Диоксид титана: что это, описание, польза и вред, применение

Диоксид титана – это неорганическое соединение, относящееся к группе оксидов. В составе имеет атомы титана и кислорода. Используется во многих сферах благодаря проявлению как основных, так и кислотных свойств. В пищевой промышленности применяется в качестве отбеливающего красителя, имеет код пищевой добавки Е171. Вещество ценится в косметологии, металлургии, фармацевтике. О безопасности дискутируют, постоянно проводятся научные исследования. В России и в большинстве стран диоксид титана считается безвредным.

Что такое диоксид титана, формула

Двуокись титана представляет собой амфотерный оксид, в котором на один атом титана приходится два атома кислорода. Химическая формула TiO₂. За счёт сильного металла (титана) проявляются основные свойства, то есть способность взаимодействовать с кислыми солями, кислотами, неметаллами, которая сопровождается лёгкой передачей электрона. Кислород проявляет кислотные свойства, обеспечивает возможность реагировать с металлами, щелочами, основными солями.

Оксид титана (IV) встречается в природе в составе некоторых минералов:

1. Анатаз – мелкие пластинчатые или призматические кристаллы зеленовато-желтого, черного цвета с примесями олова, ниобия, железа, отличаются ярким блеском и высокой прочностью (5,0-6,0 по шкале Мооса). Встречается относительно редко, распространён в гидротермальных источниках в месторождениях кварца и кальционита, горного хрусталя на территории Урала, Хабаровского края, а также в Норвегии, Франции.

2. Рутил – красно-бурые столбчатые хрупкие кристаллы, чаще всего непрозрачные, с примесями олова, ванадия, тантала, хрома. Характерен металлический блеск. Является основным компонентом титановых руд. На территории России месторождения на Урале и в Туве, за рубежом – Австралия, Индия, США, Италия. Встречается рядом с кварцем, гранитом, магматическими породами.

3. Брукит – уплощённые неравномерно окрашенные минералы (от бесцветного до бурого) таблитчатой формы. Богат примесями ниобия, железа, тантала. Находится в месторождениях горного хрусталя, апатита, рутила, кварца. Основные области формирования – Пермская область, Приполярный Урал, Швейцария, Австрия.

При нормальных условиях диоксид титана имеет вид бесцветных кристаллов без вкуса и запаха. При дроблении образуется мелкодисперсный порошок белого цвета низкой гигроскопичности. При нагревании приобретает желтоватый оттенок. Добавка плохо растворяется: не растворяется в воде, в органических растворителях, в том числе в спирте, минеральных кислотах. Высоко устойчив к разному типы воздействия: стабилен при температуре до 2000 °С. Выдерживает изменение pH среды в широком диапазоне. Не разлагается со временем.

Химический состав, характеристики, пищевая ценность

Диоксид титана не имеет пищевой ценности для организма. В связи с нерастворимостью он не всасывается через слизистые оболочки органов желудочно-кишечного тракта, а выводится вместе с каловыми массами в неизменном виде, не оказывая влияния на метаболизм человека. Титановые белила, добавляемые в продукцию, тщательно очищены и не содержат примесей. Характеристики:

История использования

Знакомство с титаном как с химическим элементом началось именно с открытия двуокиси. Английский учёный и минеролог Уильям Грегор изучал железистые пески – дюнные россыпи, богатые магнитным железняком (Fe₂TiO₄). В ходе экспериментов в 1791 году он выделил новый оксид, который назвал манакеновой землёй. Одновременно в Германии известный немецкий химик Мартин Генрих Клапрот изучал рутил и тоже выделил титановый диоксид, назвав его в честь персонажей древнегреческой мифологии титанов. Звание первооткрывателя досталось Грегору, поскольку он сделал открытие немного раньше, однако осталось название, данное Клапротом. Спустя 10 лет французский химик Луи-Николя Воклен переоткрыл вещество, выделив его из другого минерала – анатаза.

Масштабный синтез титановых белил начался в 1918 году с открытия двух заводов по производству добавки в Норвегии и США. Эти фирмы поставляли соединение в приближенные страны, где его применяли в основном в промышленности, объём продаж был небольшой. Главными потребителями стали художники: живописцы применяли вещество как белило, однако многие партии имели желтоватый оттенок, поэтому не всегда подходили.

В 1923 году открылась компания по выпуску двуокиси титана во Франции. Краситель использовали как эффективный отбеливатель. Через 17 лет производство существенно увеличило темпы из-за открытия более доступного и массового способа получения. Продукт распространился практически по все страны мира.

В 1994 году амфотерный оксид был допущен к использование в пищевой промышленности. При этом его активно применяли в косметологии в фармацевтики для придания светлого оттенка кремам, зубным пастам, таблеткам. В продуктах питания вещество часто встречается в жевательных резинках, кремах для тортов.

К 2004 году производство стало падать. Вероятно, это было связано с конкуренцией на рынке с другими пигментами, в том числе натуральными, а также тенденцией на яркие цвета в пище и косметике. В 2010 году стали появляться данные о токсическом действии двуокиси титана на организм. Не было конкретных доказательств опасности добавки. В 2020 году её запретили во Франции на основании исследований Французской Сельскохозяйственной Академии. В других странах, в том числе в Канаде, России, США Е171 допущена к использованию к предельно допустимых количествах и встречается в продукции повсеместно.

Получение и производство

Промышленное производство оксида происходит на сложно устроенных химических заводах. Впервые синтез проводился из ильменитового концентрата – минерала ильменита (титанового железняка). При этом получалось не чистое вещество, а минеральная модификация – анатаз. Технология существовала до 1940 года и включала несколько этапов:

1. Концентрат ильменита обрабатывался серной кислотой, в ходе реакции образуется сульфат титана с примесями сульфата железа.
2. Раствор, насыщенный сульфатами, поступает на барабанный вакуумный фильтр непрерывного действия, где происходит отбрасывание шлама.
3. Смесь прогоняют через кристаллизатор, где выделяется сернокислое железо.
4. В массу добавляют гидроксид натрия, по этой причине осаждаются молекулы гидроксида титана – частицы гидролизата. Они обладают высокой адсорбцией к солям железо, поэтому притягивают их, слипаются. Впоследствии их удаляют. Происходит гидролиз.
5. Проводят рутилизацию – перевод оксида титана в форму рутила под действием температуры. Термообработка идёт при определённом температурном режиме во вращающихся барабанных печах. В качестве модификаторов и катализаторов могут добавлять различные соединения: хлористый титан, окись цинка. При этом вода испаряется, а гидраты и гидроксиды переходят в диоксид. Как побочный продукт образуется сернистый газ.

Данный метод был не очень удобен и эффективен. Получаемые титановые белила имели плохо очищенные примеси железа, производство было трудоёмким, приходилось контактировать с токсичными веществами и использовать массивное оборудование.

В конце 1939 года был предложен новый способ получения двуокиси титана, который вывел производство на качественно новый уровень. Его начали добывать из четырёххлористого титана посредством различных технологий:

• ферментативный гидролиз тетрахлорида титата в воде с последующим прокаливанием нерастворимого осадка гидроксида;
• использование для гидролиза водяного пара и пара четырёххлористого титана, температурное воздействие до 1000 °С;
• сгорание тетрахлорида в атмосфере кислорода.

Наиболее распространён высокотемпературный парофазный синтез, предложенный в 1948 году. Реакция идёт в безводных условиях, сначала получают хлорид титана (IV) путём воздействия на титановую руду газообразного хлора в присутствии молекулярного углерода (в качестве восстановителя). Затем отделенных от побочных продуктов тетрахлорид окисляется. При этом специалисты полностью владеют ситуацией и могут направлять ход синтеза в нужную сторону, поэтому готовый продукт очень качественный и чистый. Такой способ получения требует высокой квалификации сотрудников, а выпускаемая добавка самая дорогая на рынке.

Воздействие на организм

Оксид титана (IV) в виде пищевой или косметической добавки не наносит вреда здоровью. Это связано с тем, что он плохо проникает через кожу и совсем не всасывается в кишечнике, что исключает его участие в биохимических циклах. Однако наночастицы титановых белил имеют мельчайшие размеры, гораздо более меньшие, чем макромолекулы вещества. Наночастицы при вдыхании могут привести к возникновению злокачественных новообразований.

Вред для организма, противопоказания, побочные эффекты

Негативное влияние титановых белил связано с образованием мелких твёрдых частиц, способных повреждать слизистые оболочки и влиять на ДНК клеток человека, проявляя мутагенные свойства. Внесение мутации в генотип приводит к тому, что клетка становится опухолевой и начинает бесконтрольное деление. В результате возникает онкология. Пищевая добавка Е171 в составе продуктов питания потенциально не может вызвать рост новообразований, поскольку наночастицы наносят урон при вдыхании, а не пероральном употреблении.

Главным противопоказанием к приёму пищи, содержащей двуокись титана, является индивидуальная непереносимость. Она возникает редко, проявляется в тошноте, диспепсии, аллергических реакциях. Людям с заболеваниями печени, почечной недостаточностью, сниженным иммунитетом, а также детям и пожилым следует избегать таких продуктов. С осторожностью их могут принимать беременные и кормящие женщины. Диоксид титана не имеет побочных эффектов.

Полезные свойства

Высокая реакционная способность и уникальные свойства диоксида титана ценятся во многих отраслях деятельности. Для здоровья человека он нейтрален, положительно не влияет. Однако его полезные качества применяются в нанотехнологиях, пищевой промышленности, медицине. В качестве пищевой добавки титановый оксид выгоден, потому что не изменяет вкус и запах продукта, не всасывается и не участвует в пищеварении. При этом краситель даёт яркое и быстрое отбеливание, безопасное для организма.

Научные исследования диоксида титана

Международное агентство по исследованию рака включило оксид в список возможных канцерогенов. В 2010 году были опубликованы данные Национального института сельскохозяйственных исследований Франции о возможной токсичности двуокиси титана. Исследователи проводили испытания на лабораторных грызунах и на небольшой выборке добровольцев.

Опыты на крысах показали существенное снижение иммунитета и повышение риска появления злокачественных новообразований. Однако результаты были не вполне достоверными, т.к. их нельзя перенести на людей. Европейское агентство по безопасности продуктов питания заинтересовалась экспериментами, но после изучения 4 публикаций, сделанных в течение 6 лет, пришло к выводу, что нет оснований запрещать пищевую добавку, т.к. в статьях речь идёт о вдыхании наночастиц. Тем не менее, правительство Франции в 2020 году решило запретить Е171.

Спустя год Европейское управление по безопасности пищевых продуктов вновь вернулось к обсуждению этого вопроса и сделало заявление, что диоксид титана больше не может называться безопасной добавкой и вскоре его необходимо исключить из оборота на всей территории Европейского союза. Несмотря на это, сегодня добавка по-прежнему разрешена, а дискуссия об отмене только ведется.

Потенциальное негативное влияние титановых белил сохраняется в косметической продукции, которая требует распыления (солнцезащитные аэрозоли), а также в кремах. В связи с этим многие государства ужесточили требования и понизили предельно допустимую концентрацию оксида в этих товарах.

Применение диоксида титана

Титановые белила применяются во всех сферах деятельности. С давнего времени их используют в производстве красок, в том числе лаков. Соединение ценится также в пищевой промышленности в качестве нейтрального красителя, не влияющего на структуру и свойства продукта, а также в медицине, косметологии. Часто диоксид титана необходим при производстве бумаги, пластмасс, синтетики и много другого.

Применение диоксида титана в пищевой промышленности

Е171 – это краситель с отбеливающим эффектов. Он придаёт белый цвет самым разным продуктам, а также способствует поддерживанию и сохранению других цветов, защите их от ультрафиолетового излучения. Пищевую добавку можно найти в составе различной пищи:

• жевательные, карамельные конфеты;
• жвачка;
• мясная и рыбная продукция;
• морепродукты;
• сухие завтраки;
• смеси для быстрого приготовления напитков и супов;
• крабовые палочки;
• сахар, сахарная пудра, рафинад;
• мука;
• печенье;
• хлебобулочные изделия;
• фруктовые джемы;
• сыры;
• сгущённое молоко;
• кондитерские изделия в составе бисквитов или крема (торты, пирожные);
• кисломолочная продукция.

Титановый диоксид добавляется в большинство продуктов для улучшения товарного вида. Он удобен в использовании, поскольку не изменяет вкуса и запаха, выдерживает высокие температуры, не разлагается и не портит структуру с течением времени. Кроме того, на данный момент он считается безопасным, поэтому добавляется в допустимых количествах. Нормативными актами строго ограничена концентрация Е171 в пище: не более 0,1 мг на 1 кг массы продукта.

Применение диоксида титана в фармацевтике и косметологии

Пигмент используется при различных лекарственных форм для придания им белого цвета. Для этого разрешено добавлять только высокочистый диоксид титана. Окраска проявляется при внесении минимальных количеств красителя. Е171 не только улучшает внешний вид прерпаратов, но и защищает их от разрушительного действия УФ-излучения. Титановые белила можно найти в составе:

• таблеток;
• капсул;
• драже;
• суппозиторий;
• мазей.

Способность двуокиси титана поглощать лучи ультрафиолета нашла применение в косметических товарах. В кремах до и после загара он выполняет защитную функцию, препятствует появлению ожогов, неравномерной пигментации, развитию злокачественных опухолей кожи.

Диоксид титана в зубной пасте, а также мыле и других гигиенических средствах титановый диоксид в основном улучшает внешний вид.

Применение диоксида титана в других сферах

В промышленности оксид титана (IV) – незаменимый реагент во многих производствах. Так, при выпуске синтетических тканей вещество способствует образованию матовой гладкой поверхности, участвует в отбеливании.

Диоксид титана добавляется в большинство лакокрасочных материалов, а также в стройматериалы:

• эпоксидная краска;
• водно-дисперсная краска;
• штукатурные растворы;
• шпаклёвки;
• грунтовки;
• печатные краски;
• покрытия, основанные на полиуретане;
• силикатные краски;
• глянцевые краски.

Добавка повышает устойчивость материала к солнечному света и других негативным атмосферным факторам, тем самым продлевает срок службы.

Двуокисью титана отбеливают обои и различные виды бумаги (цветную, картонную, парафиновую). То же характерно и для пластмассы: соединение обеспечивает чистую белизну, усиливает яркость других цветов, укрепляет пластик.

Как катализатор оксид может применяться в неорганическом и органическом синтезе для ускорения протекания химических реакций. Важно, что при этом он остаётся инертным, не даёт ненужных примесей.

Допустимые нормы приема

Не существует установленной дозы приёма диоксида титана. Предел поступления в организм контролируется путём ограничения концентрации Е171 в продуктах. Товары не должны содержать более 1% титанового диоксида. В солнцезащитных средствах не более 2-25%.

Класс опасности, хранение

Диоксид титана относится к 4 классу опасности – малоопасные химические вещества. Способны нанести вред здоровью при несоблюдении мер безопасности. Хранить необходимо в оригинальной упаковке вдали от солнечных лучей, при относительной влажности не более 70%, исключить проветривание. Температурный режим не должен превышать 25 °С. Срок годности 5 лет с момента изготовления.

Где купить и сколько стоит диоксид титана

Двуокись титана продаётся заводами-производителями. Продукция в основном импортируется из-за рубежа: США, Великобритания, Германия. Существуют и отечественные производители. Средняя цена за 25 кг Е171 составляет 1000 рублей за 1 кг. В розницу титановые белила можно купить в интернет-магазинах, 50 грамм красителя стоят 300-500 рублей.

Заключение

Диоксид титана – это неорганическое соединение, амфотерный оксид, который активно используется в промышленности в качестве отбеливающего вещества, а также для повышения устойчивости к негативным факторам окружающей среды. Краситель улучшает товарный вид продуктов питания, косметических средств. В солнцезащитных кремах и аэрозолях защищает кожные покровы от УФ-излучения. На сегодняшний день Е171 считается безопасным, однако вскоре это может измениться.