Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Просвечивающая электронная микрофотография наночастиц диоксида титана из стандартного эталонного материала NIST 1898 г.

Наночастицы диоксида титана , также называемые сверхтонкого диоксида титана или нанокристаллический диоксид титана или диоксид титана , микрокристаллическая , представляют собой частицы диоксида титана (TiO 2 ) с диаметром менее 100 нм . Ультратонкий TiO 2 используется в солнцезащитных кремах из-за его способности блокировать УФ-излучение, оставаясь прозрачным для кожи. Он имеет кристаллическую структуру рутила и покрыт диоксидом кремния или / или оксидом алюминия для предотвращения фотокаталитических явлений. Риск для здоровья сверхмелкодисперсного TiO 2 в результате воздействия 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 фазой рутила . [2] Поверхности ультратонкого диоксида титана в структуре анатаза обладают фотокаталитическими стерилизующими свойствами, что делает его полезным в качестве добавки в строительных материалах, например, в противотуманных покрытиях и самоочищающихся окнах .

Что касается рабочих, занимающихся производством TiO 2 , ингаляционное воздействие потенциально представляет риск рака легких, и стандартные меры контроля опасности для наноматериалов актуальны для наночастиц TiO 2 .

Свойства [ править ]

Из трех общих TiO 2 полиморфных (кристаллические формы), TiO 2 наночастицы производятся в рутил и анатаз форм. В отличие от более крупных TiO 2 частиц, TiO 2 наночастицы являются прозрачными , а не белый. Характеристики поглощения ультрафиолета (УФ) зависят от размера кристаллов диоксида титана, а ультрамелкие частицы обладают сильным поглощением как против УФ-А (320-400 нм), так и от УФ-В (280-320 нм) излучения. [3] Поглощение света в УФ-диапазоне происходит из-за присутствия сильно связанных экситонов. [4] Волновая функция этих экситонов имеет двумерный характер и простирается в плоскости {001}.

Наночастицы TiO 2 обладают фотокаталитической активностью [5] : 82 [6] Это полупроводник n-типа, и его запрещенная зона между валентной полосой и полосой проводимости шире, чем у многих других веществ. Фотокатализ TiO 2 является сложной функцией физических характеристик частиц. При легировании TiO 2 некоторыми атомами его фотокаталитическая активность может быть усилена. [7]

Напротив, пигментный TiO 2 обычно имеет средний размер частиц в диапазоне 200–300 нм. [5] : 1–2 Поскольку порошки TiO 2 имеют ряд размеров, они могут иметь долю наноразмерных частиц, даже если средний размер частиц больше. [8] В свою очередь, частицы ультрафина обычно образуют агломераты, и размер частиц может быть намного больше размера кристаллов.

Синтез [ править ]

Большая часть производимого наноразмерного диоксида титана синтезируется сульфатным, хлоридным или золь-гелевым способами. [9] В сульфатном процессе анатаз или рутил TiO 2 получают путем разложения ильменита (FeTiO 3 ) или титанового шлака с серной кислотой . Ультратонкая форма анатаза осаждается из раствора сульфата, а ультрадисперсный рутил - из раствора хлорида.

В хлоридном процессе природный или синтетический рутил хлорируется при температуре 850–1000 ° C, а тетрахлорид титана превращается в форму ультафин-анатаза путем парофазного окисления. [5] : 1-2

Преобразование пигментного TiO 2 в ультратонкий TiO 2 путем измельчения невозможно . Ультратонкий диоксид титана может быть получен различными способами, такими как метод осаждения , газофазная реакция, золь-гель метод и метод осаждения атомного слоя .

Использует [ редактировать ]

Ультратонкий TiO 2 считается одним из трех 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 того , что TiO 2 давно используется в качестве химического продукта, его можно рассматривать как «унаследованный наноматериал». [13] [14]

Ультратонкий TiO 2 используется в солнцезащитных кремах из-за его способности блокировать УФ-излучение, оставаясь прозрачным для кожи. [15] Частицы TiO 2, используемые в солнцезащитных кремах, обычно имеют размер в диапазоне 5–50 нм. [3]

Ультратонкий TiO 2 используется в жилищном и строительном секторе в качестве добавки к краскам, пластмассам, цементу, окнам, плитке и другим продуктам из-за его УФ-поглощения и фотокаталитических стерилизующих свойств, например, в противотуманных покрытиях и самоочищающихся окнах . [6] Разработанные наночастицы TiO 2 также используются в светодиодах и солнечных элементах. [5] : 82 Кроме того, фотокаталитическая активность TiO 2 может быть использована для разложения органических соединений в сточных водах. [3] Продукты наночастиц TiO 2 иногда покрываютсядиоксид кремния или оксид алюминия , или легированный другим металлом для конкретных применений. [5] : 2 [9]

Здоровье и безопасность [ править ]

Потребитель [ править ]

Что касается солнцезащитных кремов, риск для здоровья от кожного воздействия на неповрежденную кожу считается чрезвычайно низким и перевешивается риском повреждения ультрафиолетовым излучением, включая рак, из-за отсутствия солнцезащитного крема. [15] Наночастицы TiO 2 считаются более безопасными, чем другие вещества, используемые для защиты от ультрафиолета . [6] Однако есть опасения, что ссадины на коже или сыпь, а также случайное проглатывание небольшого количества солнцезащитного крема являются возможными путями воздействия. [15] Косметика, содержащая наноматериалы, не требует маркировки в Соединенных Штатах, [15] хотя она находится в Европейском Союзе. [16]

Профессиональный [ править ]

Вдыхание - наиболее распространенный путь воздействия взвешенных в воздухе частиц на рабочем месте. [17] В США Национальный института профессиональной безопасности и здоровье классифицировал вдыхание ультрадисперсных TiO 2 в качестве потенциального профессионального канцерогена из - за риск рака легкого в исследованиях на крысах, с рекомендуемым пределом воздействия 0,3 мг / м 3 в качестве взвешенного по времени среднего до 10 часов в день при 40-часовой рабочей неделе. Это отличается от мелкодисперсного TiO 2 (который имеет размер частиц менее ~ 4 мкм), который не имел достаточных доказательств, чтобы классифицировать его как потенциальный профессиональный канцероген, и имеет более высокий рекомендуемый предел воздействия 2,4 мг / м 3.. Реакция опухоли легких, наблюдаемая у крыс, подвергшихся воздействию ультратонкого TiO 2, была результатом вторичного генотоксического механизма, связанного с физической формой вдыхаемой частицы, такой как площадь ее поверхности, а не с самим химическим соединением, хотя доказательств для подтверждения этого недостаточно. в людях. [5] : 73–78 Кроме того, наночастицы TiO 2 , будучи мелкодисперсными в воздухе и контактируя с достаточно сильным источником воспламенения, могут представлять опасность взрыва пыли . [6]

Стандартные меры контроля и процедуры в отношении опасностей для здоровья и безопасности наноматериалов актуальны для наночастиц TiO 2 . [5] : 82 Устранение и замена , наиболее желательные подходы к управлению опасностями , могут быть возможны путем выбора таких свойств частицы, как размер , форма , функционализация и состояние агломерации / агрегации, чтобы улучшить их токсикологические свойства при сохранении желаемой функциональности. [18] или путем замены сухого порошка суспензией илисуспензия в жидком растворителе для уменьшения воздействия пыли. [19] Технические средства контроля , в основном системы вентиляции, такие как вытяжные шкафы и перчаточные боксы , являются основным классом средств контроля опасности на повседневной основе. [17] Административный контроль включает обучение передовым методам безопасного обращения, хранения и утилизации наноматериалов, надлежащую 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., Защитные очки и непроницаемые лабораторные халаты , [17] и в некоторых случаях респираторы могут быть использованы. [18] Методы оценки воздействия включают использование обоих счетчиков частиц , которые контролируют количество наноматериалов и других фоновых частиц в реальном времени; и образцы на основе фильтров, которые можно использовать для идентификации наноматериала, обычно с использованием электронной микроскопии и элементного анализа . [18] [20]

Окружающая среда [ править ]

Солнцезащитные кремы, содержащие наночастицы TiO 2, могут смываться в естественные водоемы и 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] В США Агентство по охране окружающей среды в целом не учитывает физические свойства , такие как размер частиц в классификации веществ и регулирует TiO 2 наночастиц идентично другим формам TiO 2 . [6]

Токсичность [ править ]

Было обнаружено, что диоксид титана токсичен для растений и мелких организмов, таких как черви, нематоды и мелкие членистоногие. [21] Токсичность наночастиц TiO 2 для нематод возрастает с уменьшением диаметра наночастиц, в частности наночастиц 7 нм по сравнению с наночастицами 45 нм, но рост и размножение по-прежнему затрагиваются независимо от размера наночастиц TiO 2 . [21]Выброс диоксида титана в почву может оказать пагубное воздействие на существующую экосистему из-за того, что он препятствует размножению и выживанию почвенных беспозвоночных; он вызывает апоптоз, а также тормозит рост, выживание и размножение этих организмов. Эти беспозвоночные несут ответственность за разложение органического вещества и развитие круговорота питательных веществ в окружающей экосистеме. Без этих организмов состав почвы пострадал бы. [21]

Метрология [ править ]

ISO / TS 11937 - это метрологический стандарт для измерения нескольких характеристик сухого порошка диоксида титана, имеющих отношение к нанотехнологиям: кристаллическая структура и соотношение анатаз-рутил могут быть измерены с помощью дифракции рентгеновских лучей , средний размер частиц и кристаллитов с помощью дифракции рентгеновских лучей или просвечивающего электрон микроскопии и удельной поверхности с использованием метода газовой адсорбции Брунауэра – Эммета – Теллера . [9] [22] Для оценки воздействия на рабочем месте , метод NIOSH.0600 для измерения массовой концентрации мелких частиц может использоваться для наночастиц с использованием подходящего пробоотборника с отбором по размеру частиц, и если распределение по размерам известно, то площадь поверхности может быть выведена из измерения массы. [5] : 79 [23] Метод 7300 NIOSH позволяет отличить TiO 2 от других аэрозолей с помощью элементного анализа с использованием атомно-эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой . Методы электронной микроскопии, оснащенные энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией, также могут определять состав и размер частиц. [5] : 79 [24]

NIST SRM 1898 - эталонный материал, состоящий из сухого порошка нанокристаллов TiO 2 . Он предназначен в качестве эталона в экологических или токсикологических исследованиях, а также для калибровки инструментов, измеряющих удельную поверхность наноматериалов методом Брунауэра – Эммета – Теллера. [22] [25] [26] [27]

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Научный комитет ЕС по здравоохранению" (PDF) .
  2. ^ Анатаз в трансформацию рутила обзор
  3. ^ a b c Völz, Hans G .; Кишкевиц, Юрген; Водич, Питер; Вестерхаус, Аксель; Гриблер, Вольф-Дитер; Де Лидекерке, Марсель; Буксбаум, Гюнтер; Принцен, Гельмут; Мансманн, Манфред; и другие. (2000). «Пигменты неорганические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. п. 52. DOI : 10.1002 / 14356007.a20_243.pub2 . ISBN 9783527306732.
  4. Перейти ↑ Baldini, Edoardo (2017). «Сильносвязанные экситоны в монокристаллах и наночастицах анатаза TiO2» . Nature Communications . 8 (1): 13. DOI : 10.1038 / s41467-017-00016-6 . PMC 5432032 . PMID 28408739 .  
  5. ^ a b c d e f g h i "Текущий информационный бюллетень 63: Профессиональное воздействие диоксида титана" . США Национальный институт по охране труда и здоровья : 1-3, 79, 82. апрель 2011 DOI : 10,26616 / NIOSHPUB2011160 . Проверено 27 апреля 2017 .
  6. ^ a b c d e Офис, Отчетность правительства США (24.06.2010). «Нанотехнологии: наноматериалы широко используются в торговле, но EPA сталкивается с проблемами в регулировании рисков» . США Government Accountability Управление (GAO-10-549): 18-19, 24-25, 34.
  7. ^ Zhang, H. Chen, G., Bahnemann, DW (2009). «Фоэлектрокаталитические материалы для защиты окружающей среды». Журнал химии материалов . 19 (29): 5089–5121. DOI : 10.1039 / b821991e .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ a b c Чжан, Юаньюань; Лей, Ю-Жуй; Эйткен, Роберт Дж .; Ридикер, Майкл (24.07.2015). «Перечень разработанных потребительских товаров, содержащих наночастицы, доступных на розничном рынке Сингапура, и вероятность попадания в водную среду» . Международный журнал исследований окружающей среды и общественного здравоохранения . 12 (8): 8717–8743. DOI : 10.3390 / ijerph120808717 . PMC 4555244 . PMID 26213957 .  
  9. ^ a b c «ISO / TS 11937: 2012 - Нанотехнологии. Наноразмерный диоксид титана в порошковой форме. Характеристики и измерения» . Международная организация по стандартизации . 2012 . Проверено 7 сентября 2017 .
  10. ^ Пиччинно, Фабиано; Готшальк, Фадри; Сигер, Стефан; Новак, Бернд (01.09.2012). «Объемы промышленного производства и использование десяти разработанных наноматериалов в Европе и мире» (PDF) . Журнал исследований наночастиц . 14 (9): 1109. Bibcode : 2012JNR .... 14.1109P . DOI : 10.1007 / s11051-012-1109-9 . ISSN 1388-0764 .  
  11. ^ Келлер, Артуро А .; Макферран, Сюзанна; Лазарева Анастасия; Су, Сангвон (01.06.2013). «Глобальный жизненный цикл выбросов инженерных наноматериалов». Журнал исследований наночастиц . 15 (6): 1692. Bibcode : 2013JNR .... 15.1692K . DOI : 10.1007 / s11051-013-1692-4 . ISSN 1388-0764 . 
  12. ^ Вэнс, Марина Е .; Куикен, Тодд; Vejerano, Eric P .; McGinnis, Jr, Sean P .; Хочелла, Майкл Ф .; Рейески, Дэвид; Халл, Мэтью С. (21 августа 2015 г.). «Нанотехнологии в реальном мире: Перестройка реестра потребительских товаров из наноматериалов» . Бейльштейнский журнал нанотехнологий . 6 (1): 1769–1780. DOI : 10.3762 / bjnano.6.181 . ISSN 2190-4286 . PMC 4578396 . PMID 26425429 .   
  13. ^ «Подводя итоги задач по охране труда нанотехнологий: 2000–2015» . Национальный институт безопасности и гигиены труда США. 2016-08-18. Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  14. ^ «Будущие проблемы, связанные с безопасностью производимых наноматериалов» . Организация экономического сотрудничества и развития . 2016-11-04. п. 11 . Проверено 6 сентября 2017 .
  15. ^ a b c d e f Кесслер, Ребекка (март 2011 г.). «Инженерные наночастицы в потребительских товарах: понимание нового ингредиента» . Перспективы гигиены окружающей среды . 119 (3): A120 – A125. DOI : 10.1289 / ehp.119-A120 . ISSN 0091-6765 . PMC 3060016 . PMID 21356630 .   
  16. ^ «Использование наноматериалов в косметике» . Европейская комиссия . 2017-09-14 . Проверено 14 сентября 2017 .
  17. ^ a b c «Общие безопасные методы работы с инженерными наноматериалами в исследовательских лабораториях» . Национальный институт безопасности и гигиены труда США : 4, 15–28. Май 2012 г. doi : 10.26616 / NIOSHPUB2012147 . Проверено 5 марта 2017 .
  18. ^ a b c «Создание программы безопасности для защиты персонала нанотехнологий: руководство для малых и средних предприятий» . Национальный институт безопасности и гигиены труда США : 8, 12–15. Март 2016 г. doi : 10.26616 / NIOSHPUB2016102 . Проверено 5 марта 2017 .
  19. ^ Б «Текущие Стратегии Технические средства контроля в наноматериала Производство и Downstream Обработка процессов» . Национальный институт безопасности и гигиены труда США : 1–3, 7, 9–10, 17–20. Ноябрь 2013 г. doi : 10.26616 / NIOSHPUB2014102 . Проверено 5 марта 2017 .
  20. ^ Eastlake, Adrienne C .; Бочам, Кэтрин; Мартинес, Кеннет Ф .; Dahm, Matthew M .; Спаркс, Кристофер; Hodson, Laura L .; Джерачи, Чарльз Л. (01.09.2016). «Уточнение метода оценки выбросов наночастиц в методику оценки воздействия наноматериалов (NEAT 2.0)» . Журнал гигиены труда и окружающей среды . 13 (9): 708–717. DOI : 10.1080 / 15459624.2016.1167278 . ISSN 1545-9624 . PMC 4956539 . PMID 27027845 .   
  21. ^ a b c Туриньо, Паула С .; ван Гестель, Корнелис А.М.; Лофты, Стивен; Свендсен, Клаус; Соареш, Amadeu MVM; Лоурейро, Сусана (01.08.2012). «Наночастицы на основе металлов в почве: судьба, поведение и влияние на почвенных беспозвоночных». Экологическая токсикология и химия . 31 (8): 1679–1692. DOI : 10.1002 / etc.1880 . ISSN 1552-8618 . PMID 22573562 .  
  22. ^ a b Стефаняк, Александр Б. (2017). «Основные показатели и приборы для характеристики инженерных наноматериалов» . В Мэнсфилде, Элизабет; Kaiser, Debra L .; Фудзита, Дайсуке; Ван де Вурде, Марсель (ред.). Метрология и стандартизация нанотехнологий . Wiley-VCH Verlag. С. 151–174. DOI : 10.1002 / 9783527800308.ch8 . ISBN 9783527800308.
  23. ^ Бартли, Дэвид L .; Фельдман, Рэй (1998-01-15). «Твердые частицы, не регулируемые иным образом, пригодные для вдыхания» (PDF) . Руководство по аналитическим методам NIOSH (4-е изд.). Национальный институт безопасности и гигиены труда США . Проверено 7 сентября 2017 .
  24. ^ Миллсон, Марк; Халл, Р. ДеЛон; Перкинс, Джеймс Б.; Уиллер, Дэвид Л .; Николсон, Кейт; Эндрюс, Ронни (2003-03-15). «Метод NIOSH 7300: Элементы методом ICP (озоление азотной / хлорной кислотой)» (PDF) . Руководство по аналитическим методам NIOSH (4-е изд.). Национальный институт безопасности и гигиены труда США . Проверено 25 апреля 2017 .
  25. ^ "SRM 1898 - наноматериал диоксида титана" . США Национальный институт стандартов и технологий . Архивировано из оригинала на 2017-09-17 . Проверено 7 сентября 2017 .
  26. ^ Свенсон, Гейл (2012-09-05). «Новый эталонный материал NIST может помочь исследованию токсичности наноматериалов» . Национальный институт стандартов и технологий США . Проверено 6 сентября 2017 .
  27. ^ Хэкли, Винсент А .; Стефаняк, Александр Б. (июнь 2013 г.). « » Реальная «точность, смещение, а также между-лаборатория вариация для измерения площади поверхности наноматериала диоксида титана в форме порошка» . Журнал исследований наночастиц . 15 (6): 1742. Bibcode : 2013JNR .... 15.1742H . DOI : 10.1007 / s11051-013-1742-у . ISSN 1388-0764 . PMC 4523471 . PMID 26251637 .