Nanopartícula de dióxido de titanio - Titanium dioxide nanoparticle
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Las nanopartículas de dióxido de titanio , también llamadas dióxido de titanio ultrafino o dióxido de titanio nanocristalino o dióxido de titanio microcristalino , son partículas de dióxido de titanio ( TiO
2) con diámetros inferiores a 100 nm . TiO ultrafino
2se utiliza en protectores solares debido a su capacidad para bloquear la radiación ultravioleta sin dejar de ser transparente sobre la piel. Tiene estructura de cristal de rutilo y está recubierto con sílice y / y alúmina para evitar fenómenos fotocatalíticos. Los riesgos para la salud del TiO ultrafino
2de exposición dérmica en piel intacta se consideran extremadamente bajas y se consideran más seguras que otras sustancias utilizadas para la protección ultravioleta .
Las partículas nanométricas de dióxido de titanio tienden a formarse en la fase anatasa metaestable , debido a la menor energía superficial de esta fase, en relación con la fase de equilibrio de rutilo . Las superficies de dióxido de titanio ultrafino en la estructura de anatasa tienen propiedades esterilizantes fotocatalíticas , que lo hacen útil como aditivo en materiales de construcción, por ejemplo en revestimientos antiempañantes y ventanas autolimpiables .
En el contexto de TiO
2trabajadores de producción, la exposición por inhalación presenta potencialmente un riesgo de cáncer de pulmón, y los controles de peligro estándar para los nanomateriales son relevantes para el TiO
2 nanopartículas.
Propiedades
De los tres TiO comunes
2 polimorfos (formas cristalinas), TiO
2Las nanopartículas se producen en forma de rutilo y anatasa . A diferencia de TiO más grande
2partículas, TiO
2Las nanopartículas son transparentes en lugar de blancas. Las características de absorción ultravioleta dependen del tamaño del cristal del dióxido de titanio y las partículas ultrafinas tienen una fuerte absorción contra la radiación ultravioleta A (320-400 nm) y ultravioleta B (280-320 nm). La absorción de luz en el rango ultravioleta se produce debido a la presencia de excitones fuertemente unidos. La función de onda de estos excitones tiene un carácter bidimensional y se extiende en el plano {001}.
TiO
2Las nanopartículas tienen actividad fotocatalítica. Es un semiconductor de tipo ny su banda prohibida entre las bandas de valencia y conductividad es más ancha que la de muchas otras sustancias. La fotocatálisis del TiO
2es una función compleja de las características físicas de las partículas. Dopaje TiO
2 con ciertos átomos se podría potenciar su actividad fotocatalítica.
Por el contrario, el TiO de grado pigmentario
2generalmente tiene un tamaño de partícula mediano en el rango de 200 a 300 nm. Porque TiO
2Los polvos contienen una variedad de tamaños, pueden tener una fracción de partículas a nanoescala incluso si el tamaño medio de las partículas es mayor. A su vez, las partículas de ultafina suelen formar aglomerados y el tamaño de partícula podría ser mucho mayor que el tamaño del cristal.
Síntesis
La mayor parte del dióxido de titanio a nanoescala se sintetiza mediante el proceso de sulfato, el proceso de cloruro o el proceso de sol-gel . En el proceso de sulfato, anatasa o rutilo TiO
2se produce al digerir ilmenita ( FeTiO
3) o escoria de titanio con ácido sulfúrico . La forma de anatasa ultrafina se precipita de la solución de sulfato y el rutilo ultrafino de la solución de cloruro.
En el proceso del cloruro, el rutilo natural o sintético se clora a temperaturas de 850 a 1000 ° C, y el tetracloruro de titanio se convierte en la forma ultafina anatasa por oxidación en fase de vapor.
No es posible convertir TiO pigmentario
2a TiO ultrafino
2moliendo. El dióxido de titanio ultrafino podría obtenerse mediante diferentes tipos de procesos como el método de precipitación , la reactivación en fase gaseosa, el método sol-gel y el método de deposición de la capa atómica .
Usos
TiO ultrafino
2se cree que es uno de los tres nanomateriales más producidos, junto con las nanopartículas de dióxido de silicio y las nanopartículas de óxido de zinc . Es el segundo nanomaterial más publicitado en productos de consumo, detrás de las nanopartículas de plata . Debido a su uso prolongado como producto químico básico , el TiO
2 puede considerarse un "nanomaterial heredado".
TiO ultrafino
2se utiliza en protectores solares debido a su capacidad para bloquear la radiación ultravioleta sin dejar de ser transparente sobre la piel. TiO
2 las partículas utilizadas en los protectores solares suelen tener tamaños en el rango de 5 a 50 nm.
TiO ultrafino
2se utiliza en viviendas y construcción como aditivo para pinturas, plásticos, cementos, ventanas, baldosas y otros productos por sus propiedades de absorción ultravioleta y esterilización fotocatalítica , por ejemplo en revestimientos antiempañantes y ventanas autolimpiables . TiO diseñado
2Las nanopartículas también se utilizan en diodos emisores de luz y células solares. Además, la actividad fotocatalítica del TiO
2se puede utilizar para descomponer compuestos orgánicos en aguas residuales. TiO
2Los productos de nanopartículas a veces se recubren con sílice o alúmina , o se dopan con otro metal para aplicaciones específicas.
Salud y seguridad
Consumidor
Para los protectores solares, el riesgo para la salud de la exposición dérmica en la piel intacta se considera extremadamente bajo y se ve superado por el riesgo de daño por radiación ultravioleta, incluido el cáncer por no usar protector solar. TiO
2Las nanopartículas se consideran más seguras que otras sustancias utilizadas para la protección ultravioleta . Sin embargo, existe la preocupación de que las abrasiones o erupciones cutáneas, o la ingestión accidental de pequeñas cantidades de protector solar, sean posibles vías de exposición. Los cosméticos que contienen nanomateriales no están obligados a etiquetarse en los Estados Unidos, aunque sí en la Unión Europea.
Ocupacional
La exposición por inhalación es la ruta más común de exposición a partículas en el aire en el lugar de trabajo. El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. Ha clasificado el TiO ultrafino inhalado
2como potencial carcinógeno ocupacional debido al riesgo de cáncer de pulmón en estudios en ratas, con un límite de exposición recomendado de 0,3 mg / m 3 como promedio ponderado en el tiempo hasta 10 h / día durante una semana laboral de 40 horas. Esto contrasta con el TiO fino
2(que tiene tamaños de partículas por debajo de ~ 4 μm), que no tenía pruebas suficientes para clasificar como carcinógeno ocupacional potencial, y tiene un límite de exposición recomendado más alto de 2,4 mg / m 3 . La respuesta del tumor de pulmón observada en ratas expuestas a TiO ultrafino
2resultó de un mecanismo genotóxico secundario relacionado con la forma física de la partícula inhalada, como su área de superficie, más que con el compuesto químico en sí, aunque no hubo evidencia suficiente para corroborar esto en humanos. Además, si fuera combustible, cuando se dispersa finamente en el aire y en contacto con una fuente de ignición suficientemente fuerte, TiO
2las nanopartículas pueden presentar un peligro de explosión de polvo .
Los controles y procedimientos estándar para los peligros para la salud y la seguridad de los nanomateriales son relevantes para el TiO
2nanopartículas. La eliminación y sustitución , los enfoques más deseables para el control de peligros , pueden ser posibles eligiendo propiedades de la partícula como tamaño , forma , funcionalización y estado de aglomeración / agregación para mejorar sus propiedades toxicológicas conservando la funcionalidad deseada, o reemplazando una partícula seca. polvo con una lechada o suspensión en un solvente líquido para reducir la exposición al polvo. Los controles de ingeniería , principalmente los sistemas de ventilación como las campanas extractoras y las cajas de guantes , son la clase principal de controles de peligro en el día a día. Los controles administrativos incluyen capacitación sobre las mejores prácticas para la manipulación, el almacenamiento y la eliminación seguros de los nanomateriales, el etiquetado adecuado y la señalización de advertencia, y el fomento de una cultura de seguridad general . El equipo de protección personal que se usa normalmente para los productos químicos típicos también es apropiado para los nanomateriales, incluidos pantalones largos, camisas de manga larga, zapatos cerrados, guantes de seguridad , gafas protectoras y batas de laboratorio impermeables , y en algunas circunstancias se pueden usar respiradores . Los métodos de evaluación de la exposición incluyen el uso de contadores de partículas , que controlan la cantidad en tiempo real de nanomateriales y otras partículas de fondo; y muestras basadas en filtros, que pueden usarse para identificar el nanomaterial, generalmente usando microscopía electrónica y análisis elemental .
Ambiental
Protectores solares que contienen TiO
2Las nanopartículas pueden lavarse en cuerpos de agua naturales y pueden entrar en aguas residuales cuando las personas se duchan. Los estudios han indicado que TiO
2Las nanopartículas pueden dañar las algas y los animales y pueden bioacumularse y bioconcentrarse . La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Generalmente no considera propiedades físicas como el tamaño de las partículas en la clasificación de sustancias y regula el TiO
2nanopartículas de forma idéntica a otras formas de TiO
2.
Toxicidad
Se ha descubierto que el dióxido de titanio es tóxico para las plantas y pequeños organismos como gusanos, nematodos y pequeños artrópodos. La toxicidad del TiO
2Las nanopartículas en los nematodos aumentan con el diámetro de las nanopartículas más pequeñas, específicamente las nanopartículas de 7 nm en relación con las nanopartículas de 45 nm, pero el crecimiento y la reproducción aún se ven afectados independientemente del TiO
2tamaño de nanopartículas. La liberación de dióxido de titanio en el suelo puede tener un efecto perjudicial sobre el ecosistema existente debido a que obstaculiza la proliferación y supervivencia de los invertebrados del suelo; causa apoptosis, así como atrofia el crecimiento, la supervivencia y la reproducción en estos organismos. Estos invertebrados son responsables de la descomposición de la materia orgánica y la progresión del ciclo de nutrientes en el ecosistema circundante. Sin la presencia de estos organismos, la composición del suelo sufriría.
Metrología
ISO / TS 11937 es un estándar de metrología para medir varias características del polvo de dióxido de titanio seco relevante para la nanotecnología: la estructura cristalina y la relación anatasa-rutilo se pueden medir usando difracción de rayos X , tamaños promedio de partículas y cristalitos usando difracción de rayos X o transmisión de electrones microscopía y área de superficie específica utilizando el método de adsorción de gas de Brunauer-Emmet-Teller . Para la evaluación de la exposición en el lugar de trabajo , el método NIOSH 0600 para mediciones de concentración de masa de partículas finas se puede usar para nanopartículas usando un muestreador de tamaño de partícula apropiado, y si se conoce la distribución de tamaño, el área de la superficie se puede inferir a partir de la medición de masa. El método 7300 de NIOSH permite TiO
2distinguirse de otros aerosoles mediante análisis elemental utilizando espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente . Los métodos de microscopía electrónica equipados con espectroscopía de rayos X de dispersión de energía también pueden identificar la composición y el tamaño de las partículas.
NIST SRM 1898 es un material de referencia que consiste en un polvo seco de TiO
2nanocristales. Está destinado a ser un punto de referencia en estudios medioambientales o toxicológicos, y para calibrar instrumentos que miden la superficie específica de nanomateriales mediante el método Brunauer-Emmet-Teller.