Нанотехнологии в охране окружающей среды

Нанокатализаторы –  это вещества или материалы, которые  обладают каталитическими свойствами и имеют по крайней мере один наноразмер.

 

Рис. 1. Типичное распределение размеров пор в керамической мембране

 

Благодаря увеличению поверхностной площади нанокатализаторы обладают большей контактной поверхностью и более эффективно реагируют, чем сплошные материалы. Нанокатализаторы можнотиспользовать, например, для очистки загрязненных грунтовых вод, в обычных устройствах для очистки воды, а затем восстанавливать их (то есть возвращать в рабочее состояние) с помощью наномембран.

На рисунке 2 показана часть наноструктурной мембраны, созданной на основе шаблона.

 

Рис. 2. Типичная керамическая наномембрана

 

Наночастицы железа

Уникальные исследования, проведенные инженером по защите окружающей среды Чжан Вейсянем (Wei_xian Zhang) из Университета Лехай (США), продемонстрировали потенциал наномасштабного железного порошка, способного очищать почву и грунтовые воды, загрязненные промышленными веществами. Железо, один из наиболее распространенных металлов на Земле, может стать недостающим звеном в решении мультимиллиардной проблемы.

Дело в том, что в  США и других странах имеется  огромное количество загрязненных в  результате промышленной деятельности регионов, подземных хранилищ вредных веществ, заброшенных шахт и горных выработок. Железо обладает способностью легко окисляться и образовывать ржавчину. Если это окисление происходит в присутствии таких опасных загрязняющих веществ, как трихлорэтилен, тетрахлорид углерода, диоксины или полихлорированные дифенилы (ПХД), то их сложные молекулы распадаются на более простые и менее токсичные углеродные компоненты.

Аналогичное явление  наблюдается, когда окисление железа происходит в присутствии таких  опасных тяжелых металлов, как свинец, никель, ртуть и даже уран. Тогда эти металлы образуют нерастворимые формы, которые оседают в почве и не переносятся по пищевой цепочке (следовательно, их вредное влияние на окружающую среду уменьшается).

Поскольку железо не обладает токсичным эффектом и в большом количестве присутствует в горных породах, почве и воде, многие компании в настоящее время начали применять железный порошок для очистки своих промышленных отходов перед выбросом их в окружающую среду. Эта технология прекрасно подходит для новых промышленных отходов, но ученых беспокоит ситуация и со старыми отходами. В этом деле им могут помочь наночастицы железа.

Наночастицы железа в 10–1000 р. активнее обычных макроскопических частиц.

Обладая меньшим размером и большей активной поверхностью, наночастицы могут легко проникнуть в центр загрязненной зоны. Они легко переносятся вместе с грунтовыми водами и попутно очищают все окружающее пространство. На рисунке 3 показана принципиальная схема данного процесса.

Нанотехнологии не только самым тесным образом связаны с проблемами окружающей среды и энергетики, но и, возможно, приведут к новым решениям весьма сложных проблем.

 

Рис. 3. Опасные тяжелые металлы в почве и грунтовых водах нейтрализуются инъекцией наночастиц железа

 

На свойства наночастиц железа не влияют кислотность, температура или содержание питательных веществ в почве. Крошечные размеры (1–100 нм, что в 10–1000 раз меньше бактерии) позволяют наночастицам железа легко и быстро перемещаться между частицами почвы. Лабораторные и полевые испытания показали, что благодаря наночастицам железа уровни загрязнения возле места инъекции значительно падают уже за 1–2 дня и снижаются практически до безопасного уровня за несколько недель. Результаты этих исследований показывают, что наночастицы железа остаются активными в течение 4–6 недель, то есть до тех пор, пока не распределятся в грунтовых водах до достижения естественной концентрации железа в природе.

Этот тип нанотехнологической  инновации может быстро улучшить ситуацию в загрязненной окружающей среде. Более того, он может вдохновить других исследователей на поиски новых способов очистки от загрязняющих веществ. Следует отметить, что метод Чжана гораздо дешевле и эффективнее, чем раскопки загрязненной почвы и ее полная переработка обычными методами.

 

 

Наномасштабные полимерные потоки

Новые улучшенные мембраны с нанопорами можно использовать для изучения перемещения полимерных молекул. Дело в том, что способы  перемещения полимерных молекул  сквозь узкие проходы играют огромную роль в химических и биологических процессах.

Эксперименты с такими молекулами, как ДНК и РНК, показали, что их перемещение сквозь поры в  мембранах сопровождается переносом  электрического тока. Эти процессы играют огромную роль в изучении взаимодействия данных молекул с вирусами и в исследовании методов секвенирования генов. Действительно, благодаря своей структуре и форме молекула ДНК является прекрасной моделью для проектирования длинных синтетических полимеров. На рисунке 4 показано, как молекула белка проникает сквозь пору в мембране.

Физика перемещения  молекул ДНК и РНК через  наноканалы связана непосредственно  с будущими методами фильтрации и  проектирования наномембран. Наномасштабные компьютерные модели позволяют получить новые данные для проектирования таких наномембран, предназначенных для более эффективной фильтрации воды.

Рис. 4. Перемещение полимерной молекулы сквозь пору мембраны

 

 

Нанотехнологии и государственные  приоритеты

Нанотехнология является одним из наиболее важных научно-исследовательских  приоритетов правительства США

1. Научноисследовательская  программа в области нанотехнологий  Управления по охране окружающей  среды (Environmental Protection Agency – EPA) является  частью Национальной нанотехнологической  инициативы (National Nanotechnology Initiative – NNI), которая обеспечивает координацию всех усилий и контроль над ними в этой области. C точки зрения NNI, все технологии и исследования, которые выполняются на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровне (то есть в диапазоне размеров 1–100 нм), считаются нанотехнологическими.

Согласно определению NNI, к нанотехнологиям относятся  все структуры, устройства и системы  с уникальными свойствами / функциями, которые создаются и которыми манипулируют или управляют на атомарном уровне.

На наномасштабном уровне законы квантовой механики часто коренным образом меняют механические, оптические, химические и электронные свойства материалов. Эти свойства можно использовать в новых нанотехнологиях для защиты окружающей среды, включая улучшенные сенсоры мониторинга текущего состояния и обнаружения загрязнений, эффективные и дешевые методы очистки, «зеленые» (то есть безопасные для окружающей среды) способы производства энергии и товаров.

Новые наноматериалы  также могут представлять опасность  для окружающей среды из-за своего химического состава, повышенной реактивности и сверхмалых размеров.

Поэтому большое значение имеют тщательные исследования всех наноматериалов. Особенно важна оценка их влияния на атмосферу, почву и  грунтовые воды, включая весь жизненный цикл и транспортировку.

Анализ рисков, связанных  с применением наноматериалов, должен включать проверку их токсичности и  восприимчивости со стороны растений, животных и человека.

 

Правительственные исследования

EPA принимает активное  участие в исследованиях токсичности новых нанотехнологий.

Это агентство не только ведет несколько собственных  научноисследовательских программ, но и участвует в других проектах вместе с подкомитетом по наномасштабной науке и технике (Nanoscale Science, Engineering and Technology subcommittee) Совета по научной и технологической политике, национальной науке и технике (Science and Technology Policy, National Science and Technology Council) Правительства США. Научноисследовательская деятельность EPA включает перечисленные ниже направления.

– Национальный центр исследований по защите окружающей среды финансировал многомиллионные гранты на научные исследования нанотехнологий для защиты окружающей среды (то есть разработку дешевых, быстрых и простых методов очистки воды от токсичных загрязняющих веществ, новые сверхчувствительные сенсоры загрязняющих веществ, «зеленое» производство наноматериалов и высокоизбирательные катали заторы)

– Избранные научно_исследовательские проекты посвящены изучению возможного вредного воздействия наноматериалов (тоесть их токсичности, превращений, накопления и т.д.).

– В рамках программы поддержки малого бизнеса (Small Business Innovation Research Program) выделялись средства на разработку и коммерциализацию новых наноматериалов и методов очистки (например, компания SBIR создала фильтр на основе углеродных нановолокон с большой поверхностной площадью, который мог эффективно удалять летучие органические соединения и частицы диаметром менее 3 мкм из выхлопных газов двигателей, генераторов энергии и кондиционеров).

– Несколько научно-исследовательских проектов посвящены изучению наноструктурных фотокатализаторов, которые предполагается использовать в качестве «зеленой» альтернативы для углеводородного окисления; использованию наноматериалов в качестве адсорбентов, мембран и катализаторов для контроля над чистотой воздуха и выхлопных газов; проверке вредного влияния сверхмалых частиц во время их производства.

 

Нанокатализаторы

Наночастицы в растворах  или вместе с мембранами могут  оказать заметное влияние не только на перемещение загрязняющих веществ, но и на химическую деградацию. В настоящее время ученые интенсивно исследуют роль нанокатализаторов в деле защиты окружающей среды, поскольку каталитические реакции могут заметно удешевить методы очистки воды.

Например, огромное значение имеет очистка грунтовых вод от пестицидов. Однако часто для каждого типа загрязняющего вещества требуется отдельный катализатор и определенная стратегияточистки.

Специализированные наноматериалы  могут ускорить очистку сделать  ее более эффективной.

Доктор Дэниэл Р. Стронгин (Daniel R. Strongin), профессор химии из Университета Тэмпл в Филадельфии (США), использует белковые структуры для проектирования и сборки наночастиц на основе оксидов  металлов. Он считает, что такие наночастицы  можно применять в качестве нанокатализаторов для защиты окружающей среды.

Стронгин с коллегами изучает  химические реакции, которые могут  способствовать сгущению опасных металлов или выделению их из раствора, предотвращая их распространение в грунтовых  водах или просачивание в почву. Экспериментируя с токсичным хромом, ученые создали наночастицы, которые вступают в реакцию с хромом.

В комбинации с наночастицами хром уже не растворяется в воде и легко  отфильтровывается. Этот метод позволяет  гораздо эффективнее очищать воду озер, рек и ручьев от загрязнения.

Группа Стронгина работает и  над созданием других наночастиц, пособных реагировать с токсичными металлами, например технецием, которым  загрязнено несколько мест в штате  Вашингтон (США).

Дело в том, что в 1940–1950-е гг. там были захоронены большие емкости с ядерными отходами. С течением времени в них образовались бреши, которые грозят загрязнением грунтовых вод. В отличие от обычных макрочастиц, наночастицы позволили бы ученым гораздо эффективнее справиться с таким загрязнением.

 

Глобальное  потепление

Одной из важнейших экологических  проблем выступает длительный рост средней температуры атмосферы  нашей планеты. За период 1960–2000 гг. эта величина возросла примерно на 0,5 , причем этот рост приобрел особо устойчивый характер в 80-е годы прошлого столетия. Ученые уверены, что основной причиной такого повышения является все возрастающее количество сжигаемого топлива (каменного угля, нефти и т.п.), промышленными установками, автомобилями и т.д. Именно продукты горения (двуокись углерода, метан и т.п.) и их взаимодействие с солнечным излучением являются основными факторами роста температуры атмосфера (парниковый эффект).

Поэтому уже давно основной проблемой  экологии стало снижения уровня потребления, так называемого ископаемого топлива (нефти и угля), что должно уменьшить и объем выбрасываемой в атмосферу окиси углерода и других продуктов горения. Поэтому поиск альтернативных источников энергии и разработка эффективных методов сохранения и передачи энергии (например, создание солнечных батарей и топливных элементов нового типа) стали важной научно – технической задачей. В самое последнее время выяснилось, что применение углеродных нанотрубок может привести к значительному повышению коэффициента полезного действия существующих преобразователей солнечной энергии. Кроме этого, было обнаружено, что углеродные нанотрубки могут весьма эффективно адсорбировать большие количества водорода, что сразу активизировало разнообразные исследования, относящиеся к разработке топливных элементов, батарей и т.п.

 

Нанотрубки

В 1991 году японский профессор Сумио  Иидзима обнаружил длинные углеродные цилиндры, получившие названия нанотрубок.

Нанотрубка – это  молекула из более миллиона атомов углерода, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников.