Environmentální nanotechnologie

Transkript

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! 1

2 Současný stav National Nanotechnology Initiative USA 1,2 miliardy $ (privát 2007), 400 M$ USA (states) Nanomateriály v IT technologiích Dermakologie, kosmetika (TiO2) Antimikrobiální povlaky (Ag) Nanotrubičky & nanokomposity Nanočástice (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 2

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 Nanotubes TM ) nanovlákna Medicína, katalýza, textil (nanoponožky) zdroj EPA a ARTEC 3

4 Nanočástice V současnosti nejvíce komerční nanotechnologie Jsou to nanotechnologie? Zdroj: EPA 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 Sanace REMEDIATION SANACE treatment činnost, která that permanently permanentně and a significantly významně reduces snižuje volume, objem, toxicity toxicitu or mobility nebo of hazardous mobilitu substances, kontaminantů pollutants and contaminants Pump Sanační and treat čerpání (Pump and treat) Physical Fyzikální methods metody (digging, (odtěžba, thermal) termální metody) Chemical Chemické methods metody (ox.,red.) (ORP, komplexace) Biological Biologické methods metody OR Ex-situ Ex-situ x x in-situ in-situ 4

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 Fe Zdroj: EPA Makro nano Makro Fe Struska, špony velikost ~ cm, mm Plocha povrchu ~ 10-4 m 2 /g atomů/částice 0,0001 % na povrchu 0.5 /kg Nano Fe nanočástice velikost ~ nm Plocha povrchu ~ 10 m 2 /g 10 7 atomů/částice 4 % on surface 50 /kg 1mm nanotechnologie není jen změna velikosti materiálu, ale nové vlastnosti 5

6 velikost nanočástic?? Migrace nanočástic 6

7 1,0 nm 0,5 nm Povrch a vlastnosti částic 8 atoms Fe on surface 8 (100%) A Cube - 64 atoms Fe On surface 56 atoms Fe (87,5%) 1,0 nm Zhang, FRTR, 2004 Povrch a vlastnosti částic nanoiron Fe 0 On surface c. 4 % atoms 50 nm 1mm Granular Fe PRB Filling On surface < % atoms Zhang, FRTR,

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 Typy nzvi monometalické emulzifikované (voda + jedlý olej + surfaktant) bimetalické 0,1 % Pd proteinem obalené částice (oxidy či Fe), ferritin) zdroj: Brattacharyya, Zhang 8

9 Core-shell structure Zdroj:Theron 2008 Příklad anorg.l.: chróm 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 Cr 3+ Fe 3+ oxyhydroxidů: změny ph (nižší ph při redukci, vyšší ph při srážení oxidů) in-situ experimentální ověření technologie 9

10 Příklad anorg.l.: arzén Srážení As 3+ a As 5+ arzenitan As 3+ : 5x 20x toxičtější než arzeničnan As 5+ přechody pomalé NZVI: spontánní adsorpce a koprecipitace s oxidy a hydroxidyfe 2+ a Fe 3+ oxidace NZVI vodou a O 2 oxidace Fe 2+ na Fe 3+ hydrolýza rychlá sorpce v ph mezi 5 a 10 oxidace As(3) na As(5) vlivem Fe 3+ aniontová forma vazba na oxidy železa SEM obraz As(III) na NZVI, zdroj: Kanel ES&T, 2005 Laboratorní experimenty 10

11 ln c Příklad laborky - Hořice závislost absolutního úbytku ClU na množství Fe ,2-cis DCE TCE PCE suma ug/l g Fe 0 /l 0 Typy laboratorních experimentů: Koncentrační závislost vzorků vod (+ půd) na koncentraci nanofe Kinetika poklesu pro zvolenou koncentraci Porovnání různých typů nanofe 1.řád ,2-cis-DCE 9.00 TCE 8.00 PCE čas (hodin) Podrobnosti Nosek Migrace kolonou Migrace ½ Vo Nanofer 25 (tween80) 11

12 Podrobnosti Nosek Migrace kolonou Migrace 2 Vo Podrobnosti Nosek Migrace kolonou Migrace 11 Vo 12

13 Podrobnosti Nosek Migrace kolonou Migrace15 Vo Podrobnosti Nosek Migrace kolonou Migrace 37 Vo Fe [mg] 1000 Fe v koloně vs. poloha 800 měřené Fe Fe frakce I. Fe frakce II. Pozadi ,7 % ,2 % 3,1 % Délka 40 [cm] 13

14 Spolchemie 2004 Spolchemie výsledky 14

15 Ba lt+ Balt + Uspořádání pilotních testů MW-3 GW flow direction ZVI nanoparticles PILOT TEST location PW-3 Application well - blast fracturing - tracer test - ZVI nanop. application MW-2 Situace pilotních testů SSZ [m] JJV [m] Low conductivity increase of conductivity Fractured rock connection of fractures Treated horizon selective application BLAST FRACTURING Treated horizont [m] Horizontální mìøítko 1 : 500 rozvinutý øez Písk ovec jí lovitý event. Vertikální mìøítko 1 : 100 Slinitý pís kovec Písk ovec slabì jílovitý Písek jílovitý 0 50 m jílovito prac hovitý 15

16 Concentration CHC [µg/l] Start NANO Kuřívody - uspořádání Kuřívody - výsledky PW-3: Suma CHCs (ug/l) , , ,0 PW-3 MW-2 MW , , , , ,0 Period of nanoiron activity reduction ~ 90 % 4 000, ,0 0,0 0,00 30,00 60,00 90,00 120,00 150,00 180,00 210,00 Time [day] 16

17 Nanovlákna Fakulta textilní Laboratorní metoda Nanospider Český patent: (2004) Světový patent: WO 2005/ nanovlákna 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 17

18 TiO2 - polovodiče Polovodičové katalyzátory na bázi TiO 2, ZnO, ex-situ rozkládají: -OH, -COOH, -CHO, - NH, herbicidy voda + CO 2 + min. kys. nevyžaduje drahé oxid. činidla, jen O 2 barevné látky na posun λ (UV VIS) AFM obrazy povrchů TiO2 zdroj: McDonald, ACS 2005 Vliv na životní prostředí zdroj: MF

19 Vliv na ŽP Projekty v USA (5mil$ EPA) Uvádění toxických materiálů do ŽP Biologické poškození (akumulace v buňkách) Usnadnění transportu toxických materiálů (colloid facilitated transport) Zhang 2004? 19