Наноремедиация
| Часть серии статей о |
| Влияние нанотехнологии |
|---|
| Здоровье и безопасность |
| Относящийся к окружающей среде |
| Другие темы |
| Часть серии статей о |
| Нанотехнологии |
|---|
| Влияние и применение |
| Наноматериалы |
| Молекулярная самосборка |
| Наноэлектроника |
| Нанометрология |
| Молекулярная нанотехнология |
Наноремедиация – это использование наночастиц для восстановления окружающей среды . Его исследуют для очистки грунтовых вод , сточных вод , почвы , отложений или других загрязненных материалов из окружающей среды. [1] [2] Нановосстановление — развивающаяся отрасль; к 2009 году технологии нановосстановления были задокументированы как минимум на 44 объектах очистки по всему миру, преимущественно в Соединенных Штатах. [3] [4] [5] В Европе нановосстановление исследуется в рамках проекта NanoRem, финансируемого ЕС. [6] В отчете, подготовленном консорциумом NanoRem, выявлено около 70 проектов нановосстановления по всему миру, находящихся в пилотном или полномасштабном состоянии. [7] Во время нановосстановления агент наночастиц должен быть приведен в контакт с целевым загрязнителем в условиях, которые позволяют провести реакцию детоксикации или иммобилизации. Этот процесс обычно включает в себя процесс «накачивай и обрабатывай» или применение на месте .
Некоторые методы нановосстановления, в частности использование нанонульвалентного железа для очистки грунтовых вод, были применены на объектах полномасштабной очистки. [2] Другие методы остаются на стадии исследования.
Приложения
[ редактировать ]Наноремедиация наиболее широко используется для очистки грунтовых вод, а также проводятся дополнительные обширные исследования в области очистки сточных вод . [5] [8] [9] [10] Наноремедиация также была протестирована для очистки почвы и отложений. [11] Еще более предварительные исследования изучают возможность использования наночастиц для удаления токсичных материалов из газов . [12]
Восстановление грунтовых вод
[ редактировать ]В настоящее время восстановление подземных вод является наиболее распространенным коммерческим применением технологий нановосстановления. [7] [8] Использование наноматериалов , особенно металлов с нулевой валентностью (ZVM), для восстановления грунтовых вод является новым подходом, который является многообещающим из-за доступности и эффективности многих наноматериалов для разложения или связывания загрязняющих веществ. [13]
Нанотехнологии предлагают потенциал для эффективной очистки загрязнителей на месте , избегая раскопок или необходимости откачивать загрязненную воду из-под земли. Процесс начинается с закачки наночастиц в загрязненный водоносный горизонт через нагнетательную скважину. Затем наночастицы переносятся потоком грунтовых вод к источнику загрязнения. При контакте наночастицы могут изолировать загрязняющие вещества (посредством адсорбции или комплексообразования ), иммобилизуя их, или разлагать загрязняющие вещества до менее вредных соединений. Преобразования примесей обычно представляют собой окислительно-восстановительные реакции. Когда наночастица является окислителем или восстановителем, она считается реакционноспособной. [13]
Способность вводить наночастицы в недра и транспортировать их к источнику загрязнения необходима для успешной очистки. Реактивные наночастицы можно впрыскивать в скважину, откуда они затем будут транспортироваться вниз по градиенту к загрязненной зоне. Бурение и обустройство скважины обходится довольно дорого. Скважины прямого выталкивания стоят дешевле, чем пробуренные скважины, и являются наиболее часто используемым инструментом доставки для восстановления с помощью наножелеза. Суспензию наночастиц можно впрыскивать вдоль вертикального диапазона зонда, чтобы обеспечить обработку определенных областей водоносного горизонта. [13]
Очистка поверхностных вод
[ редактировать ]Использование различных наноматериалов, в том числе углеродных нанотрубок и TiO 2 , перспективно для очистки поверхностных вод, в том числе для очистки, дезинфекции и опреснения. [9] Целевые загрязнители поверхностных вод включают тяжелые металлы, органические загрязнители и патогены. В этом контексте наночастицы могут использоваться в качестве сорбентов, реактивных агентов (фотокатализаторов или окислительно-восстановительных агентов) или в мембранах, используемых для нанофильтрации . [ нужна ссылка ]
Обнаружение следов загрязнений
[ редактировать ]Наночастицы могут помочь в обнаружении следов загрязнений в полевых условиях, способствуя эффективному восстановлению. Приборы, которые могут работать за пределами лаборатории, часто недостаточно чувствительны для обнаружения следовых примесей. Таким образом, быстрые, портативные и экономически эффективные системы измерения следов загрязнений в грунтовых водах и других средах окружающей среды позволят улучшить обнаружение и очистку загрязняющих веществ. Одним из потенциальных методов является отделение аналита от образца и концентрация его до меньшего объема, что упрощает обнаружение и измерение. Когда для поглощения мишени для концентрирования используются небольшие количества твердых сорбентов, этот метод называется твердофазной микроэкстракцией . [14]
Благодаря своей высокой реакционной способности и большой площади поверхности наночастицы могут быть эффективными сорбентами для концентрации целевых примесей для твердофазной микроэкстракции, особенно в виде самоорганизующихся монослоев на мезопористых носителях. Мезопористая структура диоксида кремния , полученная с помощью золь-гель -процесса с шаблоном поверхностно-активных веществ, придает этим самоорганизующимся монослоям большую площадь поверхности и жесткую структуру с открытыми порами. Этот материал может быть эффективным сорбентом для многих целей, включая тяжелые металлы, такие как ртуть, свинец и кадмий, хроматы и арсенаты, а также радионуклиды, такие как 99 Тс, 137 CS, уран и актиниды. [14]
Механизм
[ редактировать ]Небольшой размер наночастиц приводит к нескольким характеристикам, которые могут улучшить восстановление. Наноматериалы обладают высокой реакционной способностью из-за большой площади поверхности на единицу массы. [3] Их небольшой размер частиц также позволяет наночастицам проникать в небольшие поры в почве или отложениях , куда более крупные частицы не могут проникнуть, предоставляя им доступ к загрязнителям, сорбированным почвой, и увеличивая вероятность контакта с целевым загрязнителем. [3]
Поскольку наноматериалы настолько крошечные, их движение в значительной степени определяется броуновским движением , а не гравитацией. Таким образом, поток грунтовых вод может быть достаточным для переноса частиц. Затем наночастицы могут оставаться во взвешенном состоянии в растворе дольше, образуя зону обработки на месте . [15]
Как только наночастица контактирует с загрязнителем, она может разложить его, обычно посредством окислительно-восстановительной реакции, или адсорбироваться на загрязнителе, чтобы иммобилизовать его. В некоторых случаях, например, в случае с магнитным наножелезом, адсорбированные комплексы можно отделить от обработанной подложки, удалив примеси. [12] Целевые загрязнители включают органические молекулы, такие как пестициды или органические растворители , и металлы, такие как мышьяк или свинец . Некоторые исследования также изучают возможность использования наночастиц для удаления излишков питательных веществ, таких как азот и фосфор. [12]
Материалы
[ редактировать ]Различные соединения, в том числе те, которые используются в виде макрочастиц для восстановления, изучаются на предмет использования в нановосстановлении. [2] Эти материалы включают металлы с нулевой валентностью, такие как железо с нулевой валентностью , карбонат кальция , соединения на основе углерода, такие как графен или углеродные нанотрубки , а также оксиды металлов, такие как диоксид титана и оксид железа . [3] [12] [16]
Нанонульвалентное железо
[ редактировать ]По состоянию на 2012 год нанонульвалентное железо (nZVI) было наноразмерным материалом, наиболее часто используемым в стендовых и полевых испытаниях по восстановлению. [2] nZVI можно смешать или покрыть другим металлом, например палладием , серебром или медью , который действует как катализатор в так называемых биметаллических наночастицах. [3] nZVI также можно эмульгировать с поверхностно-активным веществом и маслом, создавая мембрану, которая повышает способность наночастиц взаимодействовать с гидрофобными жидкостями и защищает ее от реакций с материалами, растворенными в воде. [1] [2] Размеры коммерческих частиц nZVI иногда могут превышать истинные «нано» размеры (диаметр 100 нм или меньше). [3]
nZVI, по-видимому, полезен для разложения органических загрязнителей, включая хлорированные органические соединения, такие как полихлорированные дифенилы (ПХБ) и трихлорэтен (ТХЭ), а также для иммобилизации или удаления металлов. [3] [9] nZVI и другие наночастицы, которым не нужен свет, можно вводить под землю в загрязненную зону для на месте восстановления грунтовых вод и, возможно, для восстановления почвы.
Наночастицы nZVI можно получить, используя боргидрид натрия в качестве ключевого восстановителя. NaBH 4 (0,2 М) добавляют в раствор FeCl 3 ·6H 2 (0,05 М) (объемное соотношение ~1:1). Трехвалентное железо восстанавливается по следующей реакции:
4Fe 3+ + 3БХ −
4 + 9H 2 O → 4Fe 0 + B3H2BO −
3 + 12Ч + + 6Ч 2
Частицы палладизированного железа получают путем вымачивания наноразмерного железа. частицы с этанольным раствором 1 мас.% ацетата палладия ([Pd(C 2 H 3 O 2 )2] 3 ). Это вызывает восстановление и отложение Pd на поверхности Fe:
ПД 2+ + Фе 0 → Пд 0 + Фе 2+
Подобные методы можно использовать для получения Fe/Pt, Fe/Ag, Fe/Ni, Fe/Co, и биметаллические частицы Fe/Cu. С помощью вышеуказанных методов наночастицыдиаметр 50-70 нм. Средняя удельная поверхность частиц Pd/Fe составляет около 35 мкм. 2 /г. В качестве прекурсора также успешно используется соль двухвалентного железа. [15]
Диоксид титана
[ редактировать ]Диоксид титана (TiO 2 ) также является ведущим кандидатом для нановосстановления и очистки сточных вод, хотя, как сообщается, по состоянию на 2010 год он еще не дошел до полномасштабной коммерциализации. [10] Под воздействием ультрафиолетового света , например, солнечного света , диоксид титана производит гидроксильные радикалы , которые обладают высокой реакционной способностью и могут окислять загрязняющие вещества. Гидроксильные радикалы используются для очистки воды методами, которые обычно называют процессами усовершенствованного окисления . Поскольку для этой реакции необходим свет, TiO 2 не подходит для подземной рекультивации на месте , но его можно использовать для очистки сточных вод или восстановления грунтовых вод с помощью насоса и очистки. [ нужна ссылка ]
TiO 2 недорогой, химически стабильный и нерастворимый в воде. TiO 2 имеет широкую запрещенную зону (3,2 эВ), что требует использования УФ-света, а не только видимого света, для фотокаталитической активации. Чтобы повысить эффективность фотокатализа, исследователи изучили модификации TiO 2 или альтернативных фотокатализаторов , которые могли бы использовать большую часть фотонов в видимом спектре света . [9] [17] Возможные модификации включают легирование TiO 2 металлами, азотом или углеродом. [ нужна ссылка ]
Проблемы
[ редактировать ]При использовании на месте Для восстановления реактивных продуктов необходимо учитывать две причины. Одна из причин заключается в том, что реактивный продукт может быть более вредным или мобильным. чем исходное соединение. Другая причина заключается в том, что продукты могут повлиятьэффективность и/или стоимость восстановления. ТХЭ (трихлорэтилен) в условиях восстановления наножелезом может последовательно дехлорироваться до ДХЭ (дихлорэтена) и ВХ (винилхлорида). Известно, что венчурный капитал более вреден, чем ТВК, а значит, этот процесс будет нежелательным. [13]
Наночастицы также реагируют с нецелевыми соединениями. Голые наночастицы имеют тенденцию слипаться вместе, а также быстро вступают в реакцию с почвой, отложениями или другими материалами в грунтовых водах. [18] При восстановлении на месте это действие препятствует рассеиванию частиц в загрязненной зоне, снижая их эффективность для восстановления. Покрытия или другая обработка могут позволить наночастицам распространиться дальше и потенциально достичь большей части загрязненной зоны. Покрытия для nZVI включают поверхностно-активные вещества , полиэлектролитные покрытия, эмульгирующие слои и защитные оболочки из диоксида кремния или углерода . [1]
Такая конструкция может также повлиять на способность наночастиц реагировать с загрязнителями, их поглощение организмами и их токсичность . [19] Продолжающаяся область исследований связана с возможностью широкого распространения наночастиц, используемых для восстановления, и нанесения вреда дикой природе, растениям или людям. [20]
В некоторых случаях биоремедиация может использоваться намеренно на том же месте или с тем же материалом, что и наноремедиация. Продолжающиеся исследования изучают, как наночастицы могут взаимодействовать с одновременным биологическим восстановлением. [21]
См. также
[ редактировать ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Крейн, РА; ТБ Скотт (15 апреля 2012 г.). «Наноразмерное нульвалентное железо: будущие перспективы новой технологии очистки воды». Журнал опасных материалов . Нанотехнологии очистки воды, воздуха и почвы. 211–212: 112–125. дои : 10.1016/j.jhazmat.2011.11.073 . ISSN 0304-3894 . ПМИД 22305041 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Агентство по охране окружающей среды США (14 ноября 2012 г.). «Нанотехнологии для очистки окружающей среды» . Проверено 29 июля 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Карн, Барбара; Тодд Куикен; Марта Отто (01 декабря 2009 г.). «Нанотехнологии и восстановление на месте: обзор преимуществ и потенциальных рисков» . Перспективы гигиены окружающей среды . 117 (12): 1823–1831. дои : 10.1289/ehp.0900793 . ISSN 0091-6765 . JSTOR 30249860 . ПМЦ 2799454 . ПМИД 20049198 .
- ^ Проект по новым нанотехнологиям. «Карта наноремедиации» . Проверено 19 ноября 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б Мюллер, Николь С.; Юрген Браун; Йоханнес Брунс; Мирослав Черник; Питер Риссинг; Дэвид Рикерби; Бернд Новак (01 февраля 2012 г.). «Применение наноразмерного нуль-валентного железа (NZVI) для восстановления грунтовых вод в Европе» (PDF) . Наука об окружающей среде и исследования загрязнения . 19 (2): 550–558. дои : 10.1007/s11356-011-0576-3 . ISSN 1614-7499 . ПМИД 21850484 .
- ^ «Нанотехнологии для реабилитации загрязненных земель» . Проверено 3 декабря 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б Бардос, П.; Боун, Б.; Дейли, П.; Эллиотт, Д.; Джонс, С.; Лоури, Г.; Мерли, К. «Оценка риска и выгоды от применения наноразмерного нуль-валентного железа (nZVI) для восстановления загрязненных участков» (PDF) . www.nanorem.eu . Проверено 3 декабря 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б Агентство по охране окружающей среды США. «Восстановление: выбранные объекты с использованием или тестированием наночастиц для восстановления» . Проверено 29 июля 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д Терон, Дж.; Дж. А. Уокер; TE Cloete (01 января 2008 г.). «Нанотехнологии и очистка воды: применение и новые возможности». Критические обзоры по микробиологии . 34 (1): 43–69. дои : 10.1080/10408410701710442 . ISSN 1040-841X . ПМИД 18259980 .
- ^ Перейти обратно: а б Чонг, Мэн Нань; Бо Джин; Кристофер В.К. Чоу; Крис Сэйнт (май 2010 г.). «Последние разработки в технологии фотокаталитической очистки воды: обзор». Исследования воды . 44 (10): 2997–3027. дои : 10.1016/j.watres.2010.02.039 . ISSN 0043-1354 . ПМИД 20378145 .
- ^ Гомес, Хелена И.; Селия Диас-Феррейра; Александра Б. Рибейро (15 февраля 2013 г.). «Обзор технологий восстановления in situ и ex situ загрязненных ПХБ почв и отложений, а также препятствий для полномасштабного применения». Наука об общей окружающей среде . 445–446: 237–260. doi : 10.1016/j.scitotenv.2012.11.098 . ISSN 0048-9697 . ПМИД 23334318 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Санчес, Антони; Соня Ресиллас; Ксавье Фонт; Эудальд Казальс; Эдгар Гонсалес; Виктор Пунтес (март 2011 г.). «Экотоксичность искусственных неорганических наночастиц в окружающей среде и устранение их последствий» (PDF) . TrAC Тенденции в аналитической химии . Характеристика, анализ и риски, связанные с наноматериалами в образцах окружающей среды и пищевых продуктов II. 30 (3): 507–516. дои : 10.1016/j.trac.2010.11.011 . ISSN 0165-9936 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Лоури, Г.В. (2007). Наноматериалы для реабилитации подземных вод. В: Визнер, MR; Боттеро, Дж. (ред.), «Экологические нанотехнологии». Компании McGraw-Hill, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, стр. 297–336.
- ^ Перейти обратно: а б Аддлман, RS; Егоров О.Б.; О'Хара, М.; Земанинан, Т.С.; Фрикселл, Г.; Куензи, Д. (2005). Наноструктурированные сорбенты для твердофазной микроэкстракции и экологических исследований. В: Карн, Б.; Масчиангиоли, Т.; Чжан, В.; Колвин, В.; Аливисатос П. (ред.), Нанотехнологии и окружающая среда: приложения и последствия. Издательство Оксфордского университета, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 186–199.
- ^ Перейти обратно: а б Чжан, В.; Цао, Дж.; Эллиот, Д. (2005). Наночастицы железа для восстановления территорий. В: Карн, Б.; Масчиангиоли, Т.; Чжан, В.; Колвин, В.; Аливисатос П. (ред.), Нанотехнологии и окружающая среда: приложения и последствия. Издательство Оксфордского университета, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 248–261.
- ^ Ван, Шаобинь; Хунци Сунь; ХМ Анг; МО Таде (15 июня 2013 г.). «Адсорбционная очистка загрязнителей окружающей среды с использованием новых наноматериалов на основе графена». Химико-технологический журнал . 226 : 336–347. дои : 10.1016/j.cej.2013.04.070 . hdl : 20.500.11937/35439 . ISSN 1385-8947 .
- ^ Ди Паола, Агатино; Элиза Гарсиа-Лопес; Джузеппе Марси; Леонардо Пальмизано (15 апреля 2012 г.). «Обзор фотокаталитических материалов для восстановления окружающей среды». Журнал опасных материалов . Нанотехнологии очистки воды, воздуха и почвы. 211–212: 3–29. дои : 10.1016/j.jhazmat.2011.11.050 . hdl : 10447/74239 . ISSN 0304-3894 . ПМИД 22169148 .
- ^ Чжан, Вэй-сянь (1 августа 2003 г.). «Наноразмерные частицы железа для восстановления окружающей среды: обзор». Журнал исследований наночастиц . 5 (3–4): 323–332. дои : 10.1023/A:1025520116015 . ISSN 1572-896X .
- ^ Любик, Наоми (01 марта 2008 г.). «Риски нанотехнологий остаются неопределенными» . Экологические науки и технологии . 42 (6): 1821–1824. дои : 10.1021/es087058e . ISSN 0013-936X .
- ^ Визнер, Марк Р.; Грег В. Лоури; Педро Альварес; Дианисиос Дионисий; Пратим Бисвас (1 июля 2006 г.). «Оценка рисков промышленных наноматериалов» . Экологические науки и технологии . 40 (14): 4336–4345. дои : 10.1021/es062726m . ISSN 0013-936X .
- ^ Шевцу, Алена; Эль-Темса, Йехия С.; Джонер, Эрик Дж.; Черник, Мирослав (2011). «Окислительный стресс, вызванный у микроорганизмов наночастицами нуль-валентного железа» . Микробы и окружающая среда . 26 (4): 271–281. дои : 10.1264/jsme2.ME11126 . ПМК 4036022 .