Διοξείδιο του τιτανίου

Το **Διοξείδιο του τιτανίου**, επίσης γνωστό ως **οξείδιο του τιτανίου(IV)** ή **τιτάνια**, είναι η ανόργανη ένωση που προέρχεται από το τιτάνιο με τον χημικό τύπο . Όταν χρησιμοποιείται ως χρωστική, ονομάζεται **λευκό του τιτανίου**, **Pigment White 6** (**PW6**) ή **Διεθνής Δείκτης Χρώματος, CI 77891)**. Είναι ένα λευκό στερεό που είναι αδιάλυτο στο νερό, αν και οι ορυκτές μορφές μπορεί να φαίνονται μαύρες. Ως χρωστική ουσία, έχει ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως στη βαφή, ως αντηλιακό και στη χρωστική τροφίμων. Όταν χρησιμοποιείται ως χρωστική τροφίμων, έχει αριθμό E171. Η παγκόσμια παραγωγή το 2014 ξεπέρασε τους 9 εκατομμύρια τόνους. Έχει υπολογιστεί ότι το διοξείδιο του τιτανίου χρησιμοποιείται στα δύο τρίτα όλων των χρωστικών, και οι χρωστικές που βασίζονται στο οξείδιο έχουν αποτιμηθεί στην τιμή των 13,2 δισεκατομμυρίων δολαρίων.
## Δομή
Και στα τρία κύρια διοξείδια του, το τιτάνιο εμφανίζει οκταεδρική γεωμετρία, συνδεδεμένο με έξι ανιόντα οξειδίου. Τα οξείδια με τη σειρά τους συνδέονται με τρία κέντρα Ti. Οι συνολικές κρυσταλλικές δομές του ρουτιλίου και του ανατάση είναι τετραγωνικές στη συμμετρία ενώ ο βρουκίτης είναι ορθορομβικός. Οι υποδομές του οξυγόνου είναι όλες ελαφρές παραμορφώσεις της μέγιστης πυκνότητας: στο ρουτίλιο, τα ανιόντα του οξειδίου είναι διατεταγμένα σε παραμορφωμένη εξαγωνική μέγιστη πυκνότητα, ενώ είναι κοντά σε κυβική μέγιστη πυκνότητα στον ανατάση και σε *διπλή εξαγωνική μέγιστη πυκνότητα*. στον βρουκίτη. Η δομή ρουτιλίου είναι ευρέως διαδεδομένη για τα άλλα διοξείδια μετάλλων και διφθοριούχων, π.χ. RuO2 και ZnF2.
Το τηγμένο διοξείδιο του τιτανίου έχει μια τοπική δομή στην οποία κάθε Ti συντονίζεται με, κατά μέσο όρο, περίπου 5 άτομα οξυγόνου. Αυτό διαφέρει από τις κρυσταλλικές μορφές στις οποίες το Ti συντονίζεται σε 6 άτομα οξυγόνου.

## Συνθετική και γεωλογική εμφάνιση
Το συνθετικό TiO2 παράγεται κυρίως από το ορυκτό ιλμενίτης. Το ρουτίλιο και ο ανατάσης, που αποτελούν το εμφανιζόμενο στη φύση TiO2, εμφανίζονται επίσης ευρέως, π.χ. το ρουτίλιο ως 'βαρύ ορυκτό' στην άμμο της παραλίας. Το λευκοξένιο, λεπτόκοκκος ανατάσης που σχηματίζεται από φυσική αλλοίωση του ιλμενίτη, είναι ένα ακόμη μετάλλευμα. Οι αστερίες και τα ρουμπίνια παίρνουν τον αστερισμό τους από προσανατολισμένα εγκλείσματα βελόνων ρουτιλίου.
### Ορυκτολογία και ασυνήθιστα πολύμορφα
Το διοξείδιο του τιτανίου εμφανίζεται στη φύση ως ορυκτό ρουτίλιο και ανατάσης. Επιπλέον, δύο μορφές υψηλής πίεσης είναι γνωστά ορυκτά: ένα που μοιάζει με μορφή παρόμοια με μονοκλινή βαδδελεΐτη- γνωστό ως ακαογιίτης (akaogiite), και ένα άλλο έχει μια δομή με ελαφρά μονόκλινη παραμόρφωση του ορθορομβικού του α-PbO2 και είναι γνωστό ως ρισίτης (riesite). Και τα δύο βρίσκονται στον κρατήρα Ries στη Βαυαρία. Προέρχεται κυρίως από τον ιλμενίτη, που είναι το πιο διαδεδομένο μετάλλευμα που περιέχει διοξείδιο του τιτανίου σε όλο τον κόσμο. Το ρουτίλιο είναι το επόμενο πιο άφθονο και περιέχει περίπου 98% διοξείδιο του τιτανίου στο μετάλλευμα. Οι μετασταθερές φάσεις ανατάση και βρουκίτη μετατρέπονται μη αναστρέψιμα στη φάση ρουτιλίου ισορροπίας κατά τη θέρμανση πάνω από θερμοκρασίες στην περιοχή .
Το διοξείδιο του τιτανίου έχει δώδεκα γνωστά πολύμορφα - εκτός από το ρουτίλιο, τoν ανατάση, τον βρουκίτη, τον ακαογιίτη και τον ρισίτη, μπορούν να παραχθούν συνθετικά τρεις μετασταθείς φάσεις (μονοκλινούς, τετραγωνικού και ορθορομβικού παρόμοιου με ραμσδελίτη (ramsdellite)) Υπάρχουν επίσης τέσσερις μορφές υψηλής πίεσης (παρόμοιου με α-PbO2, παρόμοιου με κοτουνίτη, ορθορομβική ΟΙ και κυβικές φάσεις):

Η φάση τύπου κοτουνίτη ήταν το σκληρότερο γνωστό οξείδιο με σκληρότητα Vickers 38&nbsp;GPa και μέτρο διόγκωσης 431&nbsp;GPa (δηλαδή κοντά στην τιμή του διαμαντιού 446&nbsp; GPa) σε ατμοσφαιρική πίεση. Ωστόσο, μεταγενέστερες μελέτες κατέληξαν σε διαφορετικά συμπεράσματα με πολύ χαμηλότερες τιμές και για τη σκληρότητα (7–20&nbsp;GPa, γεγονός που το καθιστά πιο μαλακό από τα κοινά οξείδια όπως το κορούνδιο Al2O3 και ρουτίλιο TiO2) and μέτρο διόγκωσης (~300&nbsp;GPa).
Το διοξείδιο του τιτανίου (Β) βρίσκεται ως ορυκτό σε μαγματικά πετρώματα και υδροθερμικές φλέβες, καθώς και στα άκρα αποσάθρωσης στον περοβσκίτη. Το TiO2 σχηματίζει επίσης φύλλα σε άλλα ορυκτά.

## Παραγωγή

Οι μεγαλύτεροι επεξεργαστές χρωστικών  είναι οι Chemours, Venator, Kronos και Tronox. Οι κύριοι τελικοί χρήστες εταιρειών χρωμάτων και επικαλύψεων για διοξείδιο του τιτανίου ποιότητας χρωστικής περιλαμβάνουν τους Akzo Nobel, PPG Industries, Sherwin Williams, BASF, Kansai Paints και Valspar . Η παγκόσμια ζήτηση χρωστικής  για το 2010 ήταν 5,3 Mt με ετήσια αύξηση που αναμένεται να είναι περίπου 3–4%.

Η μέθοδος παραγωγής εξαρτάται από την πρώτη ύλη. Εκτός από τα μεταλλεύματα, άλλες πρώτες ύλες περιλαμβάνουν αναβαθμισμένη σκωρία. Τόσο η διεργασία χλωρίου όσο και η διεργασία θειικού (και οι δύο περιγράφονται παρακάτω) παράγουν χρωστική ουσία διοξειδίου του τιτανίου σε κρυσταλλική μορφή ρουτιλίου, αλλά η διαδικασία θειικού μπορεί να προσαρμοστεί για να παράγει τη μορφή ανάταση. Ο ανατάσης, όντας πιο μαλακή, χρησιμοποιείται σε εφαρμογές ινών και χαρτιού. Η διεργασία θειικών εκτελείται ως τμηματική παραγωγή (batch production). Η διεργασία χλωρίου εκτελείται ως συνεχής διεργασία (continuous process).
### Διεργασία χλωρίου
Στη διεργασία χλωρίου, το μετάλλευμα υποβάλλεται σε επεξεργασία με χλώριο και άνθρακα για να δώσει τετραχλωριούχο τιτάνιο, ένα πτητικό υγρό που καθαρίζεται περαιτέρω με απόσταξη. Το TiCl4 υποβάλλεται σε επεξεργασία με οξυγόνο για την αναγέννηση του χλωρίου και την παραγωγή του διοξειδίου του τιτανίου.
### Διεργασία θειικών
Στη διεργασία θειικών, ο ιλμενίτης υποβάλλεται σε επεξεργασία με θειικό οξύ για να εκχυλιστεί πενταένυδρος θειικός σίδηρος(II). Αυτή η διεργασία απαιτεί συμπυκνωμένο ιλμενίτη (45–60% TiO2) ή προεπεξεργασμένες πρώτες ύλες ως κατάλληλη πηγή τιτανίου. Το προκύπτον συνθετικό ρουτίλιο υποβάλλεται σε περαιτέρω επεξεργασία σύμφωνα με τις προδιαγραφές του τελικού χρήστη, δηλαδή ποιότητα χρωστικής ή με άλλο τρόπο.
Παραδείγματα εγκαταστάσεων που χρησιμοποιούν τη διαδικασία θειικών είναι το εργοστάσιο Sorel-Tracy της QIT-Fer et Titane και το μεταλλουργείο Eramet Titanium & Iron στο Tyssedal της Νορβηγίας.
### Μέθοδος Becher
Η μέθοδος Becher είναι μια άλλη μέθοδος για την παραγωγή συνθετικού ρουτιλίου από ιλμενίτη. Αρχικά οξειδώνει τον ιλμενίτη ως μέσο διαχωρισμού του συστατικού σιδήρου.
### Εξειδικευμένες μέθοδοι
Για ειδικές εφαρμογές, οι μεμβράνες TiO2 παρασκευάζονται από διάφορα εξειδικευμένα χημικά. Οι οδοί λύματος-πηκτής (sol-gel) περιλαμβάνουν την υδρόλυση αλκοξειδίων του τιτανίου όπως αιθοξείδιο του τιτανίου:
:Ti(OEt)4 + 2 H2O → TiO2 + 4 EtOH
Μια σχετική προσέγγιση που βασίζεται επίσης σε μοριακές πρόδρομες ενώσεις περιλαμβάνει χημική εναπόθεση ατμού. Σε αυτήν τη μέθοδο, το αλκοξείδιο εξατμίζεται και στη συνέχεια αποσυντίθεται σε επαφή με μια θερμή επιφάνεια:
:Ti(OEt)4 → TiO2 + 2 Et2O

## Εφαρμογές
### Χρωστική
Η πρώτη μαζική παραγωγή έγινε το 1916. Το διοξείδιο του τιτανίου είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη λευκή χρωστική ουσία λόγω της φωτεινότητάς του και του πολύ υψηλού δείκτη διάθλασης, τον οποίο το ξεπερνούν μόνο μερικά άλλα υλικά. Το μέγεθος κρυστάλλου του διοξειδίου του τιτανίου είναι ιδανικά περίπου 220&nbsp;nm (μετρούμενο με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο) για βελτιστοποίηση της μέγιστης ανάκλασης του ορατού φωτός. Ωστόσο, ανώμαλη ανάπτυξη κόκκων παρατηρείται συχνά στο διοξείδιο του τιτανίου, ιδιαίτερα στη φάση του ρουτιλίου. Η εμφάνιση ανώμαλης ανάπτυξης κόκκων επιφέρει απόκλιση ενός μικρού αριθμού κρυσταλλιτών από το μέσο μέγεθος κρυστάλλων και τροποποιεί τη φυσική συμπεριφορά του TiO2. Οι οπτικές ιδιότητες της τελικής χρωστικής είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στην καθαρότητα. Ελάχιστα μέρη ανά εκατομμύριο (ppm) ορισμένων μετάλλων (Cr, V, Cu, Fe, Nb) μπορούν να διαταράξουν τόσο πολύ το κρυσταλλικό πλέγμα που το αποτέλεσμα μπορεί να ανιχνευθεί στον ποιοτικό έλεγχο. Περίπου 4,6 εκατομμύρια τόνοι χρωστικής TiO2 χρησιμοποιούνται ετησίως παγκοσμίως και ο αριθμός αυτός αναμένεται να αυξηθεί καθώς η χρήση συνεχίζει να αυξάνεται.
Το TiO2 είναι επίσης ένας αποτελεσματικός αδιαφανοποιητής σε μορφή σκόνης, που χρησιμοποιείται ως χρωστική ουσία για να παρέχει λευκότητα και αδιαφάνεια σε προϊόντα όπως βαφές, επικαλύψεις, πλαστικά, χαρτιά, μελάνια, τρόφιμα, διατροφικά συμπληρώματα, φάρμακα (δηλαδή χάπια και δισκία), και στις περισσότερες οδοντόκρεμες. Το 2019 ήταν παρόν στα δύο τρίτα των οδοντόκρεμων στη γαλλική αγορά. Στα τρόφιμα, βρίσκεται συνήθως σε προϊόντα όπως παγωτά, σοκολάτες, όλα τα είδη καραμέλας, κρέμες, επιδόρπια, γλυκίσματα, τσίχλες, αρτοσκευάσματα, αλείμματα, γεμίσεις και πολλά άλλα τρόφιμα. Opacity is improved by optimal sizing of the titanium dioxide particles. Στη βαφή, αναφέρεται συχνά ως "λαμπερό λευκό", "το τέλειο λευκό", "το πιο λευκό λευκό" ή άλλους παρόμοιους όρους. Η αδιαφάνεια βελτιώνεται με το βέλτιστο μέγεθος των σωματιδίων του διοξειδίου του τιτανίου.
### Λεπτές μεμβράνες
Όταν αποτίθεται ως λεπτή μεμβράνη, ο δείκτης διάθλασης και το χρώμα του το καθιστούν εξαιρετική ανακλαστική οπτική επίστρωση για διηλεκτρικά κάτοπτρα. Χρησιμοποιείται επίσης για τη δημιουργία διακοσμητικών λεπτών μεμβρανών όπως το "mystic fire topaz".
Ορισμένες ποιότητες τροποποιημένων χρωστικών με βάση το τιτάνιο, όπως χρησιμοποιούνται σε αστραφτερά χρώματα, πλαστικά, φινιρίσματα και καλλυντικά – πρόκειται για τεχνητές χρωστικές των οποίων τα σωματίδια έχουν δύο ή περισσότερα στρώματα από διάφορα οξείδια – συχνά διοξείδιο του τιτανίου, οξείδια του σιδήρου, ή οξείδιο του αργιλίου – για να έχετε αστραφτερά, ιριδίζοντα και ή μαργαριταρένια αποτελέσματα παρόμοια με θρυμματισμένα προϊόντα με βάση μαρμαρυγίες ή γουανίνη. Εκτός από αυτά τα αποτελέσματα, μια περιορισμένη αλλαγή χρώματος είναι δυνατή σε ορισμένα σκευάσματα ανάλογα με το πώς και με ποια γωνία φωτίζεται το τελικό προϊόν και το πάχος του στρώματος οξειδίου στο σωματίδιο χρωστικής. Ένα ή περισσότερα χρώματα εμφανίζονται με ανάκλαση, ενώ οι άλλοι τόνοι εμφανίζονται λόγω παρεμβολής των διαφανών στρωμάτων διοξειδίου του τιτανίου. Σε ορισμένα προϊόντα, το στρώμα του διοξειδίου του τιτανίου αναπτύσσεται σε συνδυασμό με το οξείδιο του σιδήρου με πύρωση αλάτων τιτανίου (θειικά, χλωρικά) περίπου στους 800°C  Ένα παράδειγμα μαργαριταρένιας χρωστικής είναι η Iriodin, με βάση μαρμαρυγία επικαλυμμένη με διοξείδιο του τιτανίου ή οξείδιο σιδήρου (III).
Το ιριδίζον αποτέλεσμα σε αυτά τα σωματίδια οξειδίου του τιτανίου είναι σε αντίθεση με το αδιαφανές αποτέλεσμα που λαμβάνεται με τη συνήθη αλεσμένη χρωστική ουσία οξειδίου του τιτανίου που λαμβάνεται με εξόρυξη, στην οποία περίπτωση λαμβάνεται υπόψη μόνο μια ορισμένη διάμετρος του σωματιδίου και το αποτέλεσμα οφείλεται μόνο στη σκέδαση.
### Αντηλιακά και χρωστικές που εμποδίζουν την υπεριώδη ακτινοβολία
Στα προϊόντα καλλυντικών και περιποίησης του δέρματος, το διοξείδιο του τιτανίου χρησιμοποιείται ως χρωστική ουσία, αντηλιακό και πηκτικό. Ως αντηλιακό, χρησιμοποιείται εξαιρετικά λεπτό TiO2, το οποίο είναι αξιοσημείωτο στο ότι σε συνδυασμό με υπερλεπτό οξείδιο του ψευδαργύρου, θεωρείται αποτελεσματικό αντηλιακό που μειώνει τη συχνότητα εμφάνισης ηλιακών εγκαυμάτων και ελαχιστοποιεί την πρόωρη φωτογήρανση, τη φωτοκαρκινογένεση και την ανοσοκαταστολή που σχετίζονται με τη μακροχρόνια υπερβολική έκθεση στον ήλιο. Μερικές φορές αυτοί οι αναστολείς της υπεριώδους ακτινοβολίας συνδυάζονται με χρωστικές ουσίες οξειδίου του σιδήρου στο αντηλιακό για να αυξήσουν την προστασία του ορατού φωτός.
Το διοξείδιο του τιτανίου και το οξείδιο του ψευδαργύρου θεωρούνται γενικά λιγότερο επιβλαβή για τους κοραλλιογενείς υφάλους από τα αντηλιακά που περιλαμβάνουν χημικές ουσίες όπως οξυβενζόνη, οκτοκρυλένιο και οκτανικό οξύ.
Το διοξείδιο του τιτανίου νανομεγέθους βρίσκεται στην πλειονότητα των φυσικών αντηλιακών λόγω των ισχυρών δυνατοτήτων απορρόφησης του υπεριώδους φωτός και της αντοχής του στον αποχρωματισμό κάτω από υπεριώδες φως. Αυτό το πλεονέκτημα ενισχύει τη σταθερότητά του και την ικανότητά του να προστατεύει το δέρμα από το υπεριώδες φως. Σωματίδια διοξειδίου του τιτανίου νανοκλίμακας (μέγεθος σωματιδίων 20–40&nbsp;nm) χρησιμοποιούνται κυρίως σε αντηλιακές λοσιόν επειδή διασκορπίζουν το ορατό φως πολύ λιγότερο από τις χρωστικές του διοξειδίου του τιτανίου και μπορούν να προσφέρουν προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία. Τα αντηλιακά που έχουν σχεδιαστεί για βρέφη ή άτομα με ευαίσθητο δέρμα βασίζονται συχνά στο διοξείδιο του τιτανίου και/ή στο οξείδιο του ψευδαργύρου, καθώς αυτοί οι ορυκτές αναστολείς της υπεριώδους ακτινοβολίας πιστεύεται ότι προκαλούν λιγότερο ερεθισμό του δέρματος από άλλες χημικές ουσίες που απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία . Το νανο-TiO2, το οποίο εμποδίζει την ακτινοβολία UV-A και UV-B, χρησιμοποιείται σε αντηλιακά και άλλα καλλυντικά προϊόντα.
Η Επιστημονική Επιτροπή της ΕΕ για την Ασφάλεια των Καταναλωτών έκρινε ότι το διοξείδιο του τιτανίου μεγέθους νανοσωματιδίων είναι ασφαλές για δερματικές εφαρμογές, σε συγκεντρώσεις έως και 25 τοις εκατό με βάση δοκιμές σε ζώα.  Η αξιολόγηση κινδύνου διαφορετικών νανοϋλικών διοξειδίου του τιτανίου στο αντηλιακό εξελίσσεται επί του παρόντος, καθώς το TiO2 σε νανομεγέθη διαφέρει από τη γνωστή μορφή μικροσωματιδίων. Η μορφή ρουτιλίου χρησιμοποιείται γενικά σε καλλυντικά και αντηλιακά προϊόντα επειδή δεν έχει καμία παρατηρούμενη ικανότητα να βλάπτει το δέρμα υπό κανονικές συνθήκες  και έχει υψηλότερη απορρόφηση υπεριώδους ακτινοβολίας. Το 2016, οι δοκιμές της Επιστημονικής Επιτροπής για την Ασφάλεια των Καταναλωτών (SCCS) κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η χρήση νανοδιοξειδίου του τιτανίου (95–100% ρουτίλιο, ≦5% ανατάση) ως φίλτρου υπεριώδους μπορεί να θεωρηθεί ότι δεν ενέχει κανένα κίνδυνο ανεπιθύμητων ενεργειών στον άνθρωπο μετά την εφαρμογή σε υγιές δέρμα, εκτός από την περίπτωση που η μέθοδος εφαρμογής θα οδηγούσε σε ουσιαστικό κίνδυνο εισπνοής (δηλ. σκευάσματα σε σκόνη ή σπρέι). Αυτή η γνώμη ασφαλείας ισχύει για νανο TiO2 σε συγκεντρώσεις έως και 25%.
Οι αρχικές μελέτες έδειξαν ότι τα σωματίδια νανο-TiO2 θα μπορούσαν να διεισδύσουν στο δέρμα, προκαλώντας ανησυχία για τη χρήση του. Αυτές οι μελέτες διαψεύστηκαν αργότερα, όταν ανακαλύφθηκε ότι η μεθοδολογία των δοκιμών δεν μπορούσε να διαφοροποιήσει τα διεισδυμένα σωματίδια και τα σωματίδια που απλώς παγιδεύτηκαν στους θύλακες των τριχών και ότι το άρρωστο ή σωματικά κατεστραμμένο χόριο θα μπορούσε να είναι η πραγματική αιτία ανεπαρκούς προστασίας φραγμού.
Η έρευνα του SCCS διαπίστωσε ότι όταν τα νανοσωματίδια είχαν ορισμένες φωτοσταθερές επικαλύψεις (π.χ., οξείδιο του αργιλίου, διοξείδιο του πυριτίου, φωσφορικό κετυλεστέρας, τριαιθοξυκαπρυλσιλάνιο, διοξείδιο του μαγγανίου), η φωτοκαταλυτική δραστηριότητα μειώθηκε και δεν παρατηρήθηκε αξιοσημείωτη διείσδυση στο δέρμα. Το αντηλιακό σε αυτή την έρευνα εφαρμόστηκε σε ποσότητες 10&nbsp;mg/cm2 για περιόδους έκθεσης 24 ωρών. Η επίστρωση TiO2 με οξείδιο του αργιλίου, πυρίτιο, ζιρκόνιο (ορυκτό) ή διάφορα πολυμερή μπορεί να ελαχιστοποιήσει την αποικοδόμηση της αβοβενζόνης (avobenzone)  και ενισχύουν την απορρόφηση της υπεριώδους ακτινοβολίας με την προσθήκη ενός επιπλέον μηχανισμού περίθλασης φωτός.
Το  χρησιμοποιείται εκτενώς σε πλαστικά και άλλες εφαρμογές ως λευκή χρωστική ουσία ή αδιαφανοποιητής και για τις ιδιότητές του που είναι ανθεκτικές στην υπεριώδη ακτινοβολία, όπου η σκόνη διαχέει το φως - σε αντίθεση με τους οργανικούς απορροφητές UV - και μειώνει τη ζημιά της υπεριώδους ακτινοβολίας, λόγω κυρίως του υψηλού δείκτη διάθλασης του σωματιδίου.

### Άλλες χρήσεις του διοξειδίου του τιτανίου
Στα κεραμικά λούστρα, το διοξείδιο του τιτανίου δρα ως αδιαφανοποιητής και σχηματίζει κρυσταλλικούς σπόρους.
Χρησιμοποιείται ως χρωστική ουσία τατουάζ και σε στυπτικά μολύβια. Το διοξείδιο του τιτανίου παράγεται σε διάφορα μεγέθη σωματιδίων που είναι διασπειρόμενα τόσο σε λάδι όσο και σε νερό, και σε ορισμένες ποιότητες για τη βιομηχανία καλλυντικών. Είναι επίσης ένα κοινό συστατικό στην οδοντόκρεμα.
Το εξωτερικό του πυραύλου Saturn V ήταν βαμμένο με διοξείδιο του τιτανίου. Αυτό επέτρεψε αργότερα στους αστρονόμους να προσδιορίσουν ότι το J002E3 ήταν πιθανότατα το στάδιο S-IVB από το Απόλλων 12 και όχι ένας αστεροειδής.

## Έρευνα
### Δραστηριότητες κατοχύρωσης διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας

Μεταξύ 2002 και 2022, υπήρχαν 459 οικογένειες ευρεσιτεχνιών που περιγράφουν την παραγωγή του διοξειδίου του τιτανίου από ιλμενίτη. Η πλειοψηφία αυτών των διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας περιγράφει τις διαδικασίες προεπεξεργασίας, όπως η χρήση τήξης και μαγνητικού διαχωρισμού για την αύξηση της συγκέντρωσης του τιτανίου σε μεταλλεύματα χαμηλής ποιότητας, που οδηγεί σε συμπυκνώματα ή σκωρίες τιτανίου. Άλλα διπλώματα ευρεσιτεχνίας περιγράφουν τις διεργασίες λήψης διοξειδίου του τιτανίου, είτε με άμεση υδρομεταλλουργική διεργασία, είτε μέσω των κύριων βιομηχανικών διεργασιών παραγωγής, της θειικής διεργασίας και της διεργασίας χλωρίου. Η διεργασία θειικών αντιπροσωπεύει το 40% της παγκόσμιας παραγωγής διοξειδίου του τιτανίου και προστατεύεται στο 23% των οικογενειών διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας. Η διεργασία χλωρίου αναφέρεται μόνο στο 8% των οικογενειών διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας, αν και παρέχει το 60% της παγκόσμιας βιομηχανικής παραγωγής διοξειδίου του τιτανίου. 
Οι βασικοί συνεισφέροντες στα διπλώματα ευρεσιτεχνίας για την παραγωγή διοξειδίου του τιτανίου είναι εταιρείες από την Κίνα, την Αυστραλία και τις Ηνωμένες Πολιτείες, γεγονός που αντικατοπτρίζει τη σημαντική συμβολή αυτών των χωρών στη βιομηχανική παραγωγή. Οι κινεζικοί όμιλοι εταιρειών Pangang και Lomon Billions κατέχουν μεγάλα χαρτοφυλάκια διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας.
### Φωτοκαταλύτης
Το διοξείδιο του τιτανίου σε νανομεγέθη, ιδιαίτερα σε μορφή ανατάση, παρουσιάζει φωτοκαταλυτική δραστηριότητα υπό υπεριώδη ακτινοβολία (UV). Αυτή η φωτοδραστηριότητα φέρεται να είναι πιο έντονη στα επίπεδα του ανατάση {001}, αν και τα επίπεδα {101} είναι θερμοδυναμικά πιο σταθερά και επομένως πιο εμφανή στις περισσότερες συνθετικές και φυσικές μορφές ανατάση, όπως φαίνεται από τη συχνά παρατηρούμενη τετραγωνική διπυραμιδική ανάπτυξητου κρυστάλλου. Οι διεπαφές μεταξύ ρουτιλίου και ανατάση θεωρούνται περαιτέρω ότι βελτιώνουν τη φωτοκαταλυτική δραστηριότητα διευκολύνοντας τον διαχωρισμό του φορέα φορτίου και ως αποτέλεσμα, το διφασικό διοξείδιο του τιτανίου θεωρείται συχνά ότι διαθέτει ενισχυμένη λειτουργικότητα ως φωτοκαταλύτης. Έχει αναφερθεί ότι το διοξείδιο του τιτανίου, όταν εμποτίζεται με ιόντα αζώτου ή με οξείδιο μετάλλου όπως το τριοξείδιο του βολφραμίου, παρουσιάζει διέγερση και κάτω από ορατό φως. Το ισχυρό οξειδωτικό δυναμικό των θετικών οπών οξειδώνει το νερό για να δημιουργήσει ρίζες υδροξυλίου. Μπορεί επίσης να οξειδώσει απευθείας το οξυγόνο ή οργανικά υλικά. Ως εκ τούτου, εκτός από τη χρήση του ως χρωστική ουσία, το διοξείδιο του τιτανίου μπορεί να προστεθεί σε χρώματα, τσιμέντα, παράθυρα, πλακάκια ή άλλα προϊόντα για τις αποστειρωτικές, αποσμητικές και αντιρρυπαντικές του ιδιότητες και χρησιμοποιείται ως καταλύτης υδρόλυσης. Χρησιμοποιείται επίσης σε χρωμοευαίσθητα ηλιακά κύτταρα (dye-sensitized solar cells), τα οποία είναι ένας τύπος χημικού ηλιακού στοιχείου (γνωστό και ως κυψέλη Graetzel).
Οι φωτοκαταλυτικές ιδιότητες του διοξειδίου του τιτανίου σε νανομεγέθη ανακαλύφθηκαν από τον Akira Fujishima το 1967 και δημοσιεύτηκαν το 1972. Η διεργασία στην επιφάνεια του διοξειδίου του τιτανίου ονομάστηκε φαινόμενο Honda-Fujishima. Σε μορφή λεπτής μεμβράνης και νανοσωματιδίου, το διοξείδιο του τιτανίου έχει τη δυνατότητα χρήσης στην παραγωγή ενέργειας: Ως φωτοκαταλύτης, μπορεί να διασπάσει το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο. Με το υδρογόνο που συλλέγεται, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο. Η αποτελεσματικότητα αυτής της διαδικασίας μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά με ανάμειξη του οξειδίου με άνθρακα. Περαιτέρω αποτελεσματικότητα και ανθεκτικότητα έχει επιτευχθεί με την εισαγωγή αταξίας στη δομή του πλέγματος του επιφανειακού στρώματος των νανοκρυστάλλων του διοξειδίου του τιτανίου, επιτρέποντας την απορρόφηση του υπέρυθρου. Έχουν αναπτυχθεί νανοσωματίδια ανατάση και ρουτιλίου σε ορατό φως για φωτοκαταλυτικές εφαρμογές.
Το 1995 ο Fujishima και η ομάδα του ανακάλυψαν το φαινόμενο της υπερυδροφιλίας (superhydrophilicity) για γυαλί επικαλυμμένο με διοξείδιο του τιτανίου που εκτίθεται στο φως του ήλιου. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη αυτοκαθαριζόμενων γυαλιών και αντιθαμβωτικών επικαλύψεων.
Νανομεγέθη TiO2 ενσωματωμένα σε δομικά υλικά εξωτερικού χώρου, όπως λιθόστρωτα σε ομάδες noxer  ή χρώματα, θα μπορούσαν να μειώσουν τις συγκεντρώσεις ατμοσφαιρικών ρύπων όπως πτητικές οργανικές ενώσεις και οξείδια του αζώτου. A TiO2-containing cement has been produced.
Έχουν γίνει προσπάθειες για την ανοργανοποίηση των ρύπων (για μετατροπή σε CO2 και H2O) στα λύματα, χρησιμοποιώντας το TiO2 ως φωτοκαταλύτη. Η φωτοκαταλυτική καταστροφή της οργανικής ύλης θα μπορούσε επίσης να αξιοποιηθεί σε επικαλύψεις με αντιμικροβιακές εφαρμογές.
#### Σχηματισμός ριζών υδροξυλίου
Αν και ο νανομεγέθης ανατάσης TiO2 δεν απορροφά το ορατό φως, απορροφά έντονα την υπεριώδη ακτινοβολία, οδηγώντας στο σχηματισμό ριζών υδροξυλίου. Αυτό συμβαίνει όταν φωτοεπαγόμενες οπές δεσμού σθένους (h+vb) παγιδεύονται στην επιφάνεια του TiO2 που οδηγεί στον σχηματισμό παγιδευμένων οπών (h+tr) που δεν μπορούν να οξειδώσουν το νερό.
:TiO2 + *hv* → e&minus; + h+vb
:h+vb → h+tr
:O2 + e&minus; → O2•&minus;
:O2•&minus; + O2•&minus;+ 2H+ → H2O2 + O2
:O2•&minus; + h+vb → O2
:O2•&minus; + h+tr → O2
:OH- + h+vb → HO•
:e&minus; + h+tr → ανασυνδυασμός
:Σημείωση: Μήκος κύματος (λ)= 387 nm Αυτή η αντίδραση έχει βρεθεί ότι ανοργανοποιεί και αποσυνθέτει ανεπιθύμητες ενώσεις στο περιβάλλον, ειδικά στον αέρα και στα λύματα.

### Νανοσωλήνες

Ο ανατάσης μπορεί να μετατραπεί σε μη ανθρακικούς νανοσωλήνες (non-carbon nanotubes) και νανοσύρματα (nanowires). Οι κοίλες νανοΐνες TiO2 μπορούν επίσης να παρασκευαστούν με επίστρωση νανοϊνών άνθρακα εφαρμόζοντας πρώτα βουτοξείδιο του τιτανίου.

## Υγεία και ασφάλεια
Από το 2006, το διοξείδιο του τιτανίου θεωρείται *εντελώς μη τοξικό*. Τα ευρέως απαντώμενα ορυκτά και ακόμη και πολύτιμοι λίθοι αποτελούνται από TiO2. Όλο το φυσικό τιτάνιο, που περιλαμβάνει περισσότερο από το 0,5% του φλοιού της Γης, υπάρχει ως οξείδια. Αν και δεν υπάρχουν στοιχεία που να δείχνουν οξεία τοξικότητα, έχουν εκφραστεί επαναλαμβανόμενες ανησυχίες σχετικά με τις νανοφασικές μορφές αυτών των υλικών. Μελέτες εργαζομένων με υψηλή έκθεση σε σωματίδια TiO2 δείχνουν ότι ακόμη και σε υψηλή έκθεση δεν υπάρχει καμία αρνητική επίδραση στην ανθρώπινη υγεία.
Η Ευρωπαϊκή Ένωση αφαίρεσε την άδεια χρήσης διοξειδίου του τιτανίου (E 171) στα τρόφιμα, με ισχύ από τις 7 Φεβρουαρίου 2022, με περίοδο χάριτος έξι μηνών.
Η σκόνη του διοξειδίου του τιτανίου, όταν εισπνέεται, έχει ταξινομηθεί από τον Διεθνή Οργανισμό Ερευνών για τον Καρκίνο (International Agency for Research on Cancer, IARC) ως Καρκινογόνος Ομάδας 2Β IARC, που σημαίνει ότι είναι *πιθανώς καρκινογόνος στους ανθρώπους*. 
Το Εθνικό Ινστιτούτο για την Ασφάλεια και την Υγεία στην Εργασία των ΗΠΑ συνιστά δύο ξεχωριστά όρια έκθεσης. Η NIOSH συνιστά τα λεπτά σωματίδια  να ορίζονται σε όριο έκθεσης 2,4&nbsp;mg/m3, ενώ για τα υπέρλεπτα  ορίζεται σε όριο έκθεσης 0,3&nbsp;mg/m3, ως σταθμισμένες μέσες συγκεντρώσεις έως και 10 ώρες την ημέρα για μια εβδομάδα εργασίας 40 ωρών.
Από τον Μάιο του 2023, μετά την απαγόρευση της Ευρωπαϊκής Ένωσης το 2022, οι πολιτείες των ΗΠΑ Καλιφόρνια και Νέα Υόρκη εξέταζαν το ενδεχόμενο απαγόρευσης της χρήσης διοξειδίου του τιτανίου στα τρόφιμα.
### Εισαγωγή περιβαλλοντικών αποβλήτων
Το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) εισάγεται κυρίως στο περιβάλλον ως νανοσωματίδιο μέσω των μονάδων επεξεργασίας λυμάτων. Καλλυντικές χρωστικές, συμπεριλαμβανομένου του διοξειδίου του τιτανίου, εισέρχονται στα λύματα όταν το προϊόν ξεπλένεται σε νεροχύτες μετά από καλλυντική χρήση. Μόλις εισέλθουν στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας λυμάτων, οι χρωστικές διαχωρίζονται σε λυματολάσπη η οποία μπορεί στη συνέχεια να απελευθερωθεί στο έδαφος όταν εγχυθεί στο έδαφος ή κατανεμηθεί στην επιφάνειά του. Το 99% αυτών των νανοσωματιδίων καταλήγουν στην ξηρά και όχι σε υδάτινα περιβάλλοντα λόγω της κατακράτησης τους στη λυματολάσπη. Στο περιβάλλον, τα νανοσωματίδια διοξειδίου του τιτανίου έχουν χαμηλή έως αμελητέα διαλυτότητα και έχει αποδειχθεί ότι είναι σταθερά όταν σχηματίζονται συσσωματώματα σωματιδίων στο έδαφος και το νερό. Στη διαδικασία της διάλυσης, τα υδατοδιαλυτά ιόντα συνήθως διασπώνται από το νανοσωματίδιο σε διάλυμα όταν είναι θερμοδυναμικά ασταθή. Η διάλυση του TiO2 αυξάνεται όταν υπάρχουν υψηλότερα επίπεδα διαλυμένης οργανικής ύλης και αργίλου στο έδαφος. Ωστόσο, η συσσωμάτωση προάγεται από το pH στο ισοηλεκτρικό σημείο του TiO2 (pH= 5,8) που το καθιστά ουδέτερο και τις συγκεντρώσεις ιόντων διαλύματος πάνω από 4,5 mM.
### Εθνικές πολιτικές για τη χρήση προσθέτων τροφίμων
Το λευκαντικό TiO2 στα τρόφιμα απαγορεύτηκε στη Γαλλία από το 2020, λόγω αβεβαιότητας σχετικά με τις ασφαλείς ποσότητες για ανθρώπινη κατανάλωση.
Το 2021, η Ευρωπαϊκή Αρχή για την Ασφάλεια των Τροφίμων (EFSA) έκρινε ότι ως συνέπεια των νέων αντιλήψεων για τα νανοσωματίδια, το διοξείδιο του τιτανίου *δεν θα μπορούσε πλέον να θεωρείται ασφαλές ως πρόσθετο τροφίμων* και η Επίτροπος υγείας της ΕΕ ανακοίνωσε σχέδια για την απαγόρευση της χρήσης του σε ολόκληρη την ΕΕ, με τις συζητήσεις να ξεκινούν τον Ιούνιο του 2021. Η EFSA κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η γονιδιοτοξικότητα—η οποία θα μπορούσε να οδηγήσει σε καρκινογόνες επιπτώσεις—δεν μπορούσε να αποκλειστεί και ότι ένα *ασφαλές επίπεδο για την ημερήσια πρόσληψη του πρόσθετου τροφίμων δεν κατέστη δυνατό να διαπιστωθεί*. Το 2022, η Υπηρεσία Προτύπων Τροφίμων του Ηνωμένου Βασιλείου και η αντίστοιχη υπηρεσία της Σκοτίας ανακοίνωσαν τη διαφωνία τους με την απόφαση της EFSA και δεν ακολούθησαν την ΕΕ στην απαγόρευση του διοξειδίου του τιτανίου ως πρόσθετου τροφίμων. Η Health Canada εξέτασε με παρόμοιο τρόπο τα διαθέσιμα στοιχεία το 2022 και αποφάσισε να μην αλλάξει τη θέση της σχετικά με το διοξείδιο του τιτανίου ως πρόσθετο τροφίμων.
Από το 2024, η Food and Drug Administration (FDA) στις Ηνωμένες Πολιτείες επιτρέπει το διοξείδιο του τιτανίου ως πρόσθετο τροφίμων. Χρησιμοποιείται συνήθως για την αύξηση της λευκότητας και της αδιαφάνειας σε γαλακτοκομικά προϊόντα (γάλα χαμηλών λιπαρών, κρέμα, παγωτό, γιαούρτι, κ.λπ.), καραμέλες, παγωτά, γέμιση και πολλά άλλα τρόφιμα. Ο FDA επιτρέπει στον κατάλογο συστατικών του προϊόντος να προσδιορίζει το διοξείδιο του τιτανίου ως "χρώμα που έχει προστεθεί" ή "τεχνητά χρώματα" και δεν απαιτεί τη ρητή ονομασία του διοξειδίου του τιτανίου παρά τις αυξανόμενες επιστημονικές ανησυχίες. Το 2023, η εμπορική ομάδα κατασκευαστών Consumer Healthcare Products Association, υπερασπίστηκε την ουσία ως ασφαλή σε ορισμένα όρια, επιτρέποντας παράλληλα ότι πρόσθετες μελέτες θα μπορούσαν να παράσχουν περαιτέρω πληροφορίες, λέγοντας ότι η άμεση απαγόρευση θα ήταν *αντανακλαστική αντίδραση*.
### Έρευνα ως καταπόσιμο νανοϋλικό
Λόγω της πιθανότητας ότι η μακροχρόνια κατάποση διοξειδίου του τιτανίου μπορεί να είναι τοξική, ιδιαίτερα για τα κύτταρα και τις λειτουργίες του γαστρεντερικού σωλήνα, η προκαταρκτική έρευνα από το 2021 αξιολογούσε τον πιθανό ρόλο του στην ανάπτυξη ασθενειών, όπως στην ιδιοπαθή φλεγμονώδη εντερική νόσο και στον καρκίνο του παχέος εντέρου.
## Πολιτισμός και κοινωνία
Εταιρείες όπως η Dunkin' Donuts απέρριψαν το διοξείδιο του τιτανίου από τα εμπορεύματά τους το 2015 μετά από δημόσια πίεση. Ο Andrew Maynard, διευθυντής του Επιστημονικού Κέντρου Κινδύνων στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, απέρριψε τον υποτιθέμενο κίνδυνο από τη χρήση διοξειδίου του τιτανίου στα τρόφιμα. Λέει ότι το διοξείδιο του τιτανίου που χρησιμοποιείται από την Dunkin' Brands και πολλούς άλλους παραγωγούς τροφίμων δεν είναι νέο υλικό, αλλά ούτε είναι νανοϋλικό. Τα νανοσωματίδια είναι συνήθως μικρότερα από 100 νανόμετρα σε διάμετρο, ωστόσο τα περισσότερα από τα σωματίδια στο διοξείδιο του τιτανίου ποιότητας τροφίμων είναι πολύ μεγαλύτερα. Ωστόσο, οι αναλύσεις κατανομής μεγέθους έδειξαν ότι οι παρτίδες TiO2 ποιότητας τροφίμων περιλαμβάνουν πάντα ένα κλάσμα νανομεγέθους ως αναπόφευκτο υποπροϊόν των διαδικασιών παραγωγής.

## Παραπομπές

## Εξωτερικοί σύνδεσμοι

*International Chemical Safety Card 0338
*NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards
*"Titanium Dioxide Classified as Possibly Carcinogenic to Humans", Canadian Centre for Occupational Health and Safety, August, 2006 (if inhaled as a powder)
*A description of TiO<sub>2</sub> photocatalysis
*Titanium and titanium dioxide production data (US and World)

Κατηγορία:Πρόσθετα τροφίμων
Κατηγορία:Πρόσθετα τροφίμων με αριθμό Ε
Κατηγορία:Χρωστικές ουσίες τροφίμων
Κατηγορία:Ενώσεις τιτανίου
Κατηγορία:Οξείδια