнением. На следующем производственном этапе тонкодисперсная пыль TiO₂ прессуется с помощью узла компактирования.

Процесс разработки системы сокращения содержания TiO₂
Система сокращения содержания TiO₂ была разработана с использованием вычислительной гидрогазодинамики (ВГД). Концепция заключалась в использовании геометрических данных в качестве входных, которые были затем проанализированы и улучшены с упором на регулирование расхода и энергоэффективность. Суть состояла в том, чтобы достичь высокого числа Рейнольдса в процессе механической сепарации. Число Рейнольдса пропорционально разнице между скоростью воздушного потока (vAir) и скоростью потока частиц (vParticle).

ReParticles ∝ vAir – vParticles

На рис. 2 показан результат моделирования с применением методов ВГД узла механической сепарации для сокращения содержания TiO₂.

Рис. 2: Моделирование с применением методов ВГД узла механической сепарации.

Высокое число Рейнольдса достигается за счет встроенных компонентов для контроля потока, которые располагаются на протяжение всей транспортной зоны.
Высокие значения чисел Рейнольдса в комбинации с внутренними структурами обеспечивают механическое разделение частиц с разной плотностью. Также данный процесс подвержен влиянию скорости потока частиц, концентрации пыли и температуры. Влияние этих параметров исследуется в более подробных тестах.

Рис. 3: Распределение гранулометрического состава измельченного порошкового покрытия для процесса сокращения содержания TiO₂.

Результаты применения системы сокращения содержания TiO₂
Были проведены испытания с двумя уже измельченными порошковыми покрытиями с разным гранулометрическим составом. Оба порошка – белые, с содержанием двуокиси титана около 60%. На рис. 3 показан гранулометрический состав исходного материала.

Чтобы определить, как концентрация пыли влияет на процесс, массовый и объемный расход измельченного порошкового покрытия изменялись при рабочей температуре 35 °C и 5 °C, соответственно. Были проведены тесты с концентрацией пыли между 155 г/м³ и 1009 г/м³. Рис. 4 демонстрирует содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ в обрабатываемом конечном порошковом покрытии. Концентрация пыли в граммах порошкового покрытия на кубический метр воздуха представлена по вертикальной оси координат в виде столбцов. Содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ в конечном порошковом покрытии показана в виде графика по второй оси координат в процентах. Цель состояла в том, чтобы сократить содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ до менее 1 %.

На основании представленных результатов очевидно, что содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ зависит как от концентрации пыли, так и от рабочей температуры. Чем выше концентрация пыли в потоке продукта, тем меньше будет мелкого TiO₂ в конечном продукте. При рабочей температуре 35 °C содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ примерно на 43 % ниже при концентрации пыли 1009 г/м³, чем при концентрации 155 г/м³.

Температура также существенно влияет на процесс сокращения содержания TiO₂. При рабочей температуре 5 °C максимальный порог содержания тонкодисперсной пыли TiO₂ в конечном порошковом покрытии, равный 1 %, не достигается. Напротив, при рабочей температуре 5 °C содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ в продукте А находится в диапазоне 0,6 % и 0,99 % с концентрацией пыли от 329 г/м³ до 1009 г/м³. Для продукта В порог 1 % тонкодисперсной пыли TiO₂ также достигается при рабочей температуре 5 °C с концентрацией пыли между 416 г/м³ и 878 г/м³.

Рис. 4. Содержание тонкодисперсной пыли TiO₂ в конечном порошковом покрытии на основании концентрации пыли при рабочей температуре 35 °C и 5 °C.

Рис. 5. Удельное энергопотребление как функция концентрации пыли при рабочей температуре 5 °C для продуктов А и В.

На рис. 5 показана удельное энергопотребление для целевой продукции в виде функции концентрации пыли при рабочей температуре 5 °C. Диапазон рабочих режимов системы сокращения содержания TiO₂ при пылевой нагрузке составляет прибл. 840–1050 г/м³. В зависимости от характеристик продукта удельное энергопотребление находится в диапазоне от 2 до 9 кВт*ч/т. Для сокращения содержания тонкодисперсной пыли TiO₂ удельное потребление для продукта В должно быть вдвое выше, чем для продукта А. В заключение, механическая сепарация может быть произведена более эффективно в порошковом покрытии с более крупной фракцией, чем с мелкой.

Краткие результаты успешных испытаний
Система сокращения содержания тонкодисперсной пыли TiO₂ до уровня менее 1% успешно протестирована. Испытания показали, что рабочая температура и концентрация пыли оказывают существенное влияние на механическую сепарацию в системе сокращения содержания TiO₂. Чем выше концентрация пыли и чем ниже рабочая температура, тем эффективнее сокращение содержания тонкодисперсной пыли TiO₂ в порошковом покрытии.

Данный процесс способен снизить содержание мелкой пыли TiO₂ до уровня менее 1% с низким удельным энергопотреблением в размере от 2 до 9 кВт*ч/т и высокой производительностью до 1 000 кг/ч. Потери продукта при производстве белого порошкового покрытия составляют максимум 5–9 %, и ниже 5% для тонкого, небелого порошкового покрытия. При наличии на следующем производственном этапе узла компактирования выгружаемая тонкодисперсная пыль может быть использована повторно. Габариты системы сокращения содержания TiO₂: Д = 3 м, Ш = 3 м, В = 5 м при производительности 1000 кг/ч.

Благодаря компактным размерам система может быть установлена на уже запущенном производстве порошкового покрытия. В случае смены цветов очистка системы производится легко и быстро благодаря хорошей доступности и компактной конструкции. В комбинации с системой дозирования и диспергирования аддитивов, потребление добавок сокращается более чем на 60%, а качество порошкового покрытия повышается. [5]

Подготовлено: Марк Гирземель, Кристиан Бегасс, Фабиан Мертенс ("Farbe und Lack 10/2020").

Литература
[1] J. Gesthuizen: Farbe und Lack, February 18 2020. [Online]: https://www.farbeundlack.de/Markt-Branche/Unternehmen-und-Maerkte/EU-veroeffentlicht-offizielle-Regulierung-zu Titandioxid/(cpg)/LA0094?cpg=LA0094&utm_source=newsletter&utm_medium=email&utm_campa gn=FL-NL-2020-02-20&utm_content=EU veroeffentlicht-offiziel. [April 24 2020]

[2] B. S. u.: Entsorgung. Bundesverband Sekundärrohstoffe und Entsorgung. April 9 2019.[Online]: https://www.bvse.de/recycling/recycling-nachrichten/4373-der-fall-titandioxidfarbenindustrie-warnt-vor-eu-einstufung.html. [May 13 2020]

[3] F. &. Lack, „Farbe & Lack,“ Oktober 11 2017. [Online]: https://www.farbeundlack.de/Wissenschaft-Technik/Rohstoffe/Pigmente/Fuenf-Fakten-ueber-Titandioxid. [May 13 2020]
[4] Verband der deutschen Lack- und Druckfarbenindustrie e.V.: Position on the proposal for a substance-legal classification of titanium dioxide. Association of the German Paint and Printing Ink Industry, Frankfurt am Main 2018

[5] C. B. F. M. Marc Giersemehl: Dosing and dispersing: A dosing and dispersing system in tests under real conditions, that the amount of additive required is reduced by up to 60%. Farbe & Lack, February 2020