Наночастица диоксида титана
| Часть серии статей о |
| Наноматериалы |
|---|
 |
| Углеродные нанотрубки |
| Фуллерены |
| Другие наночастицы |
| Наноструктурированные материалы |
Наночастицы диоксида титана , также называемые ультрадисперсным диоксидом титана , нанокристаллическим диоксидом титана или микрокристаллическим диоксидом титана , представляют собой частицы диоксида титана ( TiO2 100 ) диаметром менее нм . Ультратонкий TiO 2 используется в солнцезащитных кремах из-за его способности блокировать ультрафиолетовое излучение, оставаясь при этом прозрачным на коже. Он имеет рутиловую кристаллическую структуру и покрыт кремнеземом и/или оксидом алюминия для предотвращения фотокаталитических явлений. Риск для здоровья, связанный с ультрамелким TiO 2 при дермальном воздействии на неповрежденную кожу считается чрезвычайно низким, [1] и считается более безопасным, чем другие вещества, используемые для защиты от ультрафиолета .
Наноразмерные частицы диоксида титана имеют тенденцию образовываться в метастабильной фазе анатаза из-за более низкой поверхностной энергии этой фазы по сравнению с равновесной рутиловой фазой. [2] Поверхности ультрадисперсного диоксида титана в структуре анатаза обладают фотокаталитическими стерилизующими свойствами, что делает его полезным в качестве добавки в строительные материалы, например, в противозапотевающие покрытия и самоочищающиеся окна .
В контексте TiO 2 Для работников производства ингаляционное воздействие потенциально представляет риск рака легких, а стандартные меры контроля опасности для наноматериалов актуальны для Наночастицы TiO 2 .
Характеристики
[ редактировать ]Из трех общих TiO 2 полиморфы (кристаллические формы), Наночастицы TiO 2 производятся в рутиловой и анатазной формах. В отличие от более крупных TiO 2 , частицы Наночастицы TiO 2 скорее прозрачные, чем белые. Характеристики поглощения ультрафиолетового излучения зависят от размера кристаллов диоксида титана, а ультрамелкие частицы обладают сильным поглощением как ультрафиолетового излучения А (320–400 нм), так и ультрафиолетового излучения В (280–320 нм). [3] Поглощение света в ультрафиолетовом диапазоне происходит из-за наличия прочносвязанных экситонов. [4] Волновая функция этих экситонов имеет двумерный характер и простирается на плоскости {001}.
Наночастицы TiO 2 обладают фотокаталитической активностью . [5] : 82 [6] Это полупроводник n-типа , и его запрещенная зона между валентной зоной и зоной проводимости шире, чем у многих других веществ. Фотокатализ TiO 2 является сложной функцией физических характеристик частиц. Допинг TiO 2 с определенными атомами может усилить его фотокаталитическое действие. [7]
Напротив, пигментный класс TiO 2 обычно имеет средний размер частиц в диапазоне 200–300 нм. [5] : 1–2 Потому что Порошки TiO 2 содержат диапазон размеров; они могут содержать долю наноразмерных частиц, даже если средний размер частиц больше. [8] В свою очередь ультратонкие частицы обычно образуют агломераты, и размер частиц может быть намного больше размера кристалла.
Синтез
[ редактировать ]Большую часть производимого нанодиоксида титана синтезируют сульфатным, хлоридным или золь-гель -процессом. [9] В сульфатном процессе анатаз или рутил TiO 2 получают перевариванием ильменита ( FeTiO3 ) или титановый шлак с серной кислотой . Ультрадисперсную форму анатаза осаждают из раствора сульфата, а ультрадисперсную форму рутила – из раствора хлорида.
В хлоридном процессе природный или синтетический рутил хлорируют при температуре 850–1000 °С, а тетрахлорид титана переводят в ультрадисперсную форму анатаза путем парофазного окисления. [5] : 1–2
Невозможно преобразовать пигментные TiO 2 до ультрамелкого TiO 2 путем измельчения. Ультрадисперсный диоксид титана можно получить с помощью различных процессов, таких как осаждения метод , газофазная реакция, золь-гель метод и осаждения атомного слоя метод .
Использование
[ редактировать ]Ультратонкий Считается, что TiO 2 входит в тройку наиболее производимых наноматериалов наряду с наночастицами диоксида кремния и наночастицами оксида цинка . [8] [10] [11] Это второй по популярности наноматериал в потребительских товарах после наночастиц серебра . [12] Из-за его длительного использования в качестве товарного химического вещества , TiO 2 можно считать «устаревшим наноматериалом». [13] [14]
Ультратонкий TiO 2 используется в солнцезащитных кремах из-за его способности блокировать ультрафиолетовое излучение, оставаясь при этом прозрачным на коже. [15] Частицы TiO 2 , используемые в солнцезащитных кремах, обычно имеют размеры в диапазоне 5–50 нм. [3]
Ультратонкий TiO 2 используется в жилищном строительстве и строительстве в качестве добавки к краскам, пластмассам, цементу, окнам, плитке и другим продуктам благодаря своим свойствам поглощения ультрафиолета и фотокаталитической стерилизации, например, в противозапотевающих покрытиях и самоочищающихся окнах . [6] Разработано Наночастицы TiO 2 также используются в светодиодах и солнечных элементах. [5] : 82 Кроме того, фотокаталитическая активность TiO 2 можно использовать для разложения органических соединений в сточных водах. [3] Продукты наночастиц TiO 2 иногда покрывают кремнеземом или оксидом алюминия или легируют другим металлом для конкретных применений. [5] : 2 [9]
Здоровье и безопасность
[ редактировать ]Потребитель
[ редактировать ]Что касается солнцезащитных кремов, риски для здоровья от воздействия на неповрежденную кожу считаются чрезвычайно низкими и перевешиваются риском повреждения ультрафиолетовым излучением , включая рак из-за неиспользования солнцезащитного крема. [15] Наночастицы TiO 2 считаются более безопасными, чем другие вещества, используемые для защиты от ультрафиолета . [6] Однако есть опасения, что возможными путями воздействия могут быть ссадины на коже или сыпь, а также случайное проглатывание небольшого количества солнцезащитного крема. [15] Косметика, содержащая наноматериалы, не подлежит маркировке в США. [15] хотя они в Евросоюзе. [16]
Профессиональный
[ редактировать ]Воздействие через дыхательные пути является наиболее распространенным путем воздействия частиц, переносимых по воздуху, на рабочем месте. [17] США Национальный институт охраны труда классифицировал вдыхаемые сверхдисперсные частицы. TiO 2 как потенциальный профессиональный канцероген из-за риска рака легких в исследованиях на крысах, с рекомендуемым пределом воздействия 0,3 мг/м. 3 как средневзвешенное по времени время до 10 часов в день при 40-часовой рабочей неделе. Это в отличие от штрафа TiO 2 (размер частиц которого составляет менее ~4 мкм), для которого недостаточно доказательств, чтобы классифицировать его как потенциальный профессиональный канцероген, и имеет более высокий рекомендуемый предел воздействия - 2,4 мг/м. 3 . Реакция опухоли легких наблюдалась у крыс, подвергшихся воздействию ультрадисперсного TiO 2 возник в результате вторичного генотоксического механизма, связанного с физической формой вдыхаемой частицы, такой как ее площадь поверхности, а не с самим химическим соединением, хотя не было достаточных доказательств, подтверждающих это у людей. [5] : 73–78 Кроме того, если бы он был горючим при мелкодисперсном рассеянии в воздухе и при контакте с достаточно сильным источником возгорания, Наночастицы TiO 2 могут представлять опасность взрыва пыли . [6]
Стандартные меры контроля и процедуры в отношении опасностей для здоровья и безопасности, связанных с наноматериалами, актуальны для Наночастицы TiO 2 . [5] : 82 Устранение и замена , наиболее желательные подходы к контролю опасности , могут быть возможны посредством выбора свойств частиц, таких как размер , форма , функционализация и агломерации / состояние агрегации, для улучшения их токсикологических свойств при сохранении желаемой функциональности. [18] или заменив сухой порошок суспензией или суспензией в жидком растворителе, чтобы уменьшить воздействие пыли. [19] Инженерные средства контроля , в основном системы вентиляции, такие как вытяжные шкафы и перчаточные боксы , являются основным классом средств повседневного контроля опасностей. [17] Административный контроль включает обучение передовым методам безопасного обращения, хранения и утилизации наноматериалов , правильную маркировку и предупреждающие знаки, а также поощрение общей культуры безопасности . [19] Средства индивидуальной защиты, обычно используемые для типичных химикатов, также подходят для наноматериалов, включая длинные брюки, рубашки с длинными рукавами, обувь с закрытыми носками, защитные перчатки , очки и непроницаемые лабораторные халаты . [17] в некоторых случаях респираторы . можно использовать [18] Методы оценки воздействия включают использование обоих счетчиков частиц , которые отслеживают в реальном времени количество наноматериалов и других фоновых частиц; и образцы на основе фильтров, которые можно использовать для идентификации наноматериала, обычно с использованием электронной микроскопии и элементного анализа . [18] [20]
Относящийся к окружающей среде
[ редактировать ]Солнцезащитные кремы, содержащие Наночастицы TiO 2 могут смываться в природные водоемы или попадать в сточные воды, когда люди принимают душ. [8] [15] Исследования показали, что Наночастицы TiO 2 могут нанести вред водорослям и животным, а также могут биоаккумулироваться и биоконцентрироваться . [15] США Агентство по охране окружающей среды обычно не учитывает физические свойства, такие как размер частиц, при классификации веществ и регулирует Наночастицы TiO 2 идентично другим формам ТиО 2 . [6]
Токсичность
[ редактировать ]Было обнаружено, что диоксид титана токсичен для растений и мелких организмов, таких как черви, нематоды и мелкие членистоногие . [21] Токсичность Количество наночастиц TiO 2 на нематодах увеличивается с уменьшением диаметра наночастиц, особенно наночастиц размером 7 нм по сравнению с наночастицами размером 45 нм, но рост и размножение все равно страдают независимо от TiO 2 . Размер наночастиц [21] Выброс диоксида титана в почву может оказать пагубное воздействие на местную экосистему из-за того, что он препятствует размножению и выживанию почвенных беспозвоночных ; он вызывает апоптоз , а также останавливает рост, выживание и размножение этих организмов. Эти беспозвоночные ответственны за разложение органического вещества и развитие круговорота питательных веществ в окружающей экосистеме. Без присутствия этих организмов состав почвы пострадает. [21]
Метрология
[ редактировать ]ISO /TS 11937 представляет собой метрологический стандарт для измерения нескольких характеристик сухого порошка диоксида титана, важных для нанотехнологий: кристаллическая структура и соотношение анатаз-рутил могут быть измерены с помощью дифракции рентгеновских лучей , средние размеры частиц и кристаллитов - с помощью дифракции рентгеновских лучей или трансмиссионного электронного анализа. микроскопия и удельная поверхность методом газовой адсорбции Брунауэра-Эммета-Теллера . [9] [22] Для оценки воздействия на рабочем месте можно использовать метод NIOSH 0600 для измерения массовой концентрации мелких частиц для наночастиц с использованием соответствующего пробоотборника с селективным размером частиц, и если распределение размеров известно, то площадь поверхности можно определить на основе измерения массы. [5] : 79 [23] Метод NIOSH 7300 позволяет TiO 2 Отличить от других аэрозолей можно с помощью элементного анализа с использованием атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой . Методы электронной микроскопии , оснащенные энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией, также позволяют определить состав и размер частиц. [5] : 79 [24]
NIST SRM 1898 — эталонный материал, состоящий из сухого порошка Нанокристаллы TiO 2 . Он предназначен в качестве эталона в экологических или токсикологических исследованиях, а также для калибровки инструментов, измеряющих удельную поверхность наноматериалов по методу Брунауэра-Эммета-Теллера. [22] [25] [26] [27]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Научный комитет ЕС по здравоохранению» (PDF) .
- ^ Ханаор, Дориан А.Х.; Соррелл, Чарльз К. (2011). «Обзор фазового превращения анатаза в рутил» . Журнал материаловедения . 46 (4): 855–874. Бибкод : 2011JMatS..46..855H . дои : 10.1007/s10853-010-5113-0 .
- ^ Jump up to: а б с Фольц, Ганс Г.; Кишкевиц, Юрген; Водич, Питер; Вестерхаус, Аксель; Гриблер, Вольф-Дитер; Церковь Сун, Марсель; Буксбаум, Гюнтер; Принцен, Гельмут; Мансманн, Манфред; и др. (2000). «Пигменты неорганические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. КГаА. п. 52. дои : 10.1002/14356007.a20_243.pub2 . ISBN 9783527306732 .
- ^ Бальдини, Эдоардо (2017). «Сильносвязанные экситоны в анатаза TiO 2 монокристаллах и наночастицах » . Природные коммуникации . 8 (1): 13. arXiv : 1601.01244 . Бибкод : 2017NatCo...8...13B . дои : 10.1038/s41467-017-00016-6 . ПМК 5432032 . ПМИД 28408739 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я «Текущий разведывательный бюллетень 63: Профессиональное воздействие диоксида титана» . США Национальный институт охраны труда : 1–3, 79, 82. Апрель 2011 г. doi : 10.26616/NIOSHPUB2011160 . Проверено 27 апреля 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д и Управление подотчетности правительства США (24 июня 2010 г.). «Нанотехнологии: наноматериалы широко используются в торговле, но Агентство по охране окружающей среды сталкивается с проблемами в регулировании рисков» . США Счетная палата правительства (GAO-10-549): 18–19, 24–25, 34.
- ^ Чжан, Х. Чен, Г., Банеманн, Д.В. (2009). «Фоэлектрокаталитические материалы для экологического применения». Журнал химии материалов . 19 (29): 5089–5121. дои : 10.1039/b821991e .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б с Чжан, Юаньюань; Леу, Ю-Руи; Эйткен, Роберт Дж.; Ридикер, Майкл (24 июля 2015 г.). «Инвентаризация потребительских товаров, содержащих наночастицы, доступных на розничном рынке Сингапура, и вероятность их попадания в водную среду» . Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения . 12 (8): 8717–8743. дои : 10.3390/ijerph120808717 . ПМЦ 4555244 . ПМИД 26213957 .
- ^ Jump up to: а б с «ISO/TS 11937:2012 – Нанотехнологии. Наноразмерный диоксид титана в форме порошка. Характеристики и измерения» . Международная организация по стандартизации . 2012 . Проверено 7 сентября 2017 г.
- ^ Пикчинно, Фабиано; Готшальк, Фадри; Сигер, Стефан; Новак, Бернд (1 сентября 2012 г.). «Объемы промышленного производства и использования десяти инженерных наноматериалов в Европе и мире» (PDF) . Журнал исследований наночастиц . 14 (9): 1109. Бибкод : 2012JNR....14.1109P . дои : 10.1007/s11051-012-1109-9 . ISSN 1388-0764 . S2CID 55419088 .
- ^ Келлер, Артуро А.; Макферран, Сюзанна; Лазарева Анастасия; Со, Санвон (01.06.2013). «Выбросы инженерных наноматериалов в глобальном жизненном цикле». Журнал исследований наночастиц . 15 (6): 1692. Бибкод : 2013JNR....15.1692K . дои : 10.1007/s11051-013-1692-4 . ISSN 1388-0764 . S2CID 97011693 .
- ^ Вэнс, Марина Э.; Куикен, Тодд; Ведерано, Эрик П.; Макгиннис, Шон П. младший; Хочелла, Майкл Ф .; Режески, Дэвид; Халл, Мэтью С. (21 августа 2015 г.). «Нанотехнологии в реальном мире: Обновление ассортимента потребительских товаров из наноматериалов» . Журнал нанотехнологий Бейльштейна . 6 (1): 1769–1780. дои : 10.3762/bjnano.6.181 . ISSN 2190-4286 . ПМЦ 4578396 . ПМИД 26425429 .
- ^ «Подведение итогов проблем охраны труда, связанных с нанотехнологиями: 2000–2015 гг.» . Национальный институт охраны труда США. 18 августа 2016 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Будущие вызовы, связанные с безопасностью производимых наноматериалов» . Организация экономического сотрудничества и развития . 04.11.2016. п. 11 . Проверено 6 сентября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Кесслер, Ребекка (март 2011 г.). «Инженерные наночастицы в потребительских товарах: понимание нового ингредиента» . Перспективы гигиены окружающей среды . 119 (3): А120–А125. дои : 10.1289/ehp.119-a120 . ISSN 0091-6765 . ПМК 3060016 . ПМИД 21356630 .
- ^ «Использование наноматериалов в косметике» . Европейская комиссия . 14 сентября 2017 г. Проверено 14 сентября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с «Общие правила безопасной работы с инженерными наноматериалами в исследовательских лабораториях» . Национальный институт охраны труда США : 4, 15–28. Май 2012 г. doi : 10.26616/NIOSHPUB2012147 . Проверено 05 марта 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с «Разработка программы безопасности для защиты работников нанотехнологий: руководство для малых и средних предприятий» . Национальный институт охраны труда США : 8, 12–15. Март 2016 г. doi : 10.26616/NIOSHPUB2016102 . hdl : 10919/76615 . Проверено 05 марта 2017 г.
- ^ Jump up to: а б «Современные стратегии технического контроля в процессах производства наноматериалов и последующей обработки» . Национальный институт охраны труда США : 1–3, 7, 9–10, 17–20. Ноябрь 2013 г. doi : 10.26616/NIOSHPUB2014102 . Проверено 05 марта 2017 г.
- ^ Истлейк, Эдриен К.; Бочем, Кэтрин; Мартинес, Кеннет Ф.; Дам, Мэтью М.; Спаркс, Кристофер; Ходсон, Лаура Л.; Джерачи, Чарльз Л. (01 сентября 2016 г.). «Уточнение метода оценки выбросов наночастиц в метод оценки воздействия наноматериалов (NEAT 2.0)» . Журнал гигиены труда и окружающей среды . 13 (9): 708–717. дои : 10.1080/15459624.2016.1167278 . ISSN 1545-9624 . ПМЦ 4956539 . ПМИД 27027845 .
- ^ Jump up to: а б с Туриньо, Паула С.; ван Гестель, Корнелис А.М.; Лофтс, Стивен; Свендсен, Клаус; Соареш, Амадеу МВМ; Лоурейро, Сусана (1 августа 2012 г.). «Наночастицы на основе металлов в почве: судьба, поведение и воздействие на почвенных беспозвоночных» . Экологическая токсикология и химия . 31 (8): 1679–1692. дои : 10.1002/etc.1880 . ISSN 1552-8618 . ПМИД 22573562 . S2CID 45296995 .
- ^ Jump up to: а б Стефаньяк, Александр Б. (2017). «Основные показатели и инструменты для определения характеристик инженерных наноматериалов» . В Мэнсфилде, Элизабет; Кайзер, Дебра Л.; Фудзита, Дайсуке; Ван де Вурде, Марсель (ред.). Метрология и стандартизация нанотехнологий . Вайли-ВЧ Верлаг. стр. 151–174. дои : 10.1002/9783527800308.ch8 . ISBN 9783527800308 .
- ^ Бартли, Дэвид Л.; Фельдман, Рэй (15 января 1998 г.). «Твердые частицы, не регулируемые иным образом, вдыхаемые» (PDF) . Руководство NIOSH по аналитическим методам (4-е изд.). Национальный институт охраны труда США . Проверено 7 сентября 2017 г.
- ^ Миллсон, Марк; Халл, Р. Делон; Перкинс, Джеймс Б.; Уилер, Дэвид Л.; Николсон, Кейт; Эндрюс, Ронни (15 марта 2003 г.). «Метод NIOSH 7300: Элементы методом ICP (озоление азотной/хлорной кислотой)» (PDF) . Руководство NIOSH по аналитическим методам (4-е изд.). Национальный институт охраны труда США . Проверено 25 апреля 2017 г.
- ^ «SRM 1898 — Наноматериал диоксида титана» . США Национальный институт стандартов и технологий . Архивировано из оригинала 17 сентября 2017 г. Проверено 7 сентября 2017 г.
- ^ Свенсон, Гейл (5 сентября 2012 г.). «Новый эталонный материал NIST может помочь в исследовании токсичности наноматериалов» . Национальный институт стандартов и технологий США . Проверено 6 сентября 2017 г.
- ^ Хакли, Винсент А.; Стефаньяк, Александр Б. (июнь 2013 г.). « Реальная» точность, погрешность и межлабораторные вариации для измерения площади поверхности наноматериала диоксида титана в форме порошка» . Журнал исследований наночастиц . 15 (6): 1742. Бибкод : 2013JNR....15.1742H . дои : 10.1007/s11051-013-1742-y . ISSN 1388-0764 . ПМЦ 4523471 . ПМИД 26251637 .