Environmentální nanotechnologienanosystemy.upol.cz/upload/1/cernik.pdf · patentovat barevné...
Transcript of Environmentální nanotechnologienanosystemy.upol.cz/upload/1/cernik.pdf · patentovat barevné...
1
Environmentální
nanotechnologie
Miroslav Černík
Technická univerzita v Liberci
Centrum „Pokročilé sanační
technologie a procesy“
Tato prezentace je spolufinancována Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České
republiky.
historický úvod• „nano“- z řečtiny malost, trpaslictví
• příroda pracuje na úrovni atomů a
molekul a existuje prostor pro
manipulaci s nimi
• Feynmanova cena za
nanotechnologie
• Obor 21. století –
nanoelektronika, nanomateriály,
chem. nanotech.
biotechnologie,
• nanomotorky,
nanosenzory,
nanodráty
Richard Feynman (1959):
„There is plenty of room at the
bottom“
Tam dole je spousta místa!
2
Současný stavNational Nanotechnology Initiative USA1,2 miliardy $ (privát 2007), 400 M$ USA (states)
Nanomateriály v IT technologiíchDermakologie, kosmetika (TiO2)Antimikrobiální povlaky (Ag)Nanotrubičky & nanokomposityNanočástice (jemné filmy, kompozity) nanoboty, nástroje
Počty článků
Zdroj: Ramsden, Applied nanotechnology
Nanotechnologie v US EPA
– EPA 11 milionů $ (39 projektů):
– Metody k odstranění tox. látek z
povrchových vod (filtry na arzén)
– Nanostrukturní katalytické
materiály pro redukci NOx plynů
– Analyzátory kvality ovzduší
založené na nanoelektrických
senzorech
– Nanostrukturní kovové membrány
k redukci organických kontaminantů
– Nanomateriály na bázi
elementárního (nulmocného) železa Zdroj: EPA
3
Environmentální
nanotechnologie
• Aplikace nanomateriálů v žp
• Nanočástice nZVI
• Nanovlákna
• Ostatní nanomateriály
• Rizika spojená s nanomateriály v žp
Příklady použití nanotechnologií• nanočástice (kovy a jejich oxidy)
– odstranění fosforu (z vody, z krve)
– Magnetické nanočástice pro uložení dat,
proti rakovině apod.
– Nové typy baterií (La, Ce, Sr, NiOx)
• Nanotrubičky (nanotubes)
– Pevná vlákna s elektrickými vlastnostmi
(Carbon NanotubesTM)
• nanovlákna
– Medicína, katalýza, textil (nanoponožky)
zdroj EPA a ARTEC
4
Nanočástice
JSOU, ale vznikly mnohem dříve!!!!
– Vlámský sklář John Utynam si v roce 1449 nechal v Anglii
patentovat barevné sklo s nanočásticemi zlata
– Švýcarský lékař a chemik von Hohenheim používal zlaté
nanočástice v léčbě v 16. století
– V 19. století byly běžně chemicky připravovány nanočástice
hydroxidu železitého
– Koloidní chemie jako obor se na univerizitách vyučuje od
počátku 20. století
V současnosti nejvíce komerční nanotechnologie
Jsou to nanotechnologie?
Zdroj: EPA
REMEDIATION – treatment that permanently and
significantly reduces volume, toxicity or mobility of
hazardous substances, pollutants and contaminants
– Pump and treat
– Physical methods (digging, thermal)
– Chemical methods (ox.,red.)
– Biological methods
OR Ex-situ x in-situ
SANACE – činnost, která permanentně a
významně snižuje objem, toxicitu nebo
mobilitu kontaminantů
– Sanační čerpání (Pump and treat)
– Fyzikální metody (odtěžba, termální metody)
– Chemické metody (ORP, komplexace)
– Biologické metody
Ex-situ x in-situ
Sanace
5
Podzemní reaktivní bariéry• Princip: propustná brána s Fe náplní
• Fe – oxidace Fe(0) Fe(II)
• C – redukce (ztráta Cl-)
• Nevýhody:
– Stavební dílo
– Prostorové omezení
– Cena
– Zanášení
– Spotřeba FeZdroj: EPA
• Nano Fe
• nanočástice
• velikost ~ 10-200 nm
• Plocha povrchu ~ 10 m2/g
• 107 atomů/částice
• 4 % on surface
• 50 €/kg
• Makro Fe
• Struska, špony
• velikost ~ cm, mm
• Plocha povrchu ~ 10-4 m2/g
• 1022 atomů/částice
• 0,0001 % na povrchu
• 0.5 €/kg
nanotechnologie ≠ není jen změna velikosti materiálu, ale nové vlastnosti
1 mm
Makro nano
6
velikost nanočástic?
?
Migrace nanočástic
7
Povrch a vlastnosti částic
0,5
nm
8 atoms Fe – on surface 8 (100%)
1,0 nm
1,0 nm
A Cube - 64 atoms Fe
On surface 56 atoms Fe (87,5%)
Zhang, FRTR, 2004
Povrch a vlastnosti částic
nanoiron Fe0
On surface c. 4 % atoms
50 nm
Granular Fe
PRB Filling
On surface < 0.0001 % atoms
1 mm
Zhang, FRTR, 2004
8
Nano elementární Fe (nZVI)• Způsobuje ve vodě změny oxidačně-redukčních
podmínek a tím redukuje molekuly a atomy:
• Podobně reagují alifatické chlorované
uhlovodíky:
• V laboratoři více než 70 typů látek (Zhang, 2003):
TCE, PCE, DDT, PCB, PCM, PCP, lindan, nitráty,
Pb, Hg, Ni, Cd, Cr, As, TNT, U……
• monometalické
zdroj: Brattacharyya, Zhang
bimetalické 0,1 % Pd
emulzifikované
(voda + jedlý olej + surfaktant)
proteinem obalené částice
(oxidy či Fe), ferritin)
Typy nZVI
9
Core-shell structure
Zdroj:Theron 2008
• Redukce Cr(6) na Cr(3)
– Cr(6) – rozpustný, toxický, karcinogenní
– Cr(3) – nerozpustný, netoxický
– laboratorní experimenty – vsádkové experimenty a kolony
– změna oxidačního stavu tvorba nerozpustných Cr3+ – Fe3+ oxyhydroxidů:
– změny pH (nižší pH při redukci, vyšší pH při srážení oxidů)
– in-situ experimentální ověření technologie
Příklad anorg.L.: chróm
10
• Srážení As3+ a As5+
– arzenitan As3+: 5x – 20x toxičtější než arzeničnan As5+
– přechody pomalé
– NZVI: spontánní adsorpce a koprecipitace
s oxidy a hydroxidyFe2+ a Fe3+
– oxidace NZVI vodou a O2
– oxidace Fe2+ na Fe3+ hydrolýza
– rychlá sorpce v pH mezi 5 a 10
– oxidace As(3) na As(5) vlivem Fe3+
– aniontová forma
vazba na oxidy železa
SEM obraz As(III) na NZVI,
zdroj: Kanel ES&T, 2005
Příklad anorg.L.: arzén
Laboratorní experimenty
11
Příklad laborky - Hořice
1.řád
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
10.00
0 100 200 300 400 500 600 700 800
čas (hodin)
ln c
1,2-cis-DCE
TCE
PCE
závislost absolutního úbytku ClU na množství Fe 0
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
0 2 4 6 8 10 12
g Fe 0 /l
ug/l
1,2-cis DCE
TCE
PCE
suma
Typy laboratorních experimentů:
•Koncentrační závislost
vzorků vod (+ půd) na
koncentraci nanoFe
•Kinetika poklesu pro
zvolenou koncentraci
•Porovnání různých typů
nanoFe
Migrace kolonou
Migrace ½ Vo
Nanofer 25
(tween80)
Podrobnosti Nosek
12
Migrace kolonou
Migrace 2 Vo
Podrobnosti Nosek
Migrace kolonou
Migrace 11 Vo
Podrobnosti Nosek
13
Migrace kolonou
Migrace15 Vo
Podrobnosti Nosek
Migrace kolonou
Migrace 37 Vo
60,7 %
30,2 %
Fe v koloně vs. poloha
0
200
400
600
800
1000
0 5 10 15 20 25 30 35 40Délka [cm]
měřené Fe
Fe frakce I.
Fe frakce II.
Pozadi
Fe v koloně vs. poloha
0
200
400
600
800
1000
0 5 10 15 20 25 30 35 40Délka [cm]
měřené Fe
Fe frakce I.
Fe frakce II.
Pozadi
[mg]Fe
3,1 %
Podrobnosti Nosek
14
Spolchemie 2004
Spolchemie 2004 - výsledky
15
Uspořádání pilotních testů
ZVI nanoparticles
PILOT TEST locationPW-3
MW-2
MW-3 Application well
GW flow direction
- blast fracturing- tracer test- ZVI nanop. application
Situace pilotních testů
312 312
317 317
322 322
327 327
332 332
[m] [m]
SSZ JJV
25 50 75 100 125 150 175Ba lt+ Balt +
[m]
0 50 m
Horizontální mìøítko 1 : 500Vertikální mìøítko 1 : 100
rozvinutý øez
172 146 113 89 67 35 10
Slinitý pís kovec Písk ovec slabì jílovitý Písek jílovitýPísk ovec jí lovitý event.
jílovi to prac hovitý
Treated horizont
Low conductivity increase of conductivity
Fractured rock connection of fractures
Treated horizon selective application
BLAST FRACTURING
16
Kuřívody - uspořádání
Kuřívody - výsledkyPW-3: Suma CHCs (ug/l)
0,0
2 000,0
4 000,0
6 000,0
8 000,0
10 000,0
12 000,0
14 000,0
16 000,0
18 000,0
20 000,0
0,00 30,00 60,00 90,00 120,00 150,00 180,00 210,00
Time [day]
Co
ncen
trati
on
CH
C [
µg
/l]
PW-3
MW-2
MW-3
Sta
rt N
AN
O
Period of nanoiron activity
reduction ~ 90 %
17
NanovláknaNanovlákna
Faku
lta
textiln
í
Laboratorní metoda
Nanospider
Český patent: 294274 (2004)
Světový patent:
WO 2005/024101
– PVAlkohol, PVAceton, PU vlákna s průměrem ~100 nm (TUL skupina nanovláken)
– Léčení popálenin (antibakteriální účinky)
– Výroba obvazů a sorpčních materiálů
– Filtrační materiály
– Nosiče biologických materiálů v biotechnologiích
– Pokovená nanovlákna –katalytické účinky ex-situ
– Nosiče dalších látek – oxidační látky
nanovlákna
18
AFM obrazy povrchů TiO2
zdroj: McDonald, ACS 2005
– Polovodičové katalyzátory na bázi
TiO2, ZnO, ex-situ
– rozkládají: -OH, -COOH, -CHO, -
NH, herbicidy voda + CO2 +
min. kys.
– nevyžaduje drahé oxid. činidla,
jen O2
– barevné látky na posun λ (UV
VIS)
TiO2 - polovodiče
zdroj: MF 2006
Vliv na životní prostředí
19
– Projekty v USA (5mil$ EPA)
– Uvádění toxických materiálů
do ŽP
– Biologické poškození
(akumulace v buňkách)
– Usnadnění transportu
toxických materiálů (colloid
facilitated transport)
Zhang 2004
Vliv na ŽP
?