Нанотехнологии в охране окружающей среды

ВВЕДЕНИЕ

 

Рассмотрим применение нанотехнологи в экологии и их влияние на охрану окружающей среды, а также возможность решения глобальных экологических проблем.

Проблема экологии занимала человечество с давних времён. А  с ростом прогресса, соответственно, загрязнением окружающей среды, проблемы экологии становятся всё более важными. В последнее время их всё чаще пытаются решить с помощью нанотехнологий.

Идея создания технологий в масштабах нанометра впервые  пришла в голову нобелевскому лауреату Ричарду Фейнману (Richard Feynman). В 1959 году он высказался о проблеме контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров – лекция «Там внизу ещё много места»: «ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов».

Само понятие «нанотехнология» было введено японцем Норио Танигучи (Norio Taniguchi) в 1974, он предложил называть так технологии и механизмы, размером менее одного микрона, а так же дал краткое определение нанотехнологии, как: междисциплинарной, образующей технологии, позволяющей «технологично» (воспроизводимо, по описанным процедурам) производить исследования, манипуляцию и обработку вещества в диапазоне размеров и с допусками 0,1/100 нм.

В 1985 Ричардом Смолли (Richard Smalley) открыты фуллерены – молекулы углерода в форме шара (молекула С60, атомы углерода в которой расположены в углах пяти- и шестиугольников, образуя форму мяча). В 1991 Суоми Иияма (Suomi Iiyama) из компании NEC открыл углеродные нанотрубки.

Нанотехнологии смогут помочь человечеству достигнуть очень амбициозных (даже фантастических) задач:

• создание новейших промышленных технологий на атомарном и молекулярном уровнях;
• твердых тел и поверхностей (материалов и пленок) с измененной молекулярной структурой, что даст сверхпрочные металлы, ткани, пластмассы; самовосстанавливающиеся материалы;
• новых химических веществ посредством составления из молекул, т.е. без химических реакций;
• логических наноэлементов и нанокомпьютеров (миниатюризация и повышение вычислительной мощности компьютеров), и сверхпроводников нового типа (сверххолодных);
• вычислительных устройств на белковых молекулах;
• искусственных аналогов живых организмов (растений и животных);
• нанороботов, наномашин (нанодвигателей), прецизионных (точных) наноманипуляторов;
• роботов-врачей для имплантации в организм (для устранения генетических и физиологических повреждений на клеточном и надклеточном уровнях);
• нанороботов, наномашин (нанодвигателей), прецизионных (точных) наноманипуляторов;
• Разработка самореплицирующихся (саморазмножающихся) систем на базе биоаналогов – бактерий, вирусов, простейших;

Применение нанотехнологий в экологии имело бы играло бы большую  роль, поскольку помогло бы значительно  снизить загрязнение окружающей среды. Уже имеется немало достижений в нанотехнологиях, которые помогают уменьшить вредное влияние на окружающую среду: например, эта наука даёт новые возможности переработки мусора, очистки воды, определения ртути и так далее. Дальнейшие исследования дадут новые результаты, а, значит, и новые возможности.

В наше время развитие науки нанотехнологии, а также промышленности, с ней связанной, показывает на развитость государства. Однако нанотехнология – новая наука, и, несмотря на свои преимущества и достоинства, вызывает и опасения. Впрочем, у любой медали всегда две стороны. Поэтому, несмотря на множество явного положительного влияния нанотехнологий на жизнь современных людей, наночастицы могут наносить и вред, используясь в некоторых отраслях.

Нанотехнологии в наши дни используются почти во всех сферах современной жизни. Наночастицы используются, например, даже в косметике и парфюмерии. Так, наночастицы оксида титана содержатся в некоторых солнцезащитных кремах. Эти наночастицы поглощают излучение ультрафиолета с большой эффективностью, что, несомненно, делают такие кремы куда более эффективными, чем обычные. Однако впоследствии были проведены исследования, которые показали, что, например, углеродные нанотрубки оказывали губительное воздействие на крыс. Углеродные нанотрубки, попадая в лёгкие крыс, вызывали сильные нарушения, а затем разносились кровью по организму. Или, например, были изобретены носки, содержащие наночастицы серебра. Таким образом, носки не приобретают неприятный запах. Но исследования показали, что при стирке эти наночастицы попадают в воду, в которой могут вызвать сильные нарушения работы мозга и функций размножения организмов, живущих в воде. Так как практически все канализационные воды попадают в природные водоёмы, это может нанести вред не только организмам, живущих в них, но и людям.

Главная проблема в том, что наночастицы проникают сквозь абсолютно все очистительные фильтры, которые существуют на наш день. Поэтому, так как использование нанотехнологий становится всё более активным, произойдёт и некоторая революция в экологии. Будут создаваться специальные фильтры, задерживающие наночастицы. И, конечно, практически все новые технологии чаще всего в первую очередь применяются в военной отрасли. Если применять нанотрубки при создании взрывчатых веществ, то, во-первых, это обеспечит огромную силу взрыва, во-вторых, нанотрубки, рассеивающиеся в воздухе, могут нарушать работу органов и клеток людей.

 

 

 

 

Загрязнение окружающей среды

 

Охрана окружающей среды  от загрязнения – одна из наиболее важных проблем современности. При  этом недостаточно сфокусироваться только на охране атмосферы, поскольку окружающая среда является чрезвычайно сложной системой, состоящей из бесчисленного множества подчиненных взаимосвязанных систем. Вода и почва с их свойствами и обитателями также являются частями этой системы. Одни считают, что загрязнение окружающей среды – неизбежное следствие прогресса, а другие хотели бы вернуться в более чистое прошлое. Эти споры велись всегда и будут продолжаться бесконечно.

Не нужно быть активным защитником окружающей среды, чтобы  понимать, какой вред и какую угрозу нашему здоровью и жизни несет ее загрязнение. Дымящие трубы извергают все виды зловоний, от которых не только болит голова, но и слезает краска с автомобилей. Страшнее всего то, что испускаемые заводскими трубами химикаты являются канцерогенами.

Канцерогены – химические вещества, которые вызывают раковые заболевания или способствуют их появлению.

Однако определение  степени загрязнения воды или  почвы – очень трудная задача, поскольку часто оно не превышает  нескольких частей на миллион или даже миллиард. Многие люди верят только тому, что видят воочию, а токсины можно увидеть только под сильным микроскопом. В настоящее время мы должны заботиться не только о чистоте воздуха и питьевой воды, но и о качестве пищи. Действительно, некоторые виды рыб, например тунец, способны поглощать и накапливать опасные химические вещества из загрязненных водоемов.

Во многих промышленно  развитых странах воздух загрязнен  дымом, макрочастицами и токсичными химическими веществами, которые  генерируются в результате бытовой и промышленной деятельности человека.

Наиболее распространенными  загрязняющими веществами считаются:

– окись углерода (или угарный газ);

– фреон (chlorofluorocarbon – CFC);

– тяжелые металлы (мышьяк, хром, кадмий, свинец, ртуть, цинк);

– углеводороды;

– оксиды азота;

– органические химикаты (летучие органические соединения, диоксины);

– диоксид серы (или сернистый ангидрид);

– макрочастицы.

Качество нашей жизни  во многом зависит от деятельности местных, региональных и общенациональных органов охраны окружающей среды. Их работа затрудняется тем, что загрязняющие вещества часто не имеют цвета, вкуса и запаха.

Кислотные дожди происходят из-за того, что оксиды азота и диоксид серы оседают на землю и взаимодействуют с росой или инеем.

Около 95% повышенного содержания оксидов азота и диоксида серы в атмосфере связано с деятельностью человека и лишь 5% – с естественными природными процессами.

Главными источниками  оксидов азота и диоксида серы являются:

– сжигание нефти, угля и газа;

– вулканическая деятельность;

– лесные пожары;

– распад почвенных бактерий;

– молнии.

Загрязнение воды вызывается внезапными или непрерывными, случайными или запланированными выбросами  загрязняющих веществ. По мере роста  населения планеты человечеству приходится иметь дело с более масштабным загрязнением морей и океанов.

Вода чаще всего загрязняется:

– стоками промышленных отходов;

– сожженными ископаемыми видами топлива;

– утечками нефти;

– удобрениями, гербицидами, пестицидами, которые используются в сельском хозяйстве и при уходе за садами и парками;

– вследствие вырубки лесов.

Сегодня политики и общественные деятели прилагают усилия для  борьбы с загрязнением атмосферы  и водного пространства. Помимо роста  населения Земли, существует множество  других сложных и взаимосвязанных  причин загрязнения окружающей среды.

 

Нанотехнологии в охране окружающей среды

 

Порой кажется, что загрязнение  окружающей среды столь велико, что  его уже нельзя устранить. Многие давно смирились с текущим  положением вещей. Однако исследователи  нанотехнологий видят свет в конце туннеля.

Проектирование материалов на молекулярном и атомарном уровне и манипулирование ими открывает  перед учеными огромные возможности  для создания новых методов защиты окружающей среды. Уникальные свойства наноматериалов могут дать ощутимые преимущества в методах производства энергии, ее эффективного использования, водопользования и восстановления окружающей среды. Многие текущие проекты нацелены на изучение характера взаимодействия наночастиц с биологическими и экологическими системами, включая перемещение наночастиц в микроструйных системах. Исследователи пытаются определить, как разные виды загрязняющих веществ связываются с наноматериалами, переносятся ими в грунтовых водах, взаимодействуют с биологическими клетками и поражают их.

Очистка воды

Вода жизненно важна  для человечества. Загрязненная отходами вода пагубно влияет на здоровье. Доступ к чистой воде – гораздо большая  проблема, чем голод, в развивающихся  странах с локальными военными конфликтами  и частыми стихийными бедствиями.

В США стандарты использования  питьевой воды пересматривались несколько  раз с целью повышения ее чистоты. Рост народонаселения и интенсивное  ведение сельского хозяйства  связаны с постоянно растущим потреблением чистой воды, поэтому  все более актуальными становятся поиски новых методов ее очистки. Применение наноматериалов может помочь улучшить существующие, а также создать совершенно новые технологии и материалы, используемые для очистки воды. С помощью нанотехнологий можно усовершенствовать способы обработки и доставки воды в удаленные регионы без достаточных запасов электрической

энергии. Специально созданные  наноматериалы являются новым классом, который относительно мало известен большинству специалистов по охране окружающей среды и водопользования. Однако постепенно ситуация меняется к лучшему. Благодаря дальнейшим исследованиям безопасных, дешевых и эффективных методов обработки воды постепенно меняются прежние традиционные практические способы.

 

Керамические мембраны

Мембраны и фильтры  разнообразных размеров используются для разделения веществ. В зависимости от своих свойств им удается выполнять эту работу с переменным успехом.

При ультрафильтрации создается  повышенное давление с одной стороны  мембраны, которое способствует прониканию компонентов с малым молекулярным весом сквозь поры. При этом более крупные молекулы могут перемещаться только вдоль мембраны и не проникают сквозь поры из-за своего размера. Полунепроницаемая ультрафильтрационная мембрана имеет поры величиной от 0,0025 до 0,01 мкм.

Исследователи из центра CBEN Университета Райс (США) создали реактивную мембрану из ферроксана (ferroxane), то есть керамики на основе оксида железа. Благодаря уникальным химическим свойствам железа эти реактивные мембраны позволяют очищать воду, удаляя из нее загрязняющие вещества и органические отходы. Кроме того, обнаружено, что ферроксановые материалы способны разлагать загрязнения с бензойной кислотой. При использовании мембран из алюмоксана (alumoxane), то есть керамики на основе оксида алюминия, ученые научились управлять их свойствами (толщиной, распределением диаметров пор, проницаемостью), контролируя размеры алюмоксановых частиц и режим термической обработки мембраны. На рисунке 1 показана типичная схема такой керамической мембраны.

Наноструктурные керамические мембраны способны фильтровать и очищать воду в пассивном и активном режимах. Керамические мембраны можно использовать в традиционных системах очистки загрязненной воды и воздуха. Интеграция нанокатализаторов и методов очистки воды позволяет получить новые преимущества.