Dióxido de Titânio




O dióxido de titânio, também conhecido como o titânio (IV) ou óxido de titânia, é o óxido natural de titânio, com a fórmula química TiO2. Quando usado como pigmento, é chamado de titânio branco, pigmento branco 6 ou CI 77891. Tem uma vasta gama de aplicações, da pintura ao protetor solar, para o corante. Quando usado como um corante alimentar, tem o número E E171.

Presença

O dióxido de titânio aparece na natureza como os minerais conhecidos: anatase, rutilo e brookita. Além disso, como duas formas de alta pressão, uma forma monoclínica “baddeleita” e como uma forma ortorrômbica α-PbO2, ambas encontradas recentemente na cratera de Ries, na Bavária. A forma mais comum é o rutilo, que é também a fase de equilíbrio em todas as temperaturas. As fases metaestáveis e anatase da brookita, se convertem para o rutilo, após aquecimento. O rutilo, o anatásio e a brookita, contêm seis titânios coordenados.

O dióxido de titânio tem oito alterações - além do rutilo, anatásio e brookita há três formas metaestáveis produzidas sinteticamente (monoclínica, tetragonal e ortorrômbica) e cinco formas de alta pressão.

Com o aparecimento natural dos óxidos, pode-se extraí-los para servirem como uma fonte de titânio de uso comercial. O metal também pode ser extraído de outros minerais, como ilmenita,  minérios leucoxênicos, ou uma das formas mais puras, “areia de praia” de rutilo. Safiras e rubis tem seu asterismo, a partir das impurezas presentes, do rutilo.

O dióxido de titânio (B) é encontrado como um mineral em bordas desgastadas de “tektites” e “perovskita” e como lamelas em anatase, em veias hidrotermais, com uma densidade relativamente baixa.

Linhas espectrais de óxido de titânio são proeminentes nas estrelas de classe M, que são permissíveis o suficiente para a formação de moléculas do composto químico.

Produção

O dióxido de titânio em bruto é purificado através de conversão do tetracloreto de titânio no processo de cloreto. Neste processo, o minério bruto (TiO2 contendo pelo menos 70%) é reduzido com carbono, oxidado com o cloro para dar tetracloreto de titânio; ex: cloração carbotérmica.Este tetracloreto de titânio é destilado, e re-oxidado em uma chama de oxigênio puro ou plasma entre 1500-2000K, para dar dióxido de titânio puro, ao mesmo tempo regenerando o cloro. O cloreto de alumínio é freqüentemente adicionado ao processo como um fornecedor de rutilo; o produto é principalmente anatásio em sua ausência.
 
Outro processo amplamente utilizado é o da ilmenita como fonte de dióxido de titânio, que é digerido em ácido sulfúrico. O subproduto sulfato de ferro (II) é cristalizado e filtrado fora, par se chegar apenas a ceder o sal de titânio na solução de digestão, que é processado ainda para dar dióxido de titânio puro. Outro método para aperfeiçoar a ilmenita é chamado de processo Becher. Um método para a produção de dióxido de titânio com relevância para a nanotecnologia, é a síntese solvotérmica do dióxido de titânio.

Nanotubos

O anatase pode ser convertido por síntese hidrotérmica para nanotubos inorgânicos de anatase delaminado e nanofitas de “titanato”, os quais são de interesse potencial como suporte catalítico e foto catalisador. Em síntese, o anatase é misturado com hidróxido de sódio 10 M e aquecido a 130 ° C por 72 horas. O produto da reação é lavado com ácido clorídrico diluído e aquecido a 400 ° C por mais 15 horas. O rendimento dos nanotubos é quantitativo, os quais têm um diâmetro exterior de 10 a 20 nm, um diâmetro interno de 5 a 8 nm e tem um comprimento de 1 ìm. Numa temperatura maior de reação (170 ° C) e volume menor, aparecem os nanofios correspondentes.

Aplicações

Pigmento

O dióxido de titânio é o pigmento branco mais utilizado, devido ao seu brilho e alto índice de refração (n = 2,7), onde é superado apenas por outros materiais. Cerca de 4 milhões de toneladas de TiO2 pigmentares são consumidas anualmente em todo o mundo. Quando depositado como uma película fina, o seu índice de refração e cores, o tornam um excelente revestimento refletor ótico de espelhos dielétricos e algumas pedras preciosas como o "topázio de fogo místico". O TiO2 é também um opacificante eficaz na forma de pó, onde é empregado como pigmento para proporcionar brancura e opacidade aos produtos como tintas, revestimentos, plásticos, papéis, tintas, alimentos, medicamentos (ou seja, comprimidos e pastilhas), assim como a maioria dos cremes dentais . Na pintura, é muitas vezes referido no jargão, como "o branco perfeito", "o branco mais branco" ou termos similares. A opacidade é melhorada pelo dimensionamento ideal das partículas de dióxido de titânio.

Em esmaltes cerâmicos de dióxido de titânio, atua como um opacificante na formação de cristais sementes.

O dióxido de titânio é usado freqüentemente para branquear o leite desnatado, o que foi demonstrado estatisticamente e para aumentar o sabor do leite desnatado.

O dióxido de titânio é usado para marcar as linhas brancas nas quadras de tênis do All England Lawn Tennis e Croquet Club, mais conhecido como o palco para o torneio anual de tênis do, Campeonato Grand Slam, em Wimbledon.

O exterior do foguete Saturno V foi pintado com dióxido de titânio, o que os astrônomos posteriormente permitiram determinar que J002E3 foi o estágio S-IVB da Apollo 12 e não um asteróide.

Protetor solar e absorvência de UV em cosméticos

Os protetores solares, bloqueadores de UV e produtos cosméticos para pele, usam o dióxido de titânio como um pigmento, protetor solar e espessante. Ele também é usado como pigmento de tatuagem e em lápis hemostático. O dióxido de titânio é produzido em diferentes tamanhos de partículas, dispersíveis em óleo e água, com diferentes revestimentos para a indústria cosmética. Este pigmento é usado extensivamente em plásticos e outros aplicativos pelas suas propriedades de resistência à radiação UV, onde ele atua como um absorvedor de UV, transformando eficientemente a energia destrutiva da luz UV, em calor.

O dióxido de titânio é encontrado em quase todos os protetores solares, como um bloqueador físico por causa de seu alto índice de refração, sua grande capacidade de absorver a luz UV e a sua resistência à descoloração sob esta luz. Esta vantagem aumenta a sua estabilidade e capacidade de proteger a pele dos raios ultravioleta. Protetores solares projetados para crianças ou pessoas com pele sensível,m são geralmente baseados em dióxido de titânio e / ou óxido de zinco, uma vez que estes bloqueadores de UV mineral são tidos como causadores de  menos irritação à pele do que outros produtos químicos que absorvem o UV. As partículas de dióxido de titânio utilizado em protetores solares devem ser revestidas com sílica ou alumina, , porque o dióxido de titânio cria radicais na reação foto catalítica. Estes radicais são cancerígenos e podem prejudicar a pele.

Foto catalisadores

O dióxido de titânio, especialmente na forma anatase, é um foto catalisador sob luz ultravioleta (UV). Recentemente, foi verificado que o dióxido de titânio, quando enriquecido com íons de nitrogênio ou dopado com óxido de metal, como o trióxido de tungstênio, é também um fóton catalisador sob qualquer luz visível ou UV. O forte potencial oxidante dos buracos positivos leva a água a formar os radicais, hidroxila. Ele também pode oxidar oxigênio ou materiais orgânicos diretamente. O dióxido de titânio é, portanto, adicionado a tintas, cimento, janelas, telhas, ou outros produtos para a sua esterilização, desodorização e propriedades anti-incrustantes e é usado como um catalisador de hidrólise. Ele também é usado para tingir células solares sensibilizadas, que são um tipo de célula química solar (também conhecida  como célula Graetzel).

As propriedades fotocatalíticas do dióxido de titânio foram  descobertas por Akira Fujishima em 1967 e publicadas em 1972. O processo sobre a superfície do dióxido de titânio foi chamado de efeito-Honda Fujishima. O dióxido de titânio tem potencial para uso na produção de energia: como foto catalisador, e pode:

  • Realizar a hidrólise, ou seja, quebrar a água em hidrogênio e oxigênio. Foi coletado o hidrogênio, que poderia ser usado como combustível. A eficiência deste processo pode ser melhorada por doping do óxido com o carbono. Mais eficiência e durabilidade foram obtidas através da introdução da não uniformidade para a estrutura de rede (treliça) da camada de superfície dos nanocristais de dióxido de titânio, permitindo a absorção do infravermelho.
  • O dióxido de titânio pode também produzir eletricidade quando em forma de nanopartículas. A pesquisa sugere que, ao utilizar essas nanopartículas para formar os pixels de uma tela, elas podem gerar eletricidade quando transparentes e sob a influência da luz. Se for submetido à eletricidade, por outro lado, as nanopartículas escurecem, formando as características básicas de uma tela de LCD. De acordo com o criador Zoran Radivojevic, a Nokia já construiu uma tela funcional monocromática de 200 por 200 pixels que é energeticamente auto-suficiente.

Em 1995, Fujishima e seu grupo, descobriu o fenômeno ”super hidrofilibilidade”  de vidro revestido de dióxido de titânio exposto à luz do sol. Isso resultou no desenvolvimento de um vidro auto limpante e revestimentos anti-embaçamento.

O TiO2 incorporado nos materiais de construção ao ar livre, tais como a pavimentação em blocos ”noxer” ou tintas, pode reduzir substancialmente as concentrações de poluentes atmosféricos, tais como compostos orgânicos voláteis e óxidos de nitrogênio.

Um cimento foto catalítico que utiliza dióxido de titânio como componente principal, produzido pelo Grupo Italcementi, foi incluído no Top 50 da Time invenções de 2008.

O TiO2 oferece um grande potencial como uma tecnologia industrial para a desintoxicação ou reparação de esgotos, devido a vários fatores.

1. O processo ocorre sob condições ambientais, muito lentamente, a exposição direta de luz ultravioleta aumenta a taxa de reação.

2. A formação de produtos intermediários foto cíclicos, ao contrário de técnicas de fotólise direta, é evitada.

3. A oxidação dos substratos de CO2 é completa.

4. O foto catalisador é barato e tem uma alta rotatividade.

5. O TiO2 pode ser suportado em substratos de reator adequado.

Meio eletrônico de armazenamento de dados

Pesquisadores da Universidade de Tóquio, no Japão, criaram um disco de titânio de 25 terabytes à base de óxido.

Outras aplicações

O dióxido de titânio em solução ou suspensão, pode ser usado para clivar proteínas que contém o aminoácido prolina no local onde a prolina está presente. Este avanço rentável na separação de proteínas teve destaque na Universidade Estadual do Arizona em 2006.

O dióxido de titânio também é usado como um material “memristor”, um novo elemento em circuito eletrônico. Ele pode ser empregado para a conversão da energia solar baseada em corantes, polímeros, ou pontos quânticos sensibilizados nanocristalinos de células solares TiO2 utilizando polímeros conjugados como eletrólitos sólidos.

Cristais sintéticos simples e filmes de TiO2 são usados como semicondutores, e também em espelhos dielétricos do tipo “Bragg-stack”, devido ao alto índice de refração de TiO2 (2,5-2,9).

Saúde e segurança

O dióxido de titânio é incompatível com oxidantes fortes e ácidos fortes. Reações violentas ou incandescentes podem ocorrer com metais (fundidos e muito eletro positivo) (por exemplo, alumínio, cálcio, magnésio, potássio, sódio, zinco e lítio).

O dióxido de titânio responde por 70% do volume total da produção de pigmentos em todo o mundo. É amplamente utilizada para fornecer a brancura e opacidade aos produtos como tintas, plásticos, papéis, tintas, alimentos e cremes dentais. É também usado em produtos cosméticos e de cuidados da pele, e está presente em quase todos os protetores solares, onde ajuda a proteger a pele dos raios ultravioleta.

Muitos protetores solares usam as nanopartículas de dióxido de titânio (junto com nanopartículas de óxido de zinco), que não são absorvidas pela pele. Os efeitos na saúde humana ainda não são bem compreendidos.

O pó de dióxido de titânio, quando inalado, foi recentemente classificado pela Agência Internacional para Pesquisa sobre Câncer (IARC), como um carcinogênico do Grupo 2B para os seres humanos. As conclusões da IARC são baseadas na descoberta de que altas concentrações de pó de pigmento grau (em pó) e dióxido de titânio ultrafino causava câncer do trato respiratório em ratos expostos por inalação e instilação intra traqueal. A série de acontecimentos biológicos ou etapas que produzem os cancros do pulmão de ratos (por exemplo, a deposição de partículas, a depuração pulmonar prejudicada, dano celular, fibrose, mutações e, finalmente, câncer) também têm sido observadas em pessoas que trabalham em ambientes empoeirados. Portanto, as observações de câncer em animais foram considerados, pela IARC, como relevante para as pessoas que fazem trabalhos com a exposição à poeira de dióxido de titânio. Por exemplo, trabalhadores da produção de dióxido de titânio podem ser expostos a altas concentrações de poeira durante a embalagem, fresagem, limpeza e manutenção do local, se não houver medidas eficientes de controle de pó no local. No entanto, deve-se notar que os estudos realizados até agora não sugerem uma associação entre a exposição ocupacional ao dióxido de titânio e um risco para aumento do câncer. A segurança quanto ao uso de nano-partículas de dióxido de titânio que podem penetrar no corpo e atingir órgãos internos, tem sido criticada. Estudos também descobriram que as nanopartículas de dióxido de titânio podem causar alterações genéticas em ratos.

Pesquisadores, fabricantes e organizações internacionais como a OCDE, estão trabalhando ativamente para melhorar nossos conhecimentos sobre o dióxido de titânio nanométrico. As Associações de indústria do dióxido de titânio nos EUA e Europa, apóiam um trabalho responsável, particularmente no que diz respeito à compreensão dos efeitos potenciais sobre a saúde nos seres humanos. Pigmentos de dióxido de titânio tem sido fabricados há mais de 70 anos, e sub-pigmentares, ou dióxido de titânio nanométrico, tem sido fabricado há mais de 50 anos. Nenhum efeitos adverso à saúde, atribuído à exposição a dióxido de titânio têm sido relatado em estudos epidemiológicos em trabalhadores na indústria de dióxido de titânio. Os estudos em animais citando efeitos adversos, tais como: dano genético em ratos, entendem que os efeitos observados se aplicam aos seres humanos. Embora os efeitos observados possam ser interessantes em nível de dados, a relevância para os seres humanos não foi estabelecida. 
 
 

Fonte: Wikipedia






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