Dwutlenek tytanu

Dwutlenek tytanu
Titanium(IV) oxide
The unit cell of rutile
Nazwy
nazwy IUPAC

Dwutlenek tytanu Tlenek tytanu(IV).
Inne nazwy
Identyfikatory
Model 3D ( JSmol )
CHEBI
CHEMBL
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA 100.033.327 Edit this at Wikidata
Numer E E171 (kolory)
KEGG
Identyfikator klienta PubChem
Numer RTECS
  • 2775000 XR
UNII
  • InChI=1S/2O.Ti  check Y
    Klucz: GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N  check Y
  • InChI=1/20.Ti/rO2Ti/c1-3-2
    Klucz: GWEVSGVZZGPLCZ-TYTSCOISAW
  • O=[Ti]=O
Nieruchomości
TiO2
_
Masa cząsteczkowa 79,866 g/mol
Wygląd Białe ciało stałe
Zapach Bezwonny
Gęstość
  • 4,23 g/cm 3 (rutyl)
  • 3,78 g/cm 3 (anataz)
Temperatura topnienia 1843 ° C (3349 ° F; 2116 K)
Temperatura wrzenia 2972 ° C (5382 ° F; 3245 K)
Nierozpuszczalny
Przerwa pasmowa   3,05 eV (rutyl)
  +5,9· 10-6 cm3 / mol
  • 2,488 (anataz)
  • 2,583 (strumyk)
  • 2,609 (rutyl)
Termochemia
50 J · mol -1 · K -1
−945 kJ·mol −1
Zagrożenia
NFPA 704 (ognisty diament)
1
0
0
Punkt zapłonu niepalny
NIOSH (limity ekspozycji na zdrowie w USA):
PEL (dopuszczalny)
  TWA 15 mg/ m3
REL (zalecane)
ok
IDLH (bezpośrednie zagrożenie)
  Ca [5000 mg/m 3 ]
Karta charakterystyki (SDS) ICSC 0338
Związki pokrewne

Dwutlenek cyrkonu Dwutlenek hafnu


Tlenek tytanu(II) Tlenek tytanu(III) Tlenek tytanu(III,IV).
Związki pokrewne
 Kwas tytanowy
O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w stanie normalnym (przy 25°C [77°F], 100 kPa).
check  Y ( co to jest check☒ Y N ?)

Dwutlenek tytanu , znany również jako tlenek tytanu (IV) lub tlenek tytanu / t aɪ t eɪ n i ə . / , jest związkiem nieorganicznym o wzorze chemicznym TiO
2 Gdy jest używany jako pigment , nazywa się to bielą tytanową , Pigment White 6 ( PW6 ) lub CI 77891 . Jest to biała substancja stała, która jest nierozpuszczalna w wodzie, chociaż formy mineralne mogą wyglądać na czarne. Jako pigment ma szeroki zakres zastosowań, w tym farby , filtry przeciwsłoneczne i barwniki spożywcze . Stosowany jako barwnik spożywczy ma numer E E171. Światowa produkcja w 2014 roku przekroczyła 9 mln ton. Oszacowano, że dwutlenek tytanu jest używany w dwóch trzecich wszystkich pigmentów, a pigmenty na bazie tlenku zostały wycenione na 13,2 miliarda dolarów.

Struktura

We wszystkich trzech swoich głównych dwutlenkach tytan wykazuje geometrię oktaedryczną, będąc związanym z sześcioma anionami tlenkowymi. Tlenki z kolei są związane z trzema centrami Ti. Ogólna struktura krystaliczna rutylu ma symetrię tetragonalną, podczas gdy anataz i brookit są rombowe. Wszystkie podstruktury tlenowe są niewielkimi zniekształceniami ścisłego upakowania : w rutylu aniony tlenkowe są ułożone w zniekształcony heksagonalny ścisły upakowanie, podczas gdy w anatazie są zbliżone do sześciennego ścisłego upakowania i „podwójnego sześciokątnego ścisłego upakowania” w przypadku brookitu. Struktura rutylu jest szeroko rozpowszechniony w przypadku innych difluorków i ditlenków metali, np. RuO 2 i ZnF 2 .

Stopiony dwutlenek tytanu ma lokalną strukturę, w której każdy Ti jest skoordynowany średnio z około 5 atomami tlenu. Różni się to od form krystalicznych, w których Ti koordynuje z 6 atomami tlenu.

A ball-and-stick chemical model of an anatase crystal
Struktura anatazu . Wraz z rutylem i brukitem, jeden z trzech głównych polimorfów TiO 2 .

Produkcja i występowanie

Syntetyczny TiO2 jest wytwarzany głównie z minerału ilmenitu . Rutyl i anataz , naturalnie występujący TiO 2 , również występują powszechnie, np. rutyl jako „minerał ciężki” w piasku na plaży. Leukoksen , drobnoziarnisty anataz powstały w wyniku naturalnej przemiany ilmenitu, to kolejna ruda. Szafiry gwiezdne i rubiny zawdzięczają swój asteryzm orientowanym inkluzjom rutylowych igieł.

Mineralogia i rzadkie odmiany polimorficzne

Dwutlenek tytanu występuje w przyrodzie jako minerały rutylu i anatazu . Ponadto znane są dwie formy wysokociśnieniowe: jednoskośna forma podobna do baddeleyitu , znana jako akaogiit , oraz druga, która ma niewielkie jednoskośne zniekształcenie rombowej struktury α-PbO2 i jest znana jako riesyt. Oba można znaleźć w kraterze Ries w Bawarii . Pochodzi głównie z ilmenitu , która jest najbardziej rozpowszechnioną na świecie rudą zawierającą dwutlenek tytanu. Rutyl jest kolejnym najbardziej rozpowszechnionym i zawiera około 98% dwutlenku tytanu w rudzie. Metastabilne fazy anatazu i brukitu przekształcają się nieodwracalnie w równowagową fazę rutylu po podgrzaniu powyżej temperatur w zakresie 600–800 ° C (1110–1470 ° F).

Dwutlenek tytanu ma dwanaście znanych postaci polimorficznych – oprócz rutylu, anatazu, brookitu, akaogiitu i riesytu, syntetycznie można wytworzyć trzy fazy metastabilne ( jednoskośną , tetragonalną i rombową przypominającą ramsdelit) oraz cztery formy wysokociśnieniowe (α-PbO 2 -podobne, podobne do cotunnitu , rombowe OI i fazy sześcienne) również istnieją:

Formularz Układ kryształów Synteza
Rutyl Tetragonalny
Anataz Tetragonalny
Brookit Rombowy
TiO2 ( B) Jednoskośny Hydroliza K 2 Ti 4 O 9 , a następnie ogrzewanie
TiO 2 (H), forma podobna do hollandytu Tetragonalny Utlenianie powiązanego brązu tytanianu potasu, K 0,25 TiO 2
TiO 2 (R), forma podobna do ramsdelitu Rombowy Utlenianie powiązanego brązu tytanianu litu Li 0,5 TiO 2
TiO 2 (II)-( forma podobna do α-PbO 2 ) Rombowy
Akaogiite ( forma podobna do baddeleyitu , 7 skoordynowanych Ti) Jednoskośny
TiO2 - OI Rombowy
Forma sześcienna Sześcienny P > 40 GPa, T > 1600°C
TiO 2 -OII, kotunnit ( PbCl 2 ) podobny Rombowy P > 40 GPa, T > 700°C

faza kotunnitowa jest najtwardszym znanym tlenkiem o twardości Vickersa 38 GPa i module objętościowym 431 GPa (tj. zbliżonym do wartości diamentu 446 GPa) pod ciśnieniem atmosferycznym. Jednak późniejsze badania przyniosły inne wnioski i wykazały znacznie niższe wartości zarówno twardości (7–20 GPa, co czyni ją bardziej miękką niż zwykłe tlenki, takie jak korund Al 2 O 3 i rutyl TiO 2 ) , jak i modułu objętościowego (~ 300 GPa).

Dwutlenek tytanu (B) występuje jako minerał w skałach magmowych i żyłach hydrotermalnych, a także w wietrzejących brzegach perowskitu . TiO 2 tworzy również blaszki w innych minerałach.

Produkcja

Ewolucja światowej produkcji dwutlenku tytanu według procesu

Pięć największych przetwórców pigmentu TiO
2 to w 2019 Chemours , Cristal Global , Venator , Kronos [ de ] i Tronox . Do głównych użytkowników końcowych dwutlenku tytanu o jakości pigmentowej należą Akzo Nobel , PPG Industries , Sherwin Williams , BASF , Kansai Paints i Valspar . Globalny TiO2
_ popyt na pigment w 2010 r. wyniósł 5,3 mln ton, a roczny wzrost ma wynieść około 3–4%.

Metoda produkcji zależy od surowca. Oprócz rud inne surowce obejmują uszlachetniony żużel . Zarówno procesy siarczanowe, jak i chlorkowe wytwarzają pigment ditlenku tytanu w postaci krystalicznej rutylu, ale proces siarczanowy można dostosować, aby wytworzyć postać anatazu. Anataz , będąc bardziej miękkim, jest używany we włóknach i papierze. Proces Siarczanowy jest prowadzony jako proces wsadowy ; Proces Chlorkowy prowadzony jest jako proces ciągły .

Proces chlorkowy

W procesie chlorkowym ruda jest poddawana obróbce chlorem i węglem w celu uzyskania tetrachlorku tytanu , lotnej cieczy, która jest dalej oczyszczana przez destylację. TiCl4 jest traktowany tlenem w celu regeneracji chloru i wytworzenia dwutlenku tytanu.

Proces siarczanowy

Zakłady chemiczne stosujące proces siarczanowy wymagają koncentratu ilmenitu (45–60% TiO 2 ) lub wstępnie przetworzonych surowców jako odpowiedniego źródła tytanu. W procesie siarczanowym ilmenit jest traktowany kwasem siarkowym w celu ekstrakcji pentahydratu siarczanu żelaza (II) . Otrzymany syntetyczny rutyl jest dalej przetwarzany zgodnie ze specyfikacjami końcowego użytkownika, tj. do jakości pigmentu lub w inny sposób. W innym sposobie wytwarzania syntetycznego rutylu z ilmenitu, w procesie Bechera najpierw utlenia się ilmenit, aby oddzielić składnik żelazny.

Metody specjalistyczne

Do zastosowań specjalnych folie TiO 2 są przygotowywane przez różne wyspecjalizowane chemikalia. Trasy zol-żel obejmują hydrolizę alkoholanów tytanu, takich jak etanolan tytanu :

Ti(OEt) 4 + 2 H2O → TiO 2 + 4 EtOH

Technologia ta nadaje się do przygotowywania filmów. Pokrewne podejście, które również opiera się na prekursorach molekularnych, obejmuje chemiczne osadzanie z fazy gazowej . W tym zastosowaniu alkoholan ulatnia się, a następnie rozkłada w kontakcie z gorącą powierzchnią:

Ti(OEt) 4 → TiO 2 + 2 Et 2 O

Aplikacje

Najważniejszymi obszarami zastosowań są farby i lakiery oraz papier i tworzywa sztuczne, które odpowiadają za około 80% światowego zużycia dwutlenku tytanu. Inne zastosowania pigmentów, takie jak farby drukarskie, włókna, guma, produkty kosmetyczne i żywność, stanowią kolejne 8%. Pozostała część jest wykorzystywana do innych zastosowań, np. do produkcji czystego tytanu technicznego, szkła i ceramiki szklanej, ceramiki elektrotechnicznej, patyn metali, katalizatorów, przewodników elektrycznych, półproduktów chemicznych czy jako substrat do adsorpcji kwasu fosfonowego.

Pigment

Główny artykuł: biel tytanowa

Dwutlenek tytanu, po raz pierwszy wyprodukowany masowo w 1916 r., jest najczęściej stosowanym białym pigmentem ze względu na swoją jasność i bardzo wysoki współczynnik załamania światła , w którym przewyższa go tylko kilka innych materiałów (patrz lista współczynników załamania światła ). Wielkość kryształów dwutlenku tytanu wynosi idealnie około 220 nm (mierzona za pomocą mikroskopu elektronowego), aby zoptymalizować maksymalne odbicie światła widzialnego. Jednak w ditlenku tytanu, zwłaszcza w fazie rutylowej, często obserwuje się nieprawidłowy rozrost ziaren . Występowanie nieprawidłowego rozrostu ziaren powoduje odchylenie niewielkiej liczby krystalitów od średniej wielkości kryształów i modyfikuje zachowanie fizyczne TiO 2 . Właściwości optyczne gotowego pigmentu są bardzo wrażliwe na czystość. Zaledwie kilka części na milion (ppm) niektórych metali (Cr, V, Cu, Fe, Nb) może zakłócić sieć krystaliczną tak bardzo, że efekt można wykryć podczas kontroli jakości. Rocznie na całym świecie zużywa się około 4,6 miliona ton pigmentowego TiO 2 i oczekuje się, że liczba ta wzrośnie wraz ze wzrostem zużycia.

TiO 2 jest również skutecznym środkiem zmętniającym w postaci proszku, gdzie jest stosowany jako pigment w celu nadania bieli i zmętnienia produktom, takim jak farby , powłoki , tworzywa sztuczne , papiery , atramenty , żywność , suplementy , leki (tj. pigułki i tabletki) oraz większość past do zębów ; w 2019 roku był obecny w dwóch trzecich past do zębów na rynku francuskim. W żywności powszechnie występuje w produktach takich jak lody, czekoladki, wszelkiego rodzaju słodycze, śmietanki, desery, pianki, guma do żucia, ciasta, pasty do smarowania, sosy, ciasta i wiele innych produktów spożywczych. W farbie jest często określany jako „olśniewająca biel”, „idealna biel”, „najbielsza biel” lub inne podobne określenia. Nieprzezroczystość poprawia się dzięki optymalnemu rozmiarowi cząstek dwutlenku tytanu.

Cienkie filmy

Po osadzeniu w postaci cienkiej warstwy , jej współczynnik załamania światła i kolor sprawiają, że jest to doskonała odblaskowa powłoka optyczna dla zwierciadeł dielektrycznych ; jest również używany do wytwarzania cienkich warstw dekoracyjnych, takich jak „topaz mistycznego ognia”.

Niektóre gatunki zmodyfikowanych pigmentów na bazie tytanu, stosowane w błyszczących farbach, tworzywach sztucznych, wykończeniach i kosmetykach – są to pigmenty stworzone przez człowieka, których cząsteczki mają dwie lub więcej warstw różnych tlenków – często dwutlenku tytanu, tlenku żelaza lub tlenku glinu – w celu uzyskania błyszczącego , opalizujący i/lub perłowy efekt podobny do zmiażdżonej miki lub guaniny produkty na bazie. Oprócz tych efektów możliwa jest ograniczona zmiana koloru w niektórych preparatach, w zależności od tego, jak i pod jakim kątem oświetlany jest gotowy produkt oraz od grubości warstwy tlenku w cząstce pigmentu; jeden lub więcej kolorów pojawia się w wyniku odbicia, podczas gdy inne odcienie pojawiają się w wyniku interferencji przezroczystych warstw dwutlenku tytanu. W niektórych produktach warstwa dwutlenku tytanu jest narastana w połączeniu z tlenkiem żelaza poprzez kalcynację soli tytanu (siarczanów, chloranów) w temperaturze około 800°C Przykładem pigmentu perłowego jest Iriodin, na bazie miki pokrytej dwutlenkiem tytanu lub żelazem (III ) tlenek.

Efekt opalizujący w tych cząstkach tlenku tytanu różni się od efektu nieprzezroczystości uzyskiwanego za pomocą zwykłego zmielonego pigmentu tlenku tytanu uzyskiwanego przez wydobycie, w którym to przypadku bierze się pod uwagę tylko pewną średnicę cząstki, a efekt wynika jedynie z rozpraszania.

Pigmenty przeciwsłoneczne i blokujące promieniowanie UV

W kosmetykach i produktach do pielęgnacji skóry dwutlenek tytanu jest stosowany jako pigment, filtr przeciwsłoneczny i zagęszczacz . Jako filtr przeciwsłoneczny stosuje się ultradrobny TiO2, który wyróżnia się tym, że w połączeniu z ultradrobnym tlenkiem cynku jest uważany za skuteczny filtr przeciwsłoneczny, który zmniejsza częstość występowania oparzeń słonecznych i minimalizuje przedwczesne fotostarzenie , fotokarcynogenezę i immunosupresję związane z długotrwałym nadmiernym nasłonecznieniem. Czasami te blokery UV są łączone z pigmentami tlenku żelaza w filtrze przeciwsłonecznym, aby zwiększyć ochronę przed światłem widzialnym.

Dwutlenek tytanu i tlenek cynku są ogólnie uważane za mniej szkodliwe dla raf koralowych niż filtry przeciwsłoneczne zawierające substancje chemiczne, takie jak oksybenzon , oktokrylen i oktinoksat .

Nanocząsteczkowy dwutlenek tytanu znajduje się w większości fizycznych filtrów przeciwsłonecznych ze względu na jego silne właściwości pochłaniania światła UV i odporność na przebarwienia pod wpływem światła ultrafioletowego . Ta zaleta zwiększa jego stabilność i zdolność do ochrony skóry przed światłem ultrafioletowym. Cząsteczki dwutlenku tytanu w skali nano (wielkość cząstek 20–40 nm) są stosowane głównie w balsamach przeciwsłonecznych, ponieważ rozpraszają światło widzialne znacznie mniej niż pigmenty dwutlenku tytanu i mogą zapewniać ochronę przed promieniowaniem UV. Filtry przeciwsłoneczne przeznaczone dla niemowląt lub osób o wrażliwej skórze są często oparte na dwutlenku tytanu i/lub tlenek cynku , ponieważ uważa się, że te mineralne blokery UV powodują mniej podrażnień skóry niż inne chemikalia pochłaniające promieniowanie UV. Nano-TiO 2 blokuje zarówno promieniowanie UV-A, jak i UV-B, które jest stosowane w filtrach przeciwsłonecznych i innych produktach kosmetycznych. Jest bezpieczny w użyciu i korzystniejszy dla środowiska niż organiczne absorbery UV.

TiO2 w nanocząsteczkach różni się od dobrze znanej postaci mikronizowanej. Forma rutylu jest powszechnie stosowana w kosmetykach i produktach przeciwsłonecznych, ponieważ nie wykazuje żadnej obserwowanej zdolności uszkadzania skóry w normalnych warunkach i ma wyższą absorpcję promieniowania UV . W testach Komitetu Naukowego ds. Bezpieczeństwa Konsumentów (SCCS) z 2016 r. stwierdzono, że stosowanie nanodwutlenku tytanu (95–100% rutylu, ≦ 5% anatazu) jako filtra UV można uznać za niestwarzające żadnego ryzyka wystąpienia działań niepożądanych u ludzi po stosowanie na zdrową skórę, z wyjątkiem przypadków, w których metoda aplikacji prowadziłaby do znacznego ryzyka wdychania (tj. w postaci proszku lub aerozolu). Niniejsza opinia dotycząca bezpieczeństwa dotyczyła nano TiO 2 w stężeniu do 25%.

Wstępne badania wykazały, że cząsteczki nano-TiO 2 mogą przenikać przez skórę, powodując obawy związane ze stosowaniem nano-TiO 2 . Badania te zostały później obalone, kiedy odkryto, że metodologia testowania nie pozwala na rozróżnienie między cząstkami, które wniknęły, a cząstkami po prostu uwięzionymi w mieszkach włosowych oraz że chora lub fizycznie uszkodzona skóra właściwa może być prawdziwą przyczyną niewystarczającej ochrony barierowej.

Badania SCCS wykazały, że gdy nanocząsteczki miały pewne fotostabilne powłoki (np. tlenek glinu , krzemionka , fosforan cetylu , trietoksykaprylilosilan , dwutlenek manganu ), aktywność fotokatalityczna była osłabiona i nie zaobserwowano zauważalnej penetracji skóry; filtr przeciwsłoneczny w tym badaniu stosowano w ilości 10 mg/cm2 przez okres 24 godzin. Powlekanie TiO2 tlenkiem glinu, krzemionką, cyrkonem lub różnymi polimerami może zminimalizować awobenzon degradacji i zwiększają absorpcję UV poprzez dodanie dodatkowego mechanizmu dyfrakcji światła.

TiO
2 jest szeroko stosowany w tworzywach sztucznych i innych zastosowaniach jako biały pigment lub środek zmętniający oraz ze względu na swoją odporność na promieniowanie UV, ponieważ proszek rozprasza światło – w przeciwieństwie do organicznych absorberów UV – i zmniejsza uszkodzenia spowodowane promieniowaniem UV, głównie ze względu na wysoki współczynnik załamania światła cząstek.

Inne zastosowania dwutlenku tytanu

W szkliwach ceramicznych dwutlenek tytanu działa jako środek zmętniający i zapoczątkowuje tworzenie kryształów .

Stosowany jest jako pigment do tatuażu oraz w kredkach ściągających . Dwutlenek tytanu jest wytwarzany w różnych rozmiarach cząstek, które są dyspergowalne zarówno w oleju, jak iw wodzie, oraz w niektórych gatunkach dla przemysłu kosmetycznego. Jest również częstym składnikiem pasty do zębów.

Zewnętrzna część rakiety Saturn V została pomalowana dwutlenkiem tytanu; pozwoliło to później astronomom ustalić, że J002E3 był prawdopodobnie etapem S-IVB z Apollo 12 , a nie asteroidą .

Badania

fotokatalizator

Nanowymiarowy ditlenek tytanu, szczególnie w postaci anatazu, wykazuje aktywność fotokatalityczną pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (UV). Ta fotoaktywność jest podobno najbardziej wyraźna w płaszczyznach {001} anatazu, chociaż płaszczyzny {101} są termodynamicznie bardziej stabilne, a zatem bardziej widoczne w większości syntetyzowanych i naturalnych anatazów, o czym świadczy często obserwowany tetragonalny dwupiramidalny nawyk wzrostu . Ponadto uważa się, że interfejsy między rutylem i anatazem poprawiają aktywność fotokatalityczną poprzez ułatwianie rozdzielania nośników ładunku, w wyniku czego często uważa się, że dwufazowy dwutlenek tytanu ma zwiększoną funkcjonalność jako fotokatalizator. Doniesiono, że dwutlenek tytanu domieszkowany jonami azotu lub tlenkiem metalu, takim jak trójtlenek wolframu, wykazuje wzbudzenie również w świetle widzialnym. Silny potencjał oksydacyjny dodatnich dziur utlenia wodę , tworząc rodniki hydroksylowe . Może również bezpośrednio utleniać tlen lub materiały organiczne. W związku z tym, oprócz zastosowania jako pigmentu, dwutlenek tytanu może być dodawany do farb, cementów, okien, płytek lub innych produktów ze względu na jego właściwości sterylizujące, dezodoryzujące i przeciwporostowe i jest stosowany jako katalizator hydrolizy . Jest również stosowany w barwnikowych ogniwach słonecznych , które są rodzajem chemicznego ogniwa słonecznego (znanego również jako ogniwo Graetzela).

Właściwości fotokatalityczne nanowymiarowego dwutlenku tytanu zostały odkryte przez Akirę Fujishimę w 1967 r. I opublikowane w 1972 r. Proces zachodzący na powierzchni dwutlenku tytanu nazwano efektem Hondy-Fujishimy ( ja:本多-藤嶋効果 ). Dwutlenek tytanu w postaci cienkiej warstwy i nanocząsteczek forma ma potencjał do wykorzystania w produkcji energii: jako fotokatalizator może rozbijać wodę na wodór i tlen. Zebrany wodór mógłby być wykorzystany jako paliwo. Wydajność tego procesu można znacznie poprawić przez domieszkowanie tlenku węglem. Dodatkową wydajność i trwałość uzyskano poprzez wprowadzenie zaburzeń w strukturę sieciową warstwy powierzchniowej nanokryształów dwutlenku tytanu, umożliwiając absorpcję podczerwieni. Anataz i rutyl, aktywne w świetle widzialnym, zostały opracowane do zastosowań fotokatalitycznych.

W 1995 roku Fujishima i jego grupa odkryli zjawisko superhydrofilowości szkła pokrytego dwutlenkiem tytanu wystawionego na działanie promieni słonecznych. Zaowocowało to opracowaniem samoczyszczących powłok szklanych i przeciwmgielnych .

Nanocząsteczkowy TiO 2 zawarty w zewnętrznych materiałach budowlanych, takich jak kostka brukowa w blokach Noxer lub farbach, może zmniejszyć stężenie zanieczyszczeń w powietrzu, takich jak lotne związki organiczne i tlenki azotu . Wyprodukowano cement zawierający TiO 2 .

Wykorzystując TiO 2 jako fotokatalizator, podjęto próby mineralizacji zanieczyszczeń (przekształcenia ich w CO 2 i H 2 O) w ściekach. Fotokatalityczne niszczenie materii organicznej można również wykorzystać w powłokach o zastosowaniach przeciwdrobnoustrojowych.

Tworzenie rodników hydroksylowych

Chociaż nanowymiarowy anataz TiO 2 nie absorbuje światła widzialnego, silnie absorbuje promieniowanie ultrafioletowe (UV) ( hv ), co prowadzi do powstawania rodników hydroksylowych. Dzieje się tak, gdy fotoindukowane dziury wiązań walencyjnych (h + vb ) są uwięzione na powierzchni TiO2, co prowadzi do powstania uwięzionych dziur (h + tr ), które nie mogą utleniać wody.

TiO 2 + hv → e − + h + vb
h + vb → h + tr
O 2 + e − → O 2 •−
  O 2 •− + O 2 •− + 2 H + → H 2 O 2 + O 2
O 2 •− + h + vb → O 2
O 2 •− + h + tr → O 2
  OH − + h + vb → HO •
e − + h + tr → rekombinacja
Uwaga: długość fali (λ)= 387 nm Stwierdzono, że ta reakcja mineralizuje i rozkłada niepożądane związki w środowisku, w szczególności w powietrzu iw ściekach.
Syntetyczne monokryształy TiO 2 , ca. 2–3 mm, wycięte z większej płytki

Nanorurki

Nanorurki tlenku tytanu, obraz SEM
Nanorurki z dwutlenku tytanu (TiO 2 -Nt) otrzymane w drodze syntezy elektrochemicznej. Obraz SEM pokazuje układ pionowych samouporządkowanych TiO 2 -Nt z zamkniętymi dolnymi końcami rurek.

Anataz można przekształcić w niewęglowe nanorurki i nanoprzewody . Puste nanowłókna TiO 2 można również wytwarzać przez powlekanie nanowłókien węglowych przez nałożenie najpierw butanolanu tytanu .

Obrazy SEM ( na górze) i TEM (na dole) chiralnych nanowłókien TiO2

Zdrowie i bezpieczeństwo

Od 2006 roku dwutlenek tytanu jest uważany za „całkowicie nietoksyczny”. Powszechnie występujące minerały, a nawet kamienie szlachetne składają się z TiO 2 . Cały naturalny tytan, stanowiący ponad 0,5% skorupy ziemskiej, istnieje w postaci tlenków. Chociaż żadne dowody nie wskazują na ostrą toksyczność, powtarzające się obawy wyrażano w związku z nanofazowymi formami tych materiałów. Badania pracowników o dużym narażeniu na cząstki TiO 2 wskazują, że nawet przy dużym narażeniu nie ma negatywnego wpływu na zdrowie ludzi.

Unia Europejska usunęła zezwolenie na stosowanie dwutlenku tytanu (E 171) w żywności ze skutkiem od 7 lutego 2022 r. Z sześciomiesięcznym okresem karencji.

Wdychany pył dwutlenku tytanu został sklasyfikowany przez Międzynarodową Agencję Badań nad Rakiem (IARC) jako czynnik rakotwórczy grupy 2B IARC , co oznacza, że ​​prawdopodobnie jest rakotwórczy dla ludzi . Amerykański Narodowy Instytut Bezpieczeństwa i Higieny Pracy zaleca dwa oddzielne limity narażenia. NIOSH zaleca ustawienie limitu narażenia na drobne cząstki TiO
2 na poziomie 2,4 mg/m 3 , podczas gdy na najdrobniejszy TiO
2 limit narażenia wynosi 0,3 mg/m 3 , jako średnie ważone w czasie stężenia do 10 godzin dziennie przez 40-godzinny tydzień pracy.

Wprowadzenie odpadów środowiskowych

Dwutlenek tytanu (TiO₂) jest najczęściej wprowadzany do środowiska w postaci nanocząstek poprzez oczyszczalnie ścieków. Pigmenty kosmetyczne, w tym dwutlenek tytanu, dostają się do ścieków, gdy produkt jest spłukiwany do zlewów po użyciu kosmetyków. W oczyszczalniach ścieków pigmenty rozdzielają się na osad ściekowy, który może zostać uwolniony do gleby po wstrzyknięciu do gleby lub rozprowadzeniu po jej powierzchni. 99% tych nanocząsteczek ląduje raczej na lądzie niż w środowisku wodnym ze względu na ich zatrzymywanie w osadach ściekowych. W środowisku nanocząsteczki dwutlenku tytanu mają niską lub znikomą rozpuszczalność i wykazano, że są stabilne po utworzeniu agregatów cząstek w środowisku glebowym i wodnym. W procesie rozpuszczania jony rozpuszczalne w wodzie zwykle dysocjują z nanocząstki do roztworu, gdy są niestabilne termodynamicznie. TiO2 2 rozpuszczanie wzrasta, gdy w glebie występuje wyższy poziom rozpuszczonej materii organicznej i gliny. Jednak agregacji sprzyja pH w punkcie izoelektrycznym TiO2 ( pH=5,8), co czyni go obojętnym i stężenie jonów w roztworze powyżej 4,5 mM.

Krajowe polityki dotyczące stosowania dodatków do żywności

TiO 2 w żywności został zakazany we Francji od 2020 r. Z powodu niepewności co do tego, jakie ilości są bezpieczne do spożycia przez ludzi.

W 2021 roku Europejski Urząd ds. Bezpieczeństwa Żywności (EFSA) orzekł, że w wyniku nowego zrozumienia nanocząstek dwutlenek tytanu „nie może być już uważany za bezpieczny jako dodatek do żywności”, a unijny komisarz ds. UE, a dyskusje rozpoczną się w czerwcu 2021 r. EFSA stwierdziła, że ​​genotoksyczność — która może prowadzić do rakotwórczości skutków – nie można było wykluczyć, oraz że „nie można było ustalić bezpiecznego poziomu dziennego spożycia dodatku do żywności”. W 2022 roku brytyjska Agencja ds. Standardów Żywności i Food Standards Scotland ogłosiły, że nie zgadzają się z orzeczeniem EFSA i dlatego nie pójdą w ślady UE w zakazie stosowania dwutlenku tytanu jako dodatku do żywności. Organizacja Health Canada podobnie dokonała przeglądu dostępnych dowodów i zdecydowała, że ​​obecnie nie zmienia swojego stanowiska w sprawie dwutlenku tytanu jako dodatku do żywności.

Badania jako nadający się do spożycia nanomateriał

Ze względu na to, że długotrwałe przyjmowanie dwutlenku tytanu może być toksyczne, szczególnie dla komórek i funkcji przewodu pokarmowego , wstępne badania oceniają jego możliwą rolę w rozwoju chorób, takich jak nieswoiste zapalenie jelit i rak jelita grubego , począwszy od 2021 r.

Kultura i społeczeństwo

Firmy takie jak Dunkin 'Donuts wycofały dwutlenek tytanu ze swoich towarów w 2015 roku po naciskach opinii publicznej. Andrew Maynard, dyrektor Centrum Nauki o Ryzyku na Uniwersytecie Michigan , odrzucił rzekome niebezpieczeństwo związane ze stosowaniem dwutlenku tytanu w żywności. Mówi, że dwutlenek tytanu używany przez Dunkin' Brands i wielu innych producentów żywności nie jest nowym materiałem, nie jest też nanomateriałem. Nanocząstki mają zwykle średnicę mniejszą niż 100 nanometrów, jednak większość cząstek dwutlenku tytanu przeznaczonego do kontaktu z żywnością jest znacznie większa. Mimo to analizy rozkładu wielkości wykazały, że partie TiO₂ przeznaczonego do kontaktu z żywnością zawsze zawierają frakcję nano jako nieunikniony produkt uboczny procesów produkcyjnych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Titanium_dioxide&oldid=1144275262 ”