Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ДИЗАЙНА»
ВЫСШАЯ ШКОЛА ТЕХНОЛОГИИ И ЭНЕРГЕТИКИ
Институт Технологии
Кафедра охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов
Реферат
По дисциплине «Современные проблемы в области охраны окружающей среды»
На тему:
Нанотехнологии в защите окружающей среды
Выполнила: студентка группы 819.1
Мельникова И.А.
Проверила: Волкова Е.Н.
Санкт-Петербург
Содержание:
1. Введение
Введение
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.
В настоящее время наноразмерные материалы находят себе применение во многих областях современной науки и техники. Такой класс материалов проявляет принципиально новые свойства, что позволяет создавать новые и более эффективные устройства. Разумеется, разнообразие свойств наноматериалов вызывает интерес в возможности их применения для охраны окружающей среды, поскольку в настоящее время данная проблема стоит достаточно остро. Наноматериалы потенциально могут улучшить экологическую обстановку, как непосредственно (обнаружение, предотвращение и удаление различных загрязнителей) так и опосредованно (создание безвредных для окружающей среды материалов)
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.
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 (фото любезно предоставлено М. Визнером из Университета Дьюк, США)
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