Nanopartículas de dióxido de titanio , también llamados ultrafinas de dióxido de titanio o de titanio nanocristalino dióxido o dióxido de titanio microcristalino , son partículas de dióxido de titanio (TiO 2 ) con diámetros de menos de 100 nm . El TiO 2 ultrafino se utiliza en protectores solares debido a su capacidad para bloquear la radiación UV 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 2 ultrafino de la exposición dérmica en piel intacta se consideran extremadamente bajos, [1]y se considera más seguro que otras sustancias utilizadas para la protección UV .
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 . [2] 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 antiempañamiento y ventanas autolimpiables .
En el contexto de los trabajadores de producción de TiO 2 , la exposición por inhalación presenta potencialmente un riesgo de cáncer de pulmón, y los controles de peligro estándar para los nanomateriales son relevantes para las nanopartículas de TiO 2 .
Propiedades
De los tres polimorfos de TiO 2 comunes (formas cristalinas), las nanopartículas de TiO 2 se producen en las formas de rutilo y anatasa . A diferencia de grandes TiO 2 partículas, TiO 2 nanopartículas son transparentes en lugar de blanco. Las características de absorción ultravioleta (UV) dependen del tamaño del cristal de dióxido de titanio y las partículas ultrafinas tienen una fuerte absorción contra la radiación UV-A (320-400 nm) y UV-B (280-320 nm). [3] La absorción de luz en los rayos UV se produce debido a la presencia de excitones fuertemente unidos. [4] La función de onda de estos excitones tiene un carácter bidimensional y se extiende en el plano {001}.
Las nanopartículas de TiO 2 tienen actividad fotocatalítica [5] : 82 [6] Es un semiconductor de tipo n y su banda prohibida entre las bandas de valencia y conductividad es más ancha que la de muchas otras sustancias. La fotocatálisis del TiO 2 es una función compleja de las características físicas de las partículas. El dopaje de TiO 2 con ciertos átomos podría potenciarse su actividad fotocatalítica. [7]
En contraste, el TiO 2 de grado pigmentario generalmente tiene un tamaño de partícula medio en el rango de 200 a 300 nm. [5] : 1–2 Debido a que los polvos de TiO 2 contienen una variedad de tamaños, pueden tener una fracción de partículas a nanoescala incluso si el tamaño de partícula promedio es mayor. [8] 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 fabricado se sintetiza mediante el proceso de sulfato, el proceso de cloruro o el proceso de sol-gel . [9] En el proceso de sulfato, la anatasa o rutilo TiO 2 se 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. [5] : 1–2
No es posible convertir pigmentaria TiO 2 a ultrafinas TiO 2 por molienda. 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
Se cree que el TiO 2 ultrafino es uno de los tres nanomateriales más producidos, junto con las nanopartículas de dióxido de silicio y las nanopartículas de óxido de zinc . [8] [10] [11] Es el segundo nanomaterial más publicitado en productos de consumo, detrás de las nanopartículas de plata . [12] Debido a su uso prolongado como producto químico básico , el TiO 2 puede considerarse un "nanomaterial heredado". [13] [14]
El TiO 2 ultrafino se utiliza en protectores solares debido a su capacidad para bloquear la radiación UV sin dejar de ser transparente sobre la piel. [15] Las partículas de TiO 2 que se utilizan en los protectores solares suelen tener tamaños en el rango de 5 a 50 nm. [3]
El TiO 2 ultrafino se utiliza en viviendas y construcción como aditivo para pinturas, plásticos, cementos, ventanas, baldosas y otros productos por sus propiedades de absorción de rayos UV y esterilización fotocatalítica , por ejemplo, en revestimientos antiempañamiento y ventanas autolimpiables . [6] Las nanopartículas de TiO 2 diseñadas también se utilizan en diodos emisores de luz y células solares. [5] : 82 Además, la actividad fotocatalítica del TiO 2 se puede utilizar para descomponer compuestos orgánicos en aguas residuales. [3] Los productos de nanopartículas de TiO 2 a veces se recubren con sílice o alúmina , o se dopan con otro metal para aplicaciones específicas. [5] : 2 [9]
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 compensado por el riesgo de daño por radiación ultravioleta, incluido el cáncer por no usar protector solar. [15] Las nanopartículas de TiO 2 se consideran más seguras que otras sustancias utilizadas para la protección UV . [6] 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. [15] Los cosméticos que contienen nanomateriales no están obligados a etiquetarse en los Estados Unidos, [15] aunque sí en la Unión Europea. [dieciséis]
Ocupacional
La exposición por inhalación es la ruta más común de exposición a partículas en el aire en el lugar de trabajo. [17] El Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. Ha clasificado el TiO 2 ultrafino inhalado como un carcinógeno ocupacional potencial 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 horas al día durante una semana laboral de 40 horas. Esto contrasta con el TiO 2 fino (que tiene tamaños de partículas por debajo de ~ 4 μm), que no tenía pruebas suficientes para clasificarlo como un 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 2 ultrafino resultó 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. Inhumanos. [5] : 73–78 Además, si fuera combustible, cuando se dispersa finamente en el aire y en contacto con una fuente de ignición suficientemente fuerte, las nanopartículas de TiO 2 pueden presentar un peligro de explosión de polvo . [6]
Los controles y procedimientos estándar para los peligros para la salud y la seguridad de los nanomateriales son relevantes para las nanopartículas de TiO 2 . [5] : 82 La eliminación y sustitución , los enfoques más deseables para el control de peligros , pueden ser posibles mediante la elección de propiedades de la partícula como tamaño , forma , funcionalización y estado de aglomeración / agregación para mejorar sus propiedades toxicológicas conservando la funcionalidad deseada. [18] o reemplazando un polvo seco con una lechada o suspensión en un solvente líquido para reducir la exposición al polvo. [19] 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. [17] 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 . [19] El equipo de protección personal que se usa normalmente para productos químicos típicos también es apropiado para nanomateriales, incluidos pantalones largos, camisas de manga larga, zapatos cerrados, guantes de seguridad , gafas protectoras y batas de laboratorio impermeables , [17] y, en algunas circunstancias, los respiradores pueden ser usado. [18] 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 . [18] [20]
Ambiental
Los protectores solares que contienen nanopartículas de TiO 2 pueden lavarse en cuerpos de agua naturales y pueden entrar en las aguas residuales cuando las personas se duchan. [8] [15] Los estudios han indicado que las nanopartículas de TiO 2 pueden dañar las algas y los animales y pueden bioacumularse y bioconcentrarse . [15] La Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. Generalmente no considera propiedades físicas como el tamaño de partícula en la clasificación de sustancias y regula las nanopartículas de TiO 2 de manera idéntica a otras formas de TiO 2 . [6]
Toxicidad
Se ha descubierto que el dióxido de titanio es tóxico para las plantas y pequeños organismos como gusanos, nematodos y pequeños artrópodos. [21] La toxicidad de las nanopartículas de TiO 2 en los nematodos aumenta 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 tamaño de las nanopartículas de TiO 2 . [21] La liberación de dióxido de titanio en el suelo puede tener un efecto perjudicial en 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. [21]
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 . [9] [22] 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 utilizar para nanopartículas utilizando un muestreador selectivo de tamaño de partícula apropiado, y si se conoce la distribución de tamaño, el área de superficie se puede inferir de la medida de masa. [5] : 79 [23] El método 7300 de NIOSH permite distinguir el TiO 2 de otros aerosoles mediante análisis elemental utilizando espectroscopía 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. [5] : 79 [24]
NIST SRM 1898 es un material de referencia que consiste en un polvo seco de nanocristales de TiO 2 . 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. [22] [25] [26] [27]
Referencias
- ^ "Comité científico de salud de la UE" (PDF) .
- ^ la transformación de anatasa a rutilo una revisión
- ^ a b c Völz, Hans G .; Kischkewitz, Jürgen; Woditsch, Peter; Westerhaus, Axel; Griebler, Wolf-Dieter; De Liedekerke, Marcel; Buxbaum, Gunter; Printzen, Helmut; Mansmann, Manfred; et al. (2000). "Pigmentos inorgánicos". Enciclopedia de química industrial de Ullmann . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. pag. 52. doi : 10.1002 / 14356007.a20_243.pub2 . ISBN 9783527306732.
- ^ Baldini, Edoardo (2017). "Excitones fuertemente enlazados en nanopartículas y cristales individuales de Anatasa TiO2" . Comunicaciones de la naturaleza . 8 (1): 13. doi : 10.1038 / s41467-017-00016-6 . PMC 5432032 . PMID 28408739 .
- ^ a b c d e f g h yo "Boletín de inteligencia actual 63: exposición ocupacional al dióxido de titanio" . EE.UU. Instituto Nacional para la Seguridad y Salud en el Trabajo : 1-3, 79, 82. abril de 2011. doi : 10.26616 / NIOSHPUB2011160 . Consultado el 27 de abril de 2017 .
- ^ a b c d e Oficina, Responsabilidad del Gobierno de EE. UU. (2010-06-24). "Nanotecnología: los nanomateriales se utilizan ampliamente en el comercio, pero la EPA enfrenta desafíos en la regulación del riesgo" . Oficina de Responsabilidad del Gobierno de EE. UU. (GAO-10-549): 18-19, 24-25, 34.
- ^ Zhang, H. Chen, G., Bahnemann, DW (2009). "Materiales foelectrocatalíticos para aplicaciones ambientales". Revista de Química de Materiales . 19 (29): 5089–5121. doi : 10.1039 / b821991e .CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
- ^ a b c Zhang, Yuanyuan; Leu, Yu-Rui; Aitken, Robert J .; Riediker, Michael (24 de julio de 2015). "Inventario de productos de consumo que contienen nanopartículas de ingeniería disponibles en el mercado minorista de Singapur y probabilidad de liberación en el medio acuático" . Revista Internacional de Investigación Ambiental y Salud Pública . 12 (8): 8717–8743. doi : 10.3390 / ijerph120808717 . PMC 4555244 . PMID 26213957 .
- ^ a b c "ISO / TS 11937: 2012 - Nanotecnologías - Dióxido de titanio a nanoescala en forma de polvo - Características y medición" . Organización Internacional de Normalización . 2012 . Consultado el 7 de septiembre de 2017 .
- ^ Piccinno, Fabiano; Gottschalk, Fadri; Seeger, Stefan; Nowack, Bernd (1 de septiembre de 2012). "Cantidades de producción industrial y usos de diez nanomateriales de ingeniería en Europa y el mundo" (PDF) . Revista de investigación de nanopartículas . 14 (9): 1109. Código Bibliográfico : 2012JNR .... 14.1109P . doi : 10.1007 / s11051-012-1109-9 . ISSN 1388-0764 .
- ^ Keller, Arturo A .; McFerran, Suzanne; Lazareva, Anastasiya; Suh, Sangwon (1 de junio de 2013). "Lanzamientos de ciclo de vida global de nanomateriales diseñados". Revista de investigación de nanopartículas . 15 (6): 1692. Bibcode : 2013JNR .... 15.1692K . doi : 10.1007 / s11051-013-1692-4 . ISSN 1388-0764 .
- ^ Vance, Marina E .; Kuiken, Todd; Vejerano, Eric P .; McGinnis, Jr., Sean P .; Hochella, Michael F .; Rejeski, David; Hull, Matthew S. (21 de agosto de 2015). "Nanotecnología en el mundo real: Reurbanización del inventario de productos de consumo de nanomateriales" . Revista Beilstein de Nanotecnología . 6 (1): 1769-1780. doi : 10.3762 / bjnano.6.181 . ISSN 2190-4286 . PMC 4578396 . PMID 26425429 .
- ^ "Balance de los desafíos de la nanotecnología en materia de SST: 2000-2015" . Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU. 2016-08-18. Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ "Retos futuros relacionados con la seguridad de los nanomateriales fabricados" . Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económicos . 2016-11-04. pag. 11 . Consultado el 6 de septiembre de 2017 .
- ^ a b c d e f Kessler, Rebecca (marzo de 2011). "Nanopartículas diseñadas en productos de consumo: comprensión de un nuevo ingrediente" . Perspectivas de salud ambiental . 119 (3): A120 – A125. doi : 10.1289 / ehp.119-a120 . ISSN 0091-6765 . PMC 3060016 . PMID 21356630 .
- ^ "Uso de nanomateriales en cosmética" . Comisión Europea . 2017-09-14 . Consultado el 14 de septiembre de 2017 .
- ^ a b c "Prácticas generales de seguridad para trabajar con nanomateriales diseñados en laboratorios de investigación" . Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU . : 4, 15–28. Mayo de 2012. doi : 10.26616 / NIOSHPUB2012147 . Consultado el 5 de marzo de 2017 .
- ^ a b c "Creación de un programa de seguridad para proteger a la fuerza laboral en nanotecnología: una guía para pequeñas y medianas empresas" . Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU . : 8, 12–15. Marzo de 2016. doi : 10.26616 / NIOSHPUB2016102 . Consultado el 5 de marzo de 2017 .
- ^ a b "Estrategias actuales para los controles de ingeniería en la producción de nanomateriales y procesos de manipulación downstream" . Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU . : 1–3, 7, 9–10, 17–20. Noviembre de 2013. doi : 10.26616 / NIOSHPUB2014102 . Consultado el 5 de marzo de 2017 .
- ^ Eastlake, Adrienne C .; Beaucham, Catherine; Martínez, Kenneth F .; Dahm, Matthew M .; Chispas, Christopher; Hodson, Laura L .; Geraci, Charles L. (1 de septiembre de 2016). "Refinamiento de la técnica de evaluación de emisiones de nanopartículas en la técnica de evaluación de la exposición de nanomateriales (NEAT 2.0)" . Revista de Higiene Laboral y Ambiental . 13 (9): 708–717. doi : 10.1080 / 15459624.2016.1167278 . ISSN 1545-9624 . PMC 4956539 . PMID 27027845 .
- ^ a b c Tourinho, Paula S .; van Gestel, Cornelis AM; Lofts, Stephen; Svendsen, Claus; Soares, Amadeu MVM; Loureiro, Susana (1 de agosto de 2012). "Nanopartículas a base de metales en el suelo: destino, comportamiento y efectos en los invertebrados del suelo". Toxicología y Química Ambiental . 31 (8): 1679–1692. doi : 10.1002 / etc.1880 . ISSN 1552-8618 . PMID 22573562 .
- ^ a b Stefaniak, Aleksandr B. (2017). "Principales métricas e instrumentación para la caracterización de nanomateriales diseñados" . En Mansfield, Elisabeth; Kaiser, Debra L .; Fujita, Daisuke; Van de Voorde, Marcel (eds.). Metrología y Normalización de la Nanotecnología . Wiley-VCH Verlag. págs. 151-174. doi : 10.1002 / 9783527800308.ch8 . ISBN 9783527800308.
- ^ Bartley, David L .; Feldman, Ray (15 de enero de 1998). "Partículas no reguladas de otra manera, respirables" (PDF) . Manual de métodos analíticos de NIOSH (4ª ed.). Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU . Consultado el 7 de septiembre de 2017 .
- ^ Millson, Mark; Hull, R. DeLon; Perkins, James B .; Wheeler, David L .; Nicholson, Keith; Andrews, Ronnee (15 de marzo de 2003). "Método 7300 de NIOSH: elementos por ICP (incineración de ácido nítrico / perclórico)" (PDF) . Manual de métodos analíticos de NIOSH (4ª ed.). Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional de EE. UU . Consultado el 25 de abril de 2017 .
- ^ "SRM 1898 - Nanomaterial de dióxido de titanio" . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU . Archivado desde el original el 17 de septiembre de 2017 . Consultado el 7 de septiembre de 2017 .
- ^ Swenson, Gayle (5 de septiembre de 2012). "El nuevo material de referencia del NIST podría ayudar a la investigación de la toxicidad de los nanomateriales" . Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU . Consultado el 6 de septiembre de 2017 .
- ^ Hackley, Vincent A .; Stefaniak, Aleksandr B. (junio de 2013). " " Mundo real "de precisión, la variación de polarización, y entre laboratorios para la medición de área superficial de un nanomaterial dióxido de titanio en forma de polvo" . Revista de investigación de nanopartículas . 15 (6): 1742. Bibcode : 2013JNR .... 15.1742H . doi : 10.1007 / s11051-013-1742-y . ISSN 1388-0764 . PMC 4523471 . PMID 26251637 .