Наноремедиация - Nanoremediation

Часть цикла статей о
Влияние
нанотехнологии
Здоровье и безопасность
Относящийся к окружающей среде
Другие темы
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал
Часть серия статей о
Нанотехнологии
Влияние и Приложения
Наноматериалы
Молекулярная самосборка
Наноэлектроника
Нанометрология
Молекулярная нанотехнология
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

Наноремедиация это использование наночастицы за восстановление окружающей среды. Это исследуется для лечения грунтовые воды, Сточные Воды, почва, осадок, или другие загрязненные материалы из окружающей среды.[1][2]Наноремедиация - это развивающаяся отрасль; К 2009 году технологии наноремедиации были зарегистрированы как минимум на 44 очистных сооружениях по всему миру, преимущественно в Соединенных Штатах.[3][4][5] В Европе наноремедиация изучается в рамках проекта NanoRem, финансируемого Европейской комиссией.[6] В отчете, подготовленном консорциумом NanoRem, было выявлено около 70 проектов наноремедиации по всему миру в пилотном или полном масштабе.[7] Во время наноремедиации агент в виде наночастиц должен быть приведен в контакт с целевым загрязнением в условиях, позволяющих провести детоксикационную или иммобилизационную реакцию. Этот процесс обычно включает в себя процесс откачки и обработки или на месте применение.

Некоторые методы наноремедиации, в частности, использование нановалентного железа для очистки грунтовых вод, были развернуты на объектах полномасштабной очистки.[2] Остальные методы пока находятся в стадии исследования.

Приложения

Наноремедиация наиболее широко используется для очистки грунтовых вод с дополнительными обширными исследованиями в очистки сточных вод.[5][8][9][10] Наноремедиация также была протестирована для очистки почвы и наносов.[11] Еще более предварительные исследования изучают возможность использования наночастиц для удаления токсичных материалов из газы.[12]

Восстановление грунтовых вод

В настоящее время, восстановление грунтовых вод является наиболее распространенным коммерческим применением технологий наноремедиации.[7][8]С помощью наноматериалы, особенно металлы с нулевой валентностью (ZVM), для восстановления грунтовых вод - это новый подход, который является многообещающим благодаря доступности и эффективности многих наноматериалов для разложения или связывания загрязнителей.[13]

Нанотехнология предлагает потенциал для эффективной очистки от загрязняющих веществ на месте, избегая раскопок или необходимости откачивать загрязненную воду из 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 (через адсорбция или комплексообразование ), иммобилизуя их, или они могут разложить загрязнители до менее вредных соединений. Загрязняющие превращения обычно редокс реакции. Когда наночастица является окислителем или восстановителем, она считается реактивной.[13]

Способность вводить наночастицы под поверхность и транспортировать их к источнику загрязнения является обязательной для успешной обработки. Реактивные наночастицы можно закачать в скважину, где они затем будут транспортироваться по градиенту к загрязненной области. Бурение и набивка скважины обходятся довольно дорого. Скважины с прямым выталкиванием стоят меньше, чем пробуренные скважины, и являются наиболее часто используемым инструментом для восстановления с помощью наножелезда. Суспензия наночастиц может быть введена вдоль вертикального диапазона зонда для обработки определенных участков водоносного горизонта.[13]

Обработка поверхностных вод

Использование различных наноматериалов, включая углеродные нанотрубки и TiO.2, перспективна для обработки поверхностных вод, в том числе для очистки, дезинфекции и опреснения.[9] Целевые загрязнители в поверхностных водах включают тяжелые металлы, органические загрязнители и патогены. В этом контексте наночастицы могут использоваться в качестве сорбентов, в качестве реактивных агентов (фотокатализаторы или окислительно-восстановительные агенты) или в мембранах, используемых для нанофильтрация.

Обнаружение следов загрязнения

Наночастицы могут помочь в обнаружении следов загрязняющих веществ в полевых условиях, что способствует эффективному восстановлению. Инструменты, которые могут работать за пределами лаборатории, часто недостаточно чувствительны для обнаружения следов примесей. Таким образом, быстрые, портативные и экономичные системы измерения следов загрязнителей в подземных водах и других средах окружающей среды улучшат обнаружение и очистку загрязнителей. Один из возможных методов - отделить аналит от образца и сконцентрировать его в меньшем объеме, что упростит обнаружение и измерение. Когда небольшие количества твердых сорбентов используются для поглощения целевого объекта для концентрирования, этот метод называется твердофазная микроэкстракция.[14]

Обладая высокой реакционной способностью и большой площадью поверхности, наночастицы могут быть эффективными. сорбенты чтобы помочь сконцентрировать целевые загрязнители для твердофазной микроэкстракции, особенно в форме самособирающиеся монослои на мезопористых опорах. В мезопористый кремнезем структура, сделанная из поверхностно-активного вещества золь-гель процесс, дает этим самоорганизованным 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, хромат и арсенат, а также радионуклиды, такие как 99Tc, 137CS, уран и актиниды.[14]

Механизм

Небольшой размер наночастиц приводит к нескольким характеристикам, которые могут улучшить восстановление. Наноматериалы обладают высокой реакционной способностью из-за их высокой площадь поверхности на единицу массы.[3] Их небольшой размер частиц также позволяет наночастицам проникать в мелкие поры в почва или осадок что более крупные частицы могут не проникнуть внутрь, предоставляя им доступ к загрязнителям, сорбированным почвой, и увеличивая вероятность контакта с целевым загрязнителем.[3]

Поскольку наноматериалы настолько крошечные, их движение во многом определяется Броуновское движение по сравнению с гравитацией. Таким образом, потока грунтовых вод может хватить для переноса частиц. Затем наночастицы могут дольше оставаться в суспензии в растворе, чтобы на месте зона обработки.[15]

Как только наночастица контактирует с загрязнителем, она может разложить загрязнитель, обычно через редокс реакция, или адсорбировать к загрязнителю, чтобы обездвижить его. В некоторых случаях, например, с магнитным нано-железом, адсорбированные комплексы могут быть отделены от обработанного субстрата, удаляя загрязнения.[12] Целевые загрязнители включают органические молекулы, такие как пестициды или органические растворители и металлы, такие как мышьяк или вести. Некоторые исследования также изучают возможность использования наночастиц для удаления лишних питательных веществ, таких как азот и фосфор.[12]

Материалы

Различные соединения, в том числе те, которые используются в качестве частиц макро-размера для восстановления, изучаются для использования в наноремедиации.[2] Эти материалы включают металлы с нулевой валентностью, такие как нульвалентное железо, карбонат кальция, соединения на основе углерода, такие как графен или углеродные нанотрубки и оксиды металлов, такие как оксид титана и оксид железа.[3][12][16]

Нано-железо с нулевой валентностью

По состоянию на 2012 г. нульвалентное железо (nZVI) был наноразмерным материалом, наиболее часто используемым в стендовых и полевых испытаниях по восстановлению.[2] nZVI может быть смешан или покрыт другим металлом, например палладий, серебро, или же медь, который действует как катализатор в том, что называется биметаллической наночастицей.[3] nZVI также может быть эмульгированный с поверхностно-активным веществом и маслом, создавая мембрану, которая усиливает способность наночастиц взаимодействовать с гидрофобными жидкостями и защищает их от реакций с материалами, растворенными в воде.[1][2] Размеры коммерческих частиц nZVI иногда могут превышать истинные «нано» размеры (100 нм или меньше в диаметре).[3]

nZVI полезен для разложения органических загрязнителей, в том числе хлорированные органические соединения Такие как полихлорированные бифенилы (Печатные платы) и трихлорэтен (TCE), а также иммобилизация или удаление металлов.[3][9] nZVI и другие наночастицы, не требующие света, можно вводить под землей в загрязненную зону для на месте восстановление грунтовых вод и, возможно, восстановление почвы.

Наночастицы nZVI могут быть получены с использованием боргидрида натрия в качестве основного восстановителя. NaBH4 (0,2 М) добавляют в FeCl3• 6H2 (0,05 М) раствор (соотношение объемов ~ 1: 1). Трехвалентное железо восстанавливается по следующей реакции:

4Fe3+ + 3BЧАС−
4 + 9H2O → 4Fe0 + 3H2BО−
3 + 12H+ + 6H2

Частицы палладированного Fe получают путем пропитывания наноразмерных частиц железа этанольным раствором 1 мас.% Ацетата палладия ([Pd (C2ЧАС3О2)2]3). Это вызывает восстановление и осаждение Pd на поверхности Fe:

Pd2+ + Fe 0 → Pd0 + Fe2+

Аналогичные методы могут быть использованы для получения биметаллических частиц Fe / Pt, Fe / Ag, Fe / Ni, Fe / Co и Fe / Cu. С помощью вышеуказанных методов можно получать наночастицы диаметром 50-70 нм. Среднее удельная поверхность частиц Pd / Fe составляет около 35 мкм2/грамм. Соль двухвалентного железа также успешно использовалась в качестве прекурсора.[15]

Оксид титана

Оксид титана (TiO2) также является ведущим кандидатом для наноремедиации и очистки сточных вод, хотя по состоянию на 2010 г. сообщается, что он еще не был расширен до полномасштабной коммерциализации.[10] При воздействии ультрафиолетовый свет, например, в Солнечный свет, диоксид титана производит гидроксильные радикалы, которые очень реактивны и могут окислять загрязняющие вещества. Гидроксильные радикалы используются для обработки воды методами, обычно называемыми усовершенствованные процессы окисления. Поскольку для этой реакции требуется свет, TiO2 не подходит для метро на месте рекультивация, но ее можно использовать для очистки сточных вод или восстановления грунтовых вод методом откачки и очистки.

TiO2 дешев, химически стабилен и не растворим в воде. TiO2 имеет широкий запрещенная зона энергия (3,2 эВ), которая требует использования ультрафиолетового света, а не только видимого света, для фотокаталитической активации. Чтобы повысить эффективность его фотокатализа, были изучены модификации TiO2 или альтернатива фотокатализаторы что может использовать большую часть фотоны в видимый световой спектр.[9][17] Возможные модификации включают легирование TiO2 с металлами, азотом или углеродом.

Вызовы

Когда используешь на местеВосстановление реактивных продуктов необходимо учитывать по двум причинам. Одна из причин заключается в том, что реактивный продукт может быть более вредным или подвижным, чем исходное соединение. Другая причина заключается в том, что продукты могут влиять на эффективность и / или стоимость восстановления. ТВК (трихлорэтилен) в условиях восстановления с помощью нано-железа может последовательно дехлорироваться до DCE (дихлорэтен) и ВК (винилхлорид). Известно, что ВК более опасен, чем ТВК, а это означает, что этот процесс нежелателен.[13]

Наночастицы также реагируют с нецелевыми соединениями. Голые наночастицы имеют тенденцию слипаться, а также быстро реагировать с почвой, отложениями или другим материалом в грунтовых водах.[18] За на месте при восстановлении, это действие препятствует распространению частиц в загрязненной зоне, снижая их эффективность для восстановления. Покрытия или другие виды обработки могут позволить наночастицам распространиться дальше и потенциально достичь большей части загрязненной зоны. Покрытия для nZVI включают поверхностно-активные вещества, полиэлектролит покрытия, эмульгирующие слои и защитные оболочки из кремнезем или углерод.[1]

Такие конструкции также могут влиять на способность наночастиц реагировать с загрязнителями, их поглощение организмами и их токсичность.[19] Продолжающаяся область исследований включает в себя возможность наночастиц, используемых для восстановления, широко распространяться и причинять вред дикой природе, растениям или людям.[20]

В некоторых случаях, биоремедиация могут быть использованы намеренно на том же участке или с тем же материалом, что и наноремедиация. Текущие исследования изучают, как наночастицы могут взаимодействовать с одновременным биологическим восстановлением.[21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Crane, R.A .; Т. Б. Скотт (2012-04-15). «Наноразмерное железо с нулевой валентностью: 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. PMID  22305041.
  2. ^ а б c d е Агентство по охране окружающей среды США (14 ноября 2012 г.). «Нанотехнологии для очистки окружающей среды». Получено 2014-07-29.
  3. ^ а б c d е ж грамм Карн, Барбара; Тодд Куикен; Марта Отто (01.12.2009). «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. ЧВК  2799454. PMID  20049198.
  4. ^ Проект «Новые нанотехнологии». «Карта наноремедиации». Получено 2013-11-19.
  5. ^ а б Мюллер, Николь С .; Юрген Браун; Йоханнес Брунс; Мирослав Черник; Питер Рисинг; Дэвид Рикерби; Бернд Новак (01.02.2012). «Применение наноразмерного нуль-валентного железа (NZVI) для восстановления подземных вод в Европе» (PDF). Экология и исследования загрязнения окружающей среды. 19 (2): 550–558. Дои:10.1007 / s11356-011-0576-3. ISSN  1614-7499. PMID  21850484.
  6. ^ «Нанотехнологии для реабилитации загрязненных земель». Получено 3 декабря 2014.
  7. ^ а б Bardos, P .; Bone, B .; Daly, P .; Elliott, D .; Jones, S .; Lowry, G .; Мерли, К. «Оценка риска / пользы от применения наноуровневого железа с нулевым валентным покрытием (nZVI) для восстановления загрязненных участков» (PDF). www.nanorem.eu. Получено 3 декабря 2014.
  8. ^ а б Агентство по охране окружающей среды США. «Восстановление: выбранные сайты с использованием или тестированием наночастиц для восстановления». Получено 2014-07-29.
  9. ^ а б c d Theron, J .; Дж. А. Уокер; Т. Э. Клоэте (01.01.2008). «Нанотехнологии и очистка воды: приложения и новые возможности». Критические обзоры в микробиологии. 34 (1): 43–69. Дои:10.1080/10408410701710442. ISSN  1040-841X. PMID  18259980.
  10. ^ а б Чонг, Мэн Нан; Бо Джин; Кристофер В. К. Чоу; Крис Сэйнт (май 2010 г.). «Последние разработки в технологии фотокаталитической очистки воды: обзор». Водные исследования. 44 (10): 2997–3027. Дои:10.1016 / j.watres.2010.02.039. ISSN  0043-1354. PMID  20378145.
  11. ^ Gomes, Helena I .; Селия Диас-Феррейра; Александра Б. Рибейро (2013-02-15). «Обзор технологий восстановления in situ и ex situ почв и отложений, загрязненных ПХД, и препятствий для полномасштабного применения». Наука об окружающей среде в целом. 445–446: 237–260. Дои:10.1016 / j.scitotenv.2012.11.098. ISSN  0048-9697. PMID  23334318.
  12. ^ а б c d Санчес, Антони; Соня Ресиллас; Xavier Font; Эудальд Казальс; Эдгар Гонсалес; Виктор Пунтес (март 2011 г.). «Экотоксичность и восстановление созданных неорганических наночастиц в окружающей среде» (PDF). Тенденции TrAC в аналитической химии. Характеристика, анализ и риски наноматериалов в пробах окружающей среды и пищевых продуктов II. 30 (3): 507–516. Дои:10.1016 / j.trac.2010.11.011. ISSN  0165-9936.
  13. ^ а б c d Лоури, Г. В. (2007). Наноматериалы для восстановления грунтовых вод. В: Wiesner, M.R .; Боттеро, Дж. (Ред.), «Экологические нанотехнологии». Компании McGraw-Hill, Нью-Йорк, Нью-Йорк, стр. 297-336.
  14. ^ а б Addleman, R. S .; Егоров, О. Б .; О'Хара, М .; Zemaninan, T. S .; Fryxell, G .; Куэнзи, Д. (2005). Наноструктурированные сорбенты для твердофазной микроэкстракции и анализа окружающей среды. В: Karn, B .; Masciangioli, T .; Zhang, W .; Colvin, V .; Аливисатос П. (ред.), Нанотехнологии и окружающая среда: приложения и последствия. Oxford University Press, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 186–199.
  15. ^ а б Zhang, W .; Cao, J .; Эллиот, Д. (2005). Наночастицы железа для восстановления участков. В: Karn, B .; Masciangioli, T .; Zhang, W .; Colvin, V .; Аливисатос П. (ред.), Нанотехнологии и окружающая среда: приложения и последствия. Oxford University Press, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 248-261.
  16. ^ Ван, Шаобинь; Хунци Сунь; Х. М. Анг; М. О. Таде (15.06.2013). «Адсорбционная очистка загрязняющих веществ в окружающей среде с использованием новых наноматериалов на основе графена». Журнал химической инженерии. 226: 336–347. Дои:10.1016 / j.cej.2013.04.070. HDL:20.500.11937/35439. ISSN  1385-8947.
  17. ^ 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. PMID  22169148.
  18. ^ Чжан Вэй-сянь (01.08.2003). «Наноразмерные частицы железа для восстановления окружающей среды: обзор». Журнал исследований наночастиц. 5 (3–4): 323–332. Дои:10.1023 / А: 1025520116015. ISSN  1572-896X.
  19. ^ Любик, Наоми (2008-03-01). «Риски нанотехнологий остаются неопределенными». Экологические науки и технологии. 42 (6): 1821–1824. Дои:10.1021 / es087058e. ISSN  0013-936X.
  20. ^ Wiesner, Mark R .; Грег В. Лоури; Педро Альварес; Дианисиос Дионисиу; Пратим Бисвас (1 июля 2006 г.). «Оценка рисков производимых наноматериалов». Экологические науки и технологии. 40 (14): 4336–4345. Дои:10.1021 / es062726m. ISSN  0013-936X.
  21. ^ Шевч, Алена; El-Temsah, Yehia S .; Джонер, Эрик Дж .; Черник, Мирослав (2011). «Окислительный стресс, вызываемый у микроорганизмов наночастицами нульвалентного железа». Микробы и окружающая среда. 26 (4): 271–281. Дои:10.1264 / jsme2.ME11126. ЧВК  4036022.