Нанотехнологии в экологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета

Факультет математики и информационных технологий

Нанотехнологии в экологии

студентка 3 курса

Сунчалина Алёна Дмитриевна

Аннотация

На сегодняшний день наноразмерные материалы очень востребованы и применяются в самых различных областях современной науки и технике. У данного класса материалов выявлены совершенно новые свойства, что дает возможность создавать новые устройства, который будут более эффективны. Учитывая такое разнообразие свойств наноматериалов, возникает вопрос о в возможности их использования для охраны окружающей среды, так как данная проблема в наше время стала глобальной и ее необходимо решать. Предполагается, что с помощью наноматериалов будет возможно исправить экологическую обстановку в лучшую сторону, как непосредственно, к примеру, обнаружение или удаление уже имеющихся загрязнений, так и опосредованно, изобретая материалов, которую будут безвредны для окружающего мира.

Ключевые слова: нанотехнологии в экологии, экология

Abstract

To date, nanoscale materials are very in demand and are used in the most diverse areas of modern science and technology. This class of materials has completely new properties, which makes it possible to create new devices that will be more effective. Given such a variety of properties of nanomaterials, the question arises as to the possibility of using them for environmental protection, since this problem has now become global and it needs to be addressed. It is supposed that with the help of nanomaterials it will be possible to improve the environmental situation for the better, either directly, for example, detecting or removing existing contaminants, and indirectly, by inventing materials that will be harmless to the world around them.

Применение наночастиц в фильтрующих материалах. Существует целый ряд способов защиты окружающей среды. Одним из способов можно признать использование фильтра для очистки воздуха и воды. Особенно данный вид защиты применим на фабриках перед тем, как сбросить обработанные газы и воду в окружающую среду.

Нанофильтрация становится одним из основных процессов для очистки воды, в частности для того, чтобы смягчить и удалить из воды ионы или органические соединения. Особенность наномембран выборочно удалять «ненужные» частицы или ионы дает возможность применения таких фильтров в различных областях и для различный целей.

Функциональные свойства нанофильтров сильно зависят от того, какие наночастицы применяются, например, от состава или морфологии.

Существуют проблемы применения современных фильтров. Одна из них - загрязнение фильтра химическими веществами или микроорганизмами, при чем достаточно быстрое. Однако, с помощью нанофильтров можно будет избежать подобных ситуаций. К примеру, можно использовать наночастицы серебра для того, чтобы избежать биозагрязнения фильтра. Доказано, что для того, чтобы полностью уничтожить частицы, контактирующих с покрытым наночастицами серебра фильтром, понадобится всего 60 минут.

Второй способ разрешения данной проблемы - использование наночастиц алюминия. Покрытие фильтра представляло собой частицы алюминия размером 2-4 нм с удельной площадью поверхности 450-600 м2/г. По результатам исследования авторы пришли к выводу, что нанофильтры более эффективны, чем обычные фильтры HEPA. Фильтрационная способность у Нанофильтров оказалась лучше. Наночастицы также могут быть опасны для окружающей среды. По этой причине необходимо использование фильтрующих материалов для задержки наночастиц. Проблема состоит в том, что у существующих HEPA-фильтров достаточно высокая эффективность для частиц, которые больше 0,3 микрон. Разрешает эту проблему так же применение нанотехнологий. Для достижения эффективности в задержке частиц размером 10-100 нм используются гранулы из различных наноматериалов, диаметр которых составляет 150-500 микрон, при это скорость, которая будет оптимальной составляет 4см/с.

Нанофильтры являются очень эффективной заменой для существующего фильтрующего материала, так как у них больше эффективность и срок службы.

Рис. 1 Результаты СЭМ чистых покрытий (a) и после фильтрации (b) и ПЭМ чистых покрытий (c) и после фильтрации (d)

Адсорбция вредных веществ. Загрязнение поверхностных и грунтовых вод различными высокотоксичными химическими веществами, тяжелыми металлами и т.п. это очень серьёзная мировая проблема. Для снижения уровня загрязнения используют адсорбционные наноматериалы.

Для того, чтобы удалить ионы ртути из воды имеет место быть использованным композит полипирол /обедненный оксид графена. Доказано, что использование листов данного композита толщиной 1,34 нм делает возможным выборочно удалять из воды ионы ртути с адсорбционной способностью равной 980 мг/г.

Наночастицы железа могут с гораздо большей эффективностью, чем у применяемых веществ адсорбировать из раствора ионы хрома. Кислотность среды сильно влияет на эффективность поглощения: к примеру, при pH = 4 адсорбционная способность равняется 31,5 мг/г, а при pH = 7 - 23,3 мг/г. Еще одной из основных особенностей является простая возможность использовать повторно данные наночастиц.

Для того, чтобы удалить из воды различные ионы металлов можно использовать магнитные наночастицы оксида железа. Средний размер частиц составлял 21 нм. В зависимости от того, какова кислотности и температура среды, эффективность адсорбции различных ионов металлов изменяется. Она варьируется от 35 до 100 %. Для того, чтобы очистка от ионов металлов была полной можно использовать многоэтапную установку, при этом менять показатель кислотности и температуры среды.

Наночастицы оксида алюминия с размером частиц в среднем около 40 нм могут достаточно эффективно адсорбировать формальдегид. Если кислотность среды при этом от 5 до 8.5, то формальдегид из воды удаляется на 100%. К тому же, данные частицы могут быть использованы и для адсорбции формальдегида из потока воды. Удаление нефти и нефтепродуктов из воды так же может быть реализовано с помощью наночастиц. Это возможно осуществить, используя нано композит.

Эффективность различных адсорбционных наноматериалов намного больше, чем у тех материалов, которые используется на сегодняшний день. Рассмотренные примеры это подтверждают. Причиной тому является то, что для адсорбции велико значение удельной поверхности. Так как данное значение у наночастиц достаточно большое, эффективность будет значительно выше, по сравнению с остальными материалами.

наноматериал обнаружение загрязнение экологический

Рис. 2. Зависимость эффективности адсорбции от pH среды

Рис. 3. Зависимость эффективности адсорбции от температуры среды

Синтез экологически безопасных материалов. На сегодняшний день достаточно часто используют такие полимеры как полипропилен и полиэтилен. Однако, существует некоторая проблема, при чем достаточно серьезная. Используются данные полимеры достаточно короткий период времени, а разлагаются они на протяжении нескольких лет. Учитывая, что на данных полимерах, которые уже были использованы, находятся остатки еды или других органических субстанций, переработка этих материалов становится невыгодной и непрактичной. Именно поэтому используемые полимеры несут большую опасность для окружающего мира. Решить выше поставленную проблему становится возможным с помощью биоразрушаемых материалов. Такой класс материалов легко разлагается в окружающей среде при помощи бактерий, грибов и водорослей. Однако, по эксплуатационным характеристикам такие материалы сильно уступают тем полимерам, которые используется на данный момент. Для того, чтобы улучшить характеристики биоразрушаемых материалов было предложено использовать органически модифицируемые наноглины. Термические и механические свойства таких композитов гораздо лучше, чем у чистых полимеров. При этом данные полимеры имеют отличие в том, чтоскорость их деградации намного выше, чем у чистых. Так, при почти полном разложении модифицированного полимера, чистый может разложиться лишь на 70 %.

Использование наноматериалов поднимает биоразрушаемые полимеры на новый уровень, благодаря чему расширяет диапазон их возможных применений, что, следовательно, оказывает положительное влияние на окружающую среду.

Библиографический список

1. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=603376

2. U.S. Environmental Protection Agency. Nanotechnology White Paper - EPA 100/B-07/001, February 2007. - 136 с.

3. Крутько В. Н. Проблема оценки рисков нанотехнологий: методологические аспекты / В. Н. Крутько, Е. В. Пуцилло, А. Я. Чижов // Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. Сер. Экология и безопасность жизне-деятельности. - 2014. - № 4. - С. 55-61. - Библиогр.: 5 назв.

4. Дугин Г. С. Нанотехнология и ее возможное негативное влияние на окружающую среду / Г.С. Дугин // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. - 2009. - № 5. - С. 33-37. - Библиогр.: 7 назв.

Размещено на Allbest.ru