Dióxido de titanio
Compuesto químico

Dióxido de titanio
Óxido de titanio (IV)
Celda unitaria de dióxido de titanio (forma rutilo)
 Titanio Oxígeno
La celda unitaria del rutilo
Nombres
Nombres IUPAC
Dióxido de titanio
Óxido de titanio (IV)
Otros nombres
Identificadores
  • 13463-67-7 controlarY
Modelo 3D ( JSmol )
  • Imagen interactiva
EBICh
  • CHEBI:32234 controlarY
Química biológica
  • ChEMBL1201136 ☒norte
Araña química
  • 24256 controlarY
Tarjeta informativa de la ECHA100.033.327
Número EE171 (colores)
BARRIL
  • C13409 ☒norte
Identificador de centro de PubChem
  • 26042
Número RTECS
  • XR2775000
UNIVERSIDAD
  • 15FIX9V2JP controlarY
  • DTXSID3021352
  • InChI=1S/2O.Ti controlarY
    Clave: GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N controlarY
  • InChI=1/2O.Ti/rO2Ti/c1-3-2
    Clave: GWEVSGVZZGPLCZ-TYTSCOISAW
  • O=[Ti]=O
Propiedades
TiO
2
Masa molar79,866 g/mol
AparienciaSólido blanco
OlorInodoro
Densidad
  • 4,23 g/cm3 ( rutilo)
  • 3,78 g/cm 3 (anatasa)
Punto de fusión1.843 °C (3.349 °F; 2.116 K)
Punto de ebullición2.972 °C (5.382 °F; 3.245 K)
Insoluble
Banda prohibida3,21  eV (anatasa) [1]

3,15  eV (rutilo) [1]

+5,9·10 −6  cm3 / mol
  • 2.488 (anatasa)
  • 2.583 (brookita)
  • 2.609 (rutilo)
Termoquímica
50 J·mol −1 ·K −1 [2]
−945 kJ·mol −1 [2]
Peligros
NFPA 704 (rombo cortafuegos)
NFPA 704 diamante de cuatro coloresHealth 1: Exposure would cause irritation but only minor residual injury. E.g. turpentineFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
1
0
0
punto de inflamabilidadno inflamable
NIOSH (límites de exposición a la salud en EE. UU.):
PEL (Permisible)
TWA 15  mg/m3 [ 3]
REL (recomendado)
Ca [3]
IDLH (Peligro inmediato)
Ca [5000  mg/m3 ] [ 3]
Ficha de datos de seguridad (FDS)ICSC 0338
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Otros cationes
Dióxido de circonio
Dióxido de hafnio
Óxidos de titanio relacionados
Óxido de titanio (II)
Óxido de titanio (III)
Óxido de titanio (III, IV)
Compuestos relacionados
Ácido titánico
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
controlarY verificar  ( ¿qué es   ?)controlarY☒norte
Compuesto químico

El dióxido de titanio , también conocido como óxido de titanio (IV) o titania / t aɪ ˈ t eɪ n i ə / , es el compuesto inorgánico derivado del titanio con la fórmula química TiO
2Cuando se utiliza como pigmento , se le llama blanco de titanio , Pigmento Blanco 6 ( PW6 ) o CI 77891. [ 4] Es un sólido blanco que es insoluble en agua, aunque las formas minerales pueden aparecer negras. Como pigmento, tiene una amplia gama de aplicaciones, incluyendo pintura , protector solar y colorante alimentario . Cuando se utiliza como colorante alimentario, tiene número E E171. La producción mundial en 2014 superó los 9 millones de toneladas. [5] [6] [7] Se ha estimado que el dióxido de titanio se utiliza en dos tercios de todos los pigmentos, y los pigmentos basados ​​en el óxido se han valorado en un precio de 13,2 mil millones de dólares. [8]

Estructura

En sus tres dióxidos principales, el titanio exhibe geometría octaédrica , estando unido a seis aniones de óxido. Los óxidos a su vez están unidos a tres centros de Ti. Las estructuras cristalinas generales del rutilo y la anatasa son tetragonales en simetría, mientras que la brookita es ortorrómbica. Las subestructuras de oxígeno son todas ligeras distorsiones del empaquetamiento compacto : en el rutilo, los aniones de óxido están dispuestos en un empaquetamiento compacto hexagonal distorsionado, mientras que están cerca del empaquetamiento compacto cúbico en la anatasa y del "empaquetamiento compacto hexagonal doble" en la brookita. La estructura del rutilo está muy extendida en otros dióxidos y difluoruros metálicos, p. ej. RuO 2 y ZnF 2 .

El dióxido de titanio fundido tiene una estructura local en la que cada Ti está coordinado, en promedio, con unos 5 átomos de oxígeno. [9] Esto es distinto de las formas cristalinas en las que el Ti se coordina con 6 átomos de oxígeno.

Un modelo químico de bolas y palos de un cristal de anatasa
Estructura de la anatasa . Junto con el rutilo y la brookita, uno de los tres polimorfos principales del TiO 2 .

Ocurrencia sintética y geológica

El TiO2 sintético se produce principalmente a partir del mineral ilmenita . El rutilo y la anatasa , TiO2 de origen natural , también se encuentran ampliamente, por ejemplo, el rutilo como un "mineral pesado" en la arena de la playa. El leucoxeno , una anatasa de grano fino formada por alteración natural de la ilmenita, es otro mineral. Los zafiros estrella y los rubíes obtienen su asterismo de inclusiones orientadas de agujas de rutilo. [10]

Mineralogía y polimorfos poco comunes

El dióxido de titanio se presenta en la naturaleza como los minerales rutilo y anatasa . Además, se conocen dos formas de alta presión: una forma monoclínica similar a la baddeleyita conocida como akaogiita , y la otra tiene una ligera distorsión monoclínica de la estructura ortorrómbica α-PbO 2 y se conoce como riesita. Ambas se pueden encontrar en el cráter Ries en Baviera . [11] [12] [13] Se obtiene principalmente de la ilmenita , que es el mineral que contiene dióxido de titanio más extendido en todo el mundo. El rutilo es el siguiente más abundante y contiene alrededor del 98% de dióxido de titanio en el mineral. Las fases metaestables de anatasa y brookita se convierten irreversiblemente en la fase de rutilo en equilibrio al calentarse por encima de temperaturas en el rango de 600 a 800 °C (1110 a 1470 °F). [14]

El dióxido de titanio tiene doce polimorfos conocidos: además de rutilo, anatasa, brookita, akaogiita y riesita, se pueden producir sintéticamente tres fases metaestables ( monoclínica , tetragonal y ortorrómbica similar a la ramsdelita) y también existen cuatro formas de alta presión (similar a α-PbO 2 , similar a la cotunnita , OI ortorrómbica y fases cúbicas):

FormaSistema cristalinoSíntesis
RutiloTetragonal
AnatasaTetragonal
BrookitaOrtorrómbico
TiO2 (B) [ 15]MonoclínicoHidrólisis de K 2 Ti 4 O 9 seguida de calentamiento
TiO 2 (H), forma similar a la hollandita [16]TetragonalOxidación del bronce titanato de potasio relacionado, K 0,25 TiO 2
TiO 2 (R), forma similar a la ramsdellita [17]OrtorrómbicoOxidación del bronce titanato de litio relacionado Li 0,5 TiO 2
TiO 2 (II)-( forma similar a α-PbO 2 ) [18]Ortorrómbico
Akaogiita ( forma similar a la baddeleyita , Ti coordinado 7) [19]Monoclínico
TiO2 - OI [20]Ortorrómbico
Forma cúbica [21]CúbicoP > 40 GPa, T > 1600 °C
TiO 2 -OII, similar a la cotunnita ( PbCl 2 ) [22]OrtorrómbicoP > 40 GPa, T > 700 °C

Se afirmó que la fase de tipo cotunnita era el óxido más duro conocido con una dureza Vickers de 38 GPa y un módulo volumétrico de 431 GPa (es decir, cerca del valor del diamante de 446 GPa) a presión atmosférica. [22] Sin embargo, estudios posteriores llegaron a conclusiones diferentes con valores mucho más bajos tanto para la dureza (7-20 GPa, lo que lo hace más blando que los óxidos comunes como el corindón Al2O3 y el rutilo TiO2 ) [ 23] y el módulo volumétrico (~300 GPa). [24] [25]

El dióxido de titanio (B) se encuentra como mineral en rocas magmáticas y vetas hidrotermales, así como en los bordes erosionados de la perovskita . El TiO2 también forma láminas en otros minerales. [26]

Producción

Actores clave de la industria en la producción de dióxido de titanio - 2022

El TiO más grande
2Los procesadores de pigmentos son Chemours , Venator , Kronos  [de] y Tronox . [27] [28] Los principales usuarios finales de dióxido de titanio de grado pigmento de las empresas de pintura y revestimiento incluyen Akzo Nobel , PPG Industries , Sherwin Williams , BASF , Kansai Paints y Valspar . [29] TiO global
2La demanda de pigmentos en 2010 fue de 5,3 Mt y se espera que el crecimiento anual sea de alrededor del 3-4%. [30]

Evolución de la producción mundial de dióxido de titanio según proceso

El método de producción depende de la materia prima. Además de los minerales, otras materias primas incluyen escoria mejorada . Tanto el proceso de cloruro como el proceso de sulfato (ambos descritos a continuación) producen pigmento de dióxido de titanio en forma de cristal de rutilo, pero el proceso de sulfato se puede ajustar para producir la forma anatasa . La anatasa, al ser más blanda, se utiliza en aplicaciones de fibra y papel. El proceso de sulfato se ejecuta como un proceso por lotes ; el proceso de cloruro se ejecuta como un proceso continuo . [31]

Proceso de cloruro

En el proceso de cloruro , el mineral se trata con cloro y carbono para producir tetracloruro de titanio , un líquido volátil que se purifica aún más mediante destilación. El TiCl4 se trata con oxígeno para regenerar el cloro y producir dióxido de titanio.

Proceso de sulfato

En el proceso de sulfato, la ilmenita se trata con ácido sulfúrico para extraer sulfato de hierro (II) pentahidratado . Este proceso requiere ilmenita concentrada (45-60% TiO 2 ) o materias primas pretratadas como fuente adecuada de titanio. [32] El rutilo sintético resultante se procesa posteriormente de acuerdo con las especificaciones del usuario final, es decir, grado de pigmento o de otro tipo. [33]

Ejemplos de plantas que utilizan el proceso de sulfato son la planta Sorel-Tracy de QIT-Fer et Titane y la fundición de titanio y hierro Eramet en Tyssedal , Noruega. [34]

Proceso Becher

El proceso Becher es otro método para la producción de rutilo sintético a partir de ilmenita. Primero se oxida la ilmenita como medio para separar el componente de hierro.

Métodos especializados

Para aplicaciones especiales, las películas de TiO2 se preparan mediante diversas químicas especializadas. [35] Las rutas sol-gel implican la hidrólisis de alcóxidos de titanio como el etóxido de titanio :

Ti(OEt) 4 + 2 H 2 O → TiO 2 + 4 EtOH

Un método relacionado que también se basa en precursores moleculares es la deposición química en fase de vapor . En este método, el alcóxido se volatiliza y luego se descompone al entrar en contacto con una superficie caliente:

Ti(OEt) 4 → TiO 2 + 2 Et 2 O

Aplicaciones

Pigmento

Producido en masa por primera vez en 1916, [36] el dióxido de titanio es el pigmento blanco más utilizado debido a su brillo y su índice de refracción muy alto , en el que solo es superado por unos pocos otros materiales (ver lista de índices de refracción ). El tamaño ideal de los cristales de dióxido de titanio es de alrededor de 220 nm (medido con microscopio electrónico) para optimizar la máxima reflexión de la luz visible. Sin embargo, a menudo se observa un crecimiento anormal del grano en el dióxido de titanio, particularmente en su fase rutilo. [37] La ​​aparición de un crecimiento anormal del grano provoca una desviación de un pequeño número de cristalitos del tamaño medio del cristal y modifica el comportamiento físico del TiO 2 . Las propiedades ópticas del pigmento terminado son muy sensibles a la pureza. Tan solo unas pocas partes por millón (ppm) de ciertos metales (Cr, V, Cu, Fe, Nb) pueden alterar la red cristalina tanto que el efecto puede detectarse en el control de calidad. [38] Anualmente se utilizan aproximadamente 4,6 millones de toneladas de TiO2 pigmentario en todo el mundo, y se espera que este número aumente a medida que su uso siga aumentando. [39]

El TiO 2 también es un opacificante eficaz en forma de polvo, donde se emplea como pigmento para proporcionar blancura y opacidad a productos como pinturas , revestimientos , plásticos , papeles , tintas , alimentos , suplementos , medicamentos (es decir, pastillas y tabletas) y la mayoría de las pastas de dientes ; en 2019 estaba presente en dos tercios de las pastas de dientes en el mercado francés. [40] En la pintura, a menudo se lo denomina de manera informal "blanco brillante", "el blanco perfecto", "el blanco más blanco" u otros términos similares. La opacidad se mejora mediante el tamaño óptimo de las partículas de dióxido de titanio.

Aditivo alimentario

En los alimentos, se encuentra comúnmente en helados, chocolates, todo tipo de dulces, cremas, postres, malvaviscos, chicles, pasteles, cremas para untar, aderezos, tartas, algunos quesos y muchos otros alimentos. [41]

Películas delgadas

Cuando se deposita como una película delgada , su índice de refracción y color lo convierten en un excelente recubrimiento óptico reflectante para espejos dieléctricos ; también se utiliza para generar películas delgadas decorativas como las que se encuentran en el "topacio de fuego místico".

Algunos grados de pigmentos modificados a base de titanio se utilizan en pinturas brillantes, plásticos, acabados y cosméticos. Son pigmentos artificiales cuyas partículas tienen dos o más capas de diversos óxidos (a menudo dióxido de titanio, óxido de hierro o alúmina ) para tener efectos brillantes, iridiscentes o perlados similares a los productos a base de mica triturada o guanina . Además de estos efectos, en ciertas formulaciones es posible un cambio de color limitado según cómo y en qué ángulo se ilumine el producto terminado y el grosor de la capa de óxido en la partícula de pigmento; uno o más colores aparecen por reflexión, mientras que los otros tonos aparecen debido a la interferencia de las capas transparentes de dióxido de titanio. [42] En algunos productos, la capa de dióxido de titanio se cultiva junto con óxido de hierro mediante calcinación de sales de titanio (sulfatos, cloratos) alrededor de 800 °C [43] Un ejemplo de pigmento perlado es Iriodin, a base de mica recubierta de dióxido de titanio u óxido de hierro (III). [44]

El efecto iridiscente en estas partículas de óxido de titanio es diferente del efecto opaco que se obtiene con el pigmento de óxido de titanio molido habitual obtenido por minería, en cuyo caso solo se considera un cierto diámetro de la partícula y el efecto se debe solo a la dispersión.

Pigmentos bloqueadores de rayos UV y protectores solares

En productos cosméticos y para el cuidado de la piel , el dióxido de titanio se utiliza como pigmento, protector solar y espesante . Como protector solar, se utiliza TiO2 ultrafino , que es notable porque combinado con óxido de zinc ultrafino , se considera un protector solar eficaz que reduce la incidencia de quemaduras solares y minimiza el fotoenvejecimiento prematuro , la fotocarcinogénesis y la inmunosupresión asociadas con la exposición excesiva al sol a largo plazo. [45] A veces, estos bloqueadores UV se combinan con pigmentos de óxido de hierro en el protector solar para aumentar la protección contra la luz visible. [46]

En general, se considera que el dióxido de titanio y el óxido de zinc son menos dañinos para los arrecifes de coral que los protectores solares que incluyen sustancias químicas como la oxibenzona , el octocrileno y el octinoxato . [47]

El dióxido de titanio de tamaño nanométrico se encuentra en la mayoría de los protectores solares físicos debido a su fuerte capacidad de absorción de la luz ultravioleta y su resistencia a la decoloración bajo la luz ultravioleta. Esta ventaja mejora su estabilidad y capacidad para proteger la piel de la luz ultravioleta. Las partículas de dióxido de titanio a escala nanométrica (tamaño de partícula de 20 a 40 nm) [48] se utilizan principalmente en lociones de protección solar porque dispersan la luz visible mucho menos que los pigmentos de dióxido de titanio y pueden proporcionar protección UV. [39] Los protectores solares diseñados para bebés o personas con piel sensible a menudo se basan en dióxido de titanio y/o óxido de zinc , ya que se cree que estos bloqueadores UV minerales causan menos irritación de la piel que otros productos químicos que absorben los rayos UV. El nano-TiO 2 , que bloquea tanto la radiación UV-A como la UV-B, se utiliza en protectores solares y otros productos cosméticos.

El Comité Científico de Seguridad del Consumidor de la UE consideró que el dióxido de titanio de tamaño nanométrico es seguro para aplicaciones cutáneas, en concentraciones de hasta el 25 por ciento según pruebas con animales. [49] La evaluación de riesgos de diferentes nanomateriales de dióxido de titanio en protectores solares está evolucionando actualmente, ya que el TiO2 de tamaño nanométrico es diferente de la forma micronizada conocida. [50] La forma rutilo se utiliza generalmente en productos cosméticos y protectores solares debido a que no posee ninguna capacidad observada para dañar la piel en condiciones normales [51] y tiene una mayor absorción de rayos UV . [52] En 2016, las pruebas del Comité Científico de Seguridad del Consumidor (SCCS) concluyeron que el uso de dióxido de titanio nanométrico (95-100 % rutilo, ≦ 5 % anatasa) como filtro UV puede considerarse que no plantea ningún riesgo de efectos adversos en humanos después de la aplicación en piel sana, [53] excepto en el caso de que el método de aplicación condujera a un riesgo sustancial de inhalación (es decir, formulaciones en polvo o en aerosol). Esta opinión de seguridad se aplicó al nano TiO2 en concentraciones de hasta el 25 %. [54]

Los estudios iniciales indicaron que las nanopartículas de TiO2 podían penetrar la piel, lo que generó preocupación sobre su uso. Estos estudios fueron refutados más tarde, cuando se descubrió que la metodología de prueba no podía diferenciar entre partículas penetradas y partículas simplemente atrapadas en los folículos pilosos y que tener una dermis enferma o físicamente dañada podría ser la verdadera causa de una protección de barrera insuficiente. [50]

La investigación de SCCS encontró que cuando las nanopartículas tenían ciertos recubrimientos fotoestables (por ejemplo, alúmina , sílice , fosfato de cetilo, trietoxicaprililsilano , dióxido de manganeso ), la actividad fotocatalítica se atenuó y no se observó una penetración notable en la piel; el protector solar en esta investigación se aplicó en cantidades de 10 mg/cm2 durante períodos de exposición de 24 horas. [54] El recubrimiento de TiO2 con alúmina, sílice, circón o varios polímeros puede minimizar la degradación de la avobenzona [55] y mejorar la absorción de UV al agregar un mecanismo de difracción de luz adicional. [52]

TiO
2Se utiliza ampliamente en plásticos y otras aplicaciones como pigmento blanco u opacificante y por sus propiedades de resistencia a los rayos UV, donde el polvo dispersa la luz (a diferencia de los absorbentes UV orgánicos) y reduce el daño UV, debido principalmente al alto índice de refracción de la partícula. [56]

Otros usos del dióxido de titanio

En los esmaltes cerámicos , el dióxido de titanio actúa como opacificante y favorece la formación de cristales .

Se utiliza como pigmento para tatuajes y en lápices hemostáticos . El dióxido de titanio se produce en partículas de distintos tamaños que se dispersan en agua y aceite, y en determinados grados para la industria cosmética. También es un ingrediente común en la pasta de dientes.

El exterior del cohete Saturno V fue pintado con dióxido de titanio; esto permitió posteriormente a los astrónomos determinar que J002E3 era probablemente la etapa S-IVB del Apolo 12 y no un asteroide . [57]

Investigación

Actividades de patentamiento

Familias de patentes relevantes que describen la producción de dióxido de titanio a partir de ilmenita, 2002-2021.
Instituciones académicas y públicas con actividad de patentes significativa en la producción de dióxido de titanio. 2022

Entre 2002 y 2022, hubo 459 familias de patentes que describen la producción de dióxido de titanio a partir de ilmenita . La mayoría de estas patentes describen procesos de pretratamiento, como el uso de fundición y separación magnética para aumentar la concentración de titanio en minerales de baja calidad, dando lugar a concentrados o escorias de titanio. Otras patentes describen procesos para obtener dióxido de titanio, ya sea mediante un proceso hidrometalúrgico directo o mediante los principales procesos de producción industrial, el proceso del sulfato y el proceso del cloruro . [58] El proceso del sulfato representa el 40% de la producción mundial de dióxido de titanio y está protegido en el 23% de las familias de patentes. El proceso del cloruro solo se menciona en el 8% de las familias de patentes, aunque proporciona el 60% de la producción industrial mundial de dióxido de titanio. [58]

Los principales contribuyentes a las patentes sobre la producción de dióxido de titanio son empresas de China, Australia y los Estados Unidos, lo que refleja la importante contribución de estos países a la producción industrial. Las empresas chinas Pangang y Lomon Billions Groups poseen importantes carteras de patentes. [58]

Fotocatalizador

El dióxido de titanio de tamaño nanométrico, particularmente en la forma anatasa, exhibe actividad fotocatalítica bajo irradiación ultravioleta (UV). Se informa que esta fotoactividad es más pronunciada en los planos {001} de la anatasa, [59] [60] aunque los planos {101} son termodinámicamente más estables y, por lo tanto, más prominentes en la mayoría de las anatasas sintetizadas y naturales, [61] como es evidente por el hábito de crecimiento bipiramidal tetragonal observado a menudo . Además, se considera que las interfaces entre el rutilo y la anatasa mejoran la actividad fotocatalítica al facilitar la separación de los portadores de carga y, como resultado, a menudo se considera que el dióxido de titanio bifásico posee una funcionalidad mejorada como fotocatalizador. [62] Se ha informado que el dióxido de titanio, cuando se dopa con iones de nitrógeno o se dopa con óxido metálico como el trióxido de tungsteno, exhibe excitación también bajo luz visible. [63] El fuerte potencial oxidativo de los agujeros positivos oxida el agua para crear radicales hidroxilo . También puede oxidar oxígeno o materiales orgánicos directamente. Por lo tanto, además de su uso como pigmento, el dióxido de titanio se puede añadir a pinturas, cementos, ventanas, azulejos u otros productos por sus propiedades esterilizantes, desodorizantes y antiincrustantes, y se utiliza como catalizador de hidrólisis . También se utiliza en células solares sensibilizadas con colorante , que son un tipo de célula solar química (también conocida como célula de Graetzel).

Las propiedades fotocatalíticas del dióxido de titanio de tamaño nanométrico fueron descubiertas por Akira Fujishima en 1967 [64] y publicadas en 1972. [65] El proceso en la superficie del dióxido de titanio se denominó efecto Honda-Fujishima  [ja] . [64] En forma de película delgada y nanopartícula , el dióxido de titanio tiene potencial para usarse en la producción de energía: como fotocatalizador, puede descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Con el hidrógeno recolectado, podría usarse como combustible. La eficiencia de este proceso se puede mejorar en gran medida dopando el óxido con carbono. [66] Se ha obtenido mayor eficiencia y durabilidad introduciendo desorden en la estructura reticular de la capa superficial de nanocristales de dióxido de titanio, lo que permite la absorción infrarroja. [67] Se han desarrollado anatasa y rutilo de tamaño nanométrico activos en luz visible para aplicaciones fotocatalíticas. [68] [69]

En 1995, Fujishima y su grupo descubrieron el fenómeno de superhidrofilicidad del vidrio recubierto de dióxido de titanio expuesto a la luz solar. [64] Esto dio lugar al desarrollo de vidrio autolimpiante y recubrimientos antivaho .

El TiO2 de tamaño nanométrico incorporado a materiales de construcción para exteriores, como adoquines en bloques de noxer [70] o pinturas, podría reducir las concentraciones de contaminantes atmosféricos como compuestos orgánicos volátiles y óxidos de nitrógeno . [71] Se ha producido un cemento que contiene TiO2 . [72]

Utilizando TiO2 como fotocatalizador, se han realizado intentos de mineralizar contaminantes (para convertirlos en CO2 y H2O ) en aguas residuales. [73] [74] [75] La destrucción fotocatalítica de materia orgánica también podría aprovecharse en recubrimientos con aplicaciones antimicrobianas. [76]

Formación de radicales hidroxilo

Aunque la anatasa TiO2 de tamaño nanométrico no absorbe la luz visible, sí absorbe fuertemente la radiación ultravioleta (UV) ( hv ), lo que lleva a la formación de radicales hidroxilo. [77] Esto ocurre cuando los agujeros de enlace de valencia fotoinducidos (h + vb ) quedan atrapados en la superficie de TiO2 , lo que lleva a la formación de agujeros atrapados (h + tr ) que no pueden oxidar el agua. [78]

TiO2 + hv → e − + h + vb
h + vb → h + tr
O2 + e− → O2 • −
O2 • − + O2 • − + 2 H + → H2O2 + O2 
O 2 •− + h + vb → O 2
O 2 •− + h + tr → O 2
 OH − + h + vb → HO•
e − + h + tr → recombinación
Nota: Longitud de onda (λ) = 387 nm [78] Se ha descubierto que esta reacción mineraliza y descompone compuestos indeseables en el medio ambiente, específicamente en el aire y en las aguas residuales. [78]
Monocristales sintéticos de TiO 2 , de unos 2–3 mm de tamaño, cortados de una placa más grande

Nanotubos

Nanotubos de óxido de titanio, imagen SEM
Nanotubos de dióxido de titanio (TiO 2 -Nt) obtenidos mediante síntesis electroquímica. La imagen de SEM muestra una matriz de TiO 2 -Nt autoordenada verticalmente con los extremos inferiores cerrados de los tubos.

La anatasa se puede convertir en nanotubos y nanocables no carbonados . [79] Las nanofibras huecas de TiO2 también se pueden preparar recubriendo nanofibras de carbono aplicando primero butóxido de titanio . [80]

Solubilidad

El dióxido de titanio es insoluble en agua, disolventes orgánicos y ácidos inorgánicos. Es ligeramente soluble en álcali , soluble en carbonato de potasio ácido saturado y se puede disolver completamente en ácido sulfúrico fuerte y ácido fluorhídrico después de hervir durante un tiempo prolongado. [81]

Imágenes SEM (arriba) y TEM (abajo) de nanofibras de TiO 2 quirales [80]

Salud y seguridad

Los minerales de amplia distribución e incluso las piedras preciosas están compuestos de TiO 2 . Todo el titanio natural, que comprende más del 0,5 % de la corteza terrestre, existe en forma de óxidos. [82]

Aditivo alimentario

Desde 2006, el dióxido de titanio se considera "totalmente no tóxico cuando se administra por vía oral". [4] Sin embargo, persisten las preocupaciones.

Políticas gubernamentales

El blanqueador de TiO2 en los alimentos fue prohibido en Francia a partir de 2020, debido a la incertidumbre sobre las cantidades seguras para el consumo humano. [83]

En 2021, la Autoridad Europea de Seguridad Alimentaria (AESA) dictaminó que, como consecuencia de los nuevos conocimientos sobre las nanopartículas , el dióxido de titanio "ya no podía considerarse seguro como aditivo alimentario", y el comisario de salud de la UE anunció planes para prohibir su uso en toda la UE, con debates que comenzaron en junio de 2021. La AESA concluyó que no se podía descartar la genotoxicidad , que podría provocar efectos cancerígenos , y que "no se podía establecer un nivel seguro para la ingesta diaria del aditivo alimentario". [84] En 2022, la Agencia de Normas Alimentarias del Reino Unido y Food Standards Scotland anunciaron su desacuerdo con el fallo de la AESA y no siguieron a la UE en la prohibición del dióxido de titanio como aditivo alimentario. [85] Health Canada revisó de manera similar la evidencia disponible en 2022 y decidió no cambiar su posición sobre el dióxido de titanio como aditivo alimentario. [86]

La Unión Europea eliminó la autorización para el uso de dióxido de titanio (E 171) en alimentos, a partir del 7 de febrero de 2022, con un período de gracia de seis meses. [87]

A partir de mayo de 2023, tras la prohibición de la Unión Europea de 2022, los estados estadounidenses de California y Nueva York estaban considerando prohibir el uso de dióxido de titanio en los alimentos. [88]

A partir de 2024, la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de los Estados Unidos permite el dióxido de titanio como aditivo alimentario. Puede utilizarse para aumentar la blancura y la opacidad de los productos lácteos (algunos quesos, helados y yogures), caramelos, glaseados, rellenos y muchos otros alimentos. La FDA regula el etiquetado de los productos que contienen dióxido de titanio, permitiendo que la lista de ingredientes del producto identifique el dióxido de titanio como "color añadido" o "colorantes artificiales" o "dióxido de titanio"; no exige que el dióxido de titanio se nombre explícitamente [89] [90] [91] a pesar de las crecientes preocupaciones científicas. [92] En 2023, la Asociación de Productos Sanitarios para el Consumidor , un grupo comercial de fabricantes, defendió la sustancia como segura en ciertos límites, al tiempo que permitió que estudios adicionales pudieran proporcionar más información, diciendo que una prohibición inmediata sería una reacción "impulsiva". [93]

Respuesta de la industria

Dunkin' Donuts eliminó el dióxido de titanio de sus productos en 2015 tras la presión pública. [94]

La investigación como nanomaterial ingerible

Debido a la posibilidad de que la ingestión a largo plazo de dióxido de titanio pueda ser tóxica, en particular para las células y funciones del tracto gastrointestinal , la investigación preliminar a partir de 2021 estaba evaluando su posible papel en el desarrollo de enfermedades, como la enfermedad inflamatoria intestinal y el cáncer colorrectal . [95]

Los análisis de distribución de tamaño mostraron que los lotes de TiO₂ de grado alimenticio siempre incluyen una fracción de tamaño nanométrico como subproducto inevitable de los procesos de fabricación. [96]

Andrew Maynard, director del Centro de Ciencias de Riesgos de la Universidad de Michigan , rechazó el supuesto peligro del uso de dióxido de titanio en los alimentos. Afirma que el dióxido de titanio utilizado por Dunkin' Brands y muchos otros productores de alimentos no es un material nuevo, ni tampoco un nanomaterial. Las nanopartículas suelen tener un diámetro inferior a 100 nanómetros, pero la mayoría de las partículas del dióxido de titanio de uso alimentario son mucho más grandes. [97]

Inhalación

El polvo de dióxido de titanio, cuando se inhala, ha sido clasificado por la Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC) como un carcinógeno del Grupo 2B de la IARC , lo que significa que es posiblemente carcinógeno para los humanos . [98] [99] El Instituto Nacional para la Seguridad y Salud Ocupacional de los EE. UU. recomienda dos límites de exposición separados. NIOSH recomienda que el TiO fino
2Las partículas se fijarán en un límite de exposición de 2,4 mg/m 3 , mientras que el TiO ultrafino
2establecerse en un límite de exposición de 0,3 mg/m 3 , como concentraciones promedio ponderadas en el tiempo hasta 10 horas al día durante una semana laboral de 40 horas. [100]

Aunque no hay evidencia que indique toxicidad aguda, se han expresado preocupaciones recurrentes sobre las formas nanofásicas de estos materiales. Los estudios de trabajadores con alta exposición a partículas de TiO2 indican que incluso con alta exposición no hay efectos adversos para la salud humana. [101]

Introducción de residuos ambientales

El dióxido de titanio (TiO₂) se introduce principalmente en el medio ambiente en forma de nanopartículas a través de las plantas de tratamiento de aguas residuales. [102] Los pigmentos cosméticos, incluido el dióxido de titanio, entran en las aguas residuales cuando el producto se lava en los lavabos después del uso cosmético. Una vez en las plantas de tratamiento de aguas residuales, los pigmentos se separan en lodos de depuradora que luego pueden liberarse en el suelo cuando se inyectan en el suelo o se distribuyen en su superficie. El 99% de estas nanopartículas terminan en la tierra en lugar de en entornos acuáticos debido a su retención en lodos de depuradora. [102] En el medio ambiente, las nanopartículas de dióxido de titanio tienen una solubilidad baja a insignificante y se ha demostrado que son estables una vez que se forman agregados de partículas en el suelo y el entorno acuático. [102] En el proceso de disolución, los iones solubles en agua normalmente se disocian de la nanopartícula en solución cuando son termodinámicamente inestables. La disolución de TiO2 aumenta cuando hay niveles más altos de materia orgánica disuelta y arcilla en el suelo. Sin embargo, la agregación se promueve por el pH en el punto isoeléctrico de TiO 2 (pH = 5,8) que lo vuelve neutral y las concentraciones de iones en solución son superiores a 4,5 mM. [103] [104]

Véase también

Fuentes

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Wikiquote tiene citas relacionadas con Dióxido de titanio .
  • Ficha internacional de seguridad química 0338
  • Guía de bolsillo del NIOSH sobre peligros químicos
  • "El dióxido de titanio clasificado como posible carcinógeno para los seres humanos", Centro Canadiense de Salud y Seguridad en el Trabajo, agosto de 2006 (si se inhala en forma de polvo)
  • Una descripción de la fotocatálisis de TiO2
  • Datos de producción de titanio y dióxido de titanio (EE. UU. y el mundo)
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