CENTRUM VZDĚLÁVÁNÍ PEDAGOGŮ ODBORNÝCH ŠKOL

Transkript

1 Projekt: CENTRUM VZDĚLÁVÁNÍ PEDAGOGŮ ODBORNÝCH ŠKOL Kurz: Využití nanotechnologie při výrobě barev 1

2 Obsah Příklady nanotechnologií v praxi... 3 Detoxy Color barva 3. tisíciletí a nanotechnologie v praxi... 3 Nozokomiální infekce... 7 Použitá literatura

3 Příklady nanotechnologií v praxi V posledních třech desetiletích nastal prudký rozvoj nových materiálů unikátních vlastností. Vyrobily se úplně nové typy polymerů pro výrobu pojiv nátěrových hmot. Jsou to například polysiloxanové pojiva s unikátní odolností a UV stabilitou či nové typy elektricky vodivých polymerů s obsahem korozně-inhibičního pigmentu polyanilinu, které mohou měnit svou strukturu v závislosti na odezvě okolního korozního prostředí. Nelze rovněž nevzpomenout objevení se celé řady technologií třetího tisíciletí nanotechnologií, které se objevily jak v oblasti výroby pojiv, tak i v oblasti přísad do barev. Zde můžeme uvést: - nanočástice zinkového antikorozního pigmentu - nanočástice stříbra - nanočástice titaničité běloby Detoxy Color barva 3. tisíciletí a nanotechnologie v praxi Bouřlivý celosvětový rozvoj průmyslové výroby za uplynulé století přinesl nejenom ohromné množství nových výrobků uspokojující naše denní potřeby, ale také mnoho negativních vedlejších efektů. Mezi nejhůře odstranitelné vedlejší produkty lidské činnosti patří výfukové plyny aut, cigaretový kouř a zbytky organických rozpouštědel uvolněných z lepidel, nátěrových hmot a různých chemických procesů. Nacházejí se ve vzduchu všude kolem nás a ohrožují naše zdraví, aniž si to dostatečně uvědomujeme. Tento tzv. chemický smog má proměnlivé složení a koncentraci dle místa výskytu a intenzity proudění vzduchu. Hlavně je ho ale nejvíc tam, kde je největší koncentrace lidí a průmyslové činnosti. O jeho účinné odstranění se může postarat s naší pomoci sama příroda díky využití fotokatalytického jevu a slunečního světla. Obr.1 Princip fotokatalytického děje e - redukují molekuly akceptorů O 2 + e O 2 O 2 E Vodivostní pás O 2 - CH = CH mineralizace E x hν Valenční pás OH H 2 O + CO 2 d + oxidují molekuly donorů H 2 O + d + OH + H + H 2 O 3

4 Nejznámější přírodní formou využití sluneční energie je fotosyntéza rostlin. Rostliny po adsorpci slunečního světla přemění kysličník uhličitý a vodu na složité organické molekuly. Vedlejším produktem tohoto procesu je tvorba kyslíku, který potřebujeme pro dýchání. Rychlost fotosyntézy především závisí na intenzitě slunečního světla, tzn., že se jedná o proces fotokatalytický. V přírodě ale probíhá i obrácený proces, při kterém se za přítomnosti slunečního světla složité organické látky rozkládají na jednoduché, především na vodu a kysličník uhličitý. Tento jev se nazývá fotodegradace nebo také fotomineralizace. Na jeho nastartování je obvykle nutná vyšší intenzita světla a delší doba. Je tedy také fotokatalýzou, i když probíhá v obráceném směru než fotosyntéza. V běžné praxi si toho jevu můžeme všimnout například jako vyblednutí barev textilu nebo fasád, jemné popraskání až olupování nátěru na oknech a podobně. Teď je na místě otázka, jak lze fotodegradaci využít v náš prospěch. Při vývoji fotokatalyticky barvy Detoxy Color, rozkládající nežádoucí plynné i kapalné emise škodlivin, bylo především nutné najít látky, které jsou na světlo mimořádně citlivé, tzv. fotokatalyzátory. Mezi nejznámější látky s tímto atributem patří kysličník titaničitý (titandioxid) čili běžný a často používaný bílý pigment. Jeho fotokatalytická účinnost je silně závislá na velikosti částic a na způsobu jejich přípravy. Nejjemnější částečky TiO2 (až velikosti nano) mají velký povrch, a proto i vyšší účinnost. Jsou účinné hlavně při intenzivním osvětlení, převážně UV částí slunečního světla. Obr.2 Pro skutečně účinnou fotokatalýzu bylo nutné tento velmi jemný prášek titandioxidu ještě dále modifikovat, do jeho krystalové struktury záměrně dodat cizí kovové atomy, podobně jako u polovodičů. Na jejich povrchu pak stačí minimální energie dopadajícího světla uvolnit část elektronů, které se vzdušným kyslíkem začnou velmi silně vše kolem sebe napadat. Výsledkem je štěpení složitých organických molekul a jejich rozklad až na kysličník uhličitý a vodu. Rozkládají tak kapalné i plynné látky a přitom se v procesu nespotřebovávají. Musíme 4

5 pouze zajistit proudění plynů nebo kapalin, které chceme zlikvidovat, aby byl zajištěn přímý kontakt s povrchem fotokatalyzátorů. Dále zajistit světlo, které nemusí nutně obsahovat UV část slunečního světla. Může to být dokonce i odražené světlo nebo i umělé osvětlení. Rozklad plynných i kapalných škodlivin může tak probíhat i v interiérech staveb, i když o něco pomaleji než na přímém slunečním světle. Kromě chemických škodlivin se ve vzduchu vznáší i velké množství biologicky škodlivých organizmů, jako jsou mikroby, zárodky plísní a podobně. Povrch jejich buněk je ve styku s fotokatalyzátorem silně atakován, a proto rychle hynou. Antimikrobní a antifungicidní účinek fotoch látek je přitom trvalý a bez rezistence. Na jeho odstartování postačí i odražené sluneční světlo. Obr.3 První nátěrová hmota, která je skutečně účinná proti plynným i kapalným polutantům a zároveň má antimikrobiální a antifungicidní účinek na denním i umělém světle, je Detoxy Color. Jeho základem je speciální fotokatalyzátor, vyráběný podle vlastního, autorsky chráněného výrobního postupu. Ten je výsledkem víceletého společného výzkumu Ústavu anorganické chemie České akademie věd Praha a podnikového výzkumu Rokospol, a. s., Uherský Brod. Detoxy Color vedle účinného fotokatalyzátoru obsahuje silikátové pojivo na bázi draselného vodního skla, které po vysušení dává jemně porézní film snadno prostupný plynům a vodní páře. Na svislé ploše interiérových nebo exteriérových zdí kolem povrchu barvy mohou trvale proudit plyny a páry a zajistí tak bezprostřední styk s m povrchem zabudovaného fotokatalyzátorů. Ten je pevně vázán v anorganickém skeletu a nemůže být proto samovolně uvolňován. Detoxy Color je tedy nátěrová hmota obsahující speciální nanočástice, které na svém povrchu vytváří v okamžiku působení světelné energie radikální kyslík, který má mimořádnou afinitu ke všem formám organické hmoty. Díky této schopnosti neinvazivně rozkládá toxické molekuly, plísně, viry a bakterie, které se dostanou na jeho povrch. Účinná látka se přitom nespotřebovává, protože energie k reakci je získána a obnovována světlem. 5

6 Graf.1 Příklady látek, které jsou zasaženy fotokatalýzou: -ftaláty - uhlovodíky -nikotin -benzen - a další toxické DETOXY COLOR Rozklad acetonu ve viditelném světle, měřeno hmotnostním spektrofotometrem 400 nm 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 CO2 - kysličník uhličitý O2 - kyslík C3H60 - aceton H20 - voda 0,5 o /C C0,4 0,3 0,2 0,1 0, Time (min) Stanovení fotodegradační účinnosti Detoxy Coloru prováděli pracovníci Ústavu anorganické chemie Akademie věd Praha ve zkušebním fotoreaktoru sledováním úbytku nejčastějších organických polutantů. Výsledek zachycený na grafu mimo jiné ukázal, že rozpad organického vzdušného polutantu probíhá za současné tvorby kysličníku uhličitého. Tato závislost má pro jednotlivé polutanty charakteristický tvar a bývá často téměř lineární. Státní zdravotní ústav Praha testoval působení Detoxy Coloru na nejběžnější mikroorganismy. Výsledky měření prokázaly, že na povrchu Detoxy Coloru mikroorganizmy hynou v řádu několika hodin. Stejně působí i na sledované plísně. Hlavní příčiny vzniku plísní: Vznik plísní na stěnách bytu či domu je častým problémem nejednoho z nás. Hlavní příčinou výskytu plísně je samozřejmě nadměrná vlhkost. Důvodem vlhkosti mohou být stavební závady, nejčastěji zatékání vody střechou. Dalším případem může být netěsnění kolem oken, kdy dešťová voda proniká malými škvírami do bytu. Kromě stavebních vad je základním důvodem výskytu plísně v bytu jeho nesprávné užívání. Člověk už jen tím, že dýchá, vytváří velké množství vodní páry. Pokud k tomu přičteme vaření, žehlení, mytí podlah, koupání nebo jen zalévání květin, tak máme hezkých několik litrů vody denně, která se nám vznáší po bytě a může způsobit plíseň. Na eliminaci plísní je jediná rada, větrat, čistit a vytápět. Byt bychom měli v každém ročním období alespoň třikrát denně pořádně vyvětrat nejlépe právě po takové činnosti, při níž se 6

7 produkuje větší množství vodní páry, jako například koupel nebo vaření. V zimě také nezanedbáváme topení, a to i tehdy, když místnost příliš nepoužíváme. Také bychom neměli při ustavování nábytku zapomenout na to, že pokud dorazíme skříně těsně ke zdi, tak se tam nemůže dostat vzduch, ale vlhkost, a později také plíseň. Pokud to jen jde, necháme mezi zdí a nábytkem několik centimetrů prostoru. Nozokomiální infekce (Infectiones nosocomiales) Definice: Nozokomiální (nemocniční) infekce jsou přenosná onemocnění získaná v souvislosti s pobytem ve zdravotnickém zařízení (obvykle během hospitalizace). Výskyt: Zhruba 5 10 %, ale závisí na řadě okolností narůstá s dobou pobytu ve zdravotnickém zařízení a bývá zvláště vysoká na JIP a ARO (20 50 %). K dalším zařízením s častým výskytem nemocničních nákaz patří oddělení chirurgická, urologická, popáleninová, interní, porodnická, nedonošenecká, novorozenecká, kojenecká a také psychiatrické léčebny. Infekční oddělení jsou díky přísnému hygienickému režimu z tohoto hlediska relativně bezpečná. Etiologie: Hlavními původci nozokomiálních infekcí jsou: grampozitivní koky, G- tyčky, mykotické mikroorganismy. Typickou vlastností je vyselektovaná multirezistence k antibiotikům. Obávané rezistentní kmeny mikrobů: grampozitivní koky o Staphylococcus aureus o Staphylococcus epidermidis o Enterococcus faecalis o Enterococcus faecium G- tyčky o Pseudomonas aeruginosa o Klebsiella pneumoniae o Serracia marcescens o Acinetobacter calcoaceticus o Alcaligenes xylosooxidans o Stenotrophomonas (dříve Xanthomonas) maltophilia o Citrobacter freundii (braakii) o Citrobacter diversus o Burkholderia (Pseudomonas) cepacia Podmínky vzniku: Snížení odolnosti důsledkem základního onemocnění a jeho terapie (imunosuprese), zavlečení mikroorganismů při diagnostických a terapeutických výkonech, extrémy věku (novorozenci a staré osoby), délka hospitalizace a nedostatky v dodržení hygienického režimu a asepse. Epidemiologie: Zdrojem exogenní infekce je nejčastěji ošetřující personál nebo jiný pacient, výjimečně návštěva. U endogenní infekce je zdrojem sám pacient. Primárně endogenní infekce 7

8 je vyvolána mikroorganismy osídlující člověka a uplatňující se v důsledku základního onemocnění nebo diagnostických či terapeutických výkonů, sekundárně endogenní infekce vzniká propagací mikrobů, kterými byl pacient kolonizován až v nemocnici. Cesty přenosu: Inhalace, ingesce, inokulace. Řada materiálů používaných v intenzivní péči může být sama o sobě vehikulem infekce, např. kontaminovaný infuzní roztok nebo voda ve zvlhčovači dýchacího přístroje. Klinické obrazy: 1. uropoetický trakt (infekce močových cest) 2. chirurgické rány (ranné infekce) 3. dýchací cesty a plíce (pneumonie) 4. kůže a tkáně v okolí zavedených jehel a kanyl (flebitida, flegmóna, absces) 5. krevní oběh (bakterémie, fungémie, katetrová sepse) 6. alimentární nákazy (salmonelóza, shigelóza) vzácnější. Diagnóza: Záchyt původce má rozhodující význam. Terapie: Racionální terapie vychází z citlivosti vykultivovaných mikrobů a ze znalosti citlivosti izolátů na příslušném oddělení. Prevence: Používání jednorázových pomůcek, řádné výměny arteriálních a žilních kanyl a močových katetrů, mytí rukou personálu, používání rukavic, roušek a ochranných oděvů, dodržování asepse, úzkostlivá péče o osobní hygienu pacientů, izolace nemocných a častý úklid. Prevence nozokomiálních nákaz v širším slova smyslu: zvážení indikace invazivních technik, racionální podávání antibiotik. Barva Detoxy Color dokáže výrazně snížit riziko nákazy nozokomiálních infekcí. Závěr: Detoxy Color lze doporučit všude tam, kde je člověk vystaven silnému negativnímu působení civilizace. Obzvlášť lze doporučit do zdravotnictví, školství, bytů a kanceláří a všech veřejných prostor. Zejména ve zdravotnictví, kde dle dostupných statistik 5 až 7 % úmrtí jde na vrub konfrontace virů s oslabeným organismem, je tento výrobek velmi důležitý. Jedním z řešení, které umožňuje plísním předcházet, je vymalovat byt nebo dům barvou Detoxy Color, která ničí jakékoliv zárodky plísní. I v případě, že se Vám na stěnách plíseň opakovaně objevuje po použití běžných přípravků a nátěrových hmot, je nejlepším řešením použití interiérové barvy Xeroxy Color, která svými vlastnostmi aktivně plísně ničí. Detoxy Coloru tedy lze oprávněně označit za barvu, která čistí vzduch. Účinně rozkládá bacily a choroboplodné zárodky, veškeré alifatické a aromatické uhlovodíky (propan, butan, benzín, xylen, benzen) a všechny nebezpečné produkty kouření. Je proto skutečně významným příspěvkem k ochraně životního prostředí. Důkazy, které potvrzují účinnost Detoxy Coloru: DC je barva, která pracuje v okamžiku, kdy je její povrch ozářen světelnou energií. Účinné složky mají velikost nanočástic. Pro srovnání jeden nanometr je milionkrát menší než je jeden milimetr. Tyto nanočástice jsou pevně zabudovány do minerálního, v našem případě silikátového pojiva. 8

9 Lidem schází běžná zkušenost, která by dovolila celý proces fotokatalylticky barvy vnímat jako skutečnou realitu. Dnes můžeme předložit řadu nezávislých důkazních nástrojů, které mají každému z nás vytvořit lepší a organizovanější vhled do této složité reality. 1. Důkazové zkoušky, který přinesla Akademie věd ČR. Ty mají povahu přesného měření, které zachycuje vztah mezi ozářenou plochou světla a účinností takto excitované plochy na organickou, živou, či plynnou hmotu. K provedení tohoto důkazu byl vyvinut speciální fotoreaktor. Jedná se o hermeticky uzavřenou nádobu, do které je vložen umělý světelný zdroj, který ozařuje plochu opatřenou nátěrem DC. Fotoreaktor je vybaven speciálním čidlem, které snímá skutečný stav této látky v čase osvitu. Zpravidla se jedná o různé organické toxické látky jako je benzen, toluen, aceton, nikotin a další. Fotoreaktor zachycuje v čase úbytek této látky, která je vpravena do jeho prostoru. Výsledky měření se přenáší na obrazovku počítače, který kreslí graf, jak klesá objem této látky a současně se zvedá látka, která vznikla z jejího rozpadu viz Graf 1 výše. Rozpadem těchto škodlivých organických látek vzniká voda a kysličník uhličitý. Pro naši představivost si můžeme toto měření extrapolovat do běžných měřítek. Plocha 1 m2 ozářena svitem, který je zhruba 15x slabší, nežli je světlo Slunce, dokáže rozložit zhruba dva litry acetonových par za 20 hodin. Podobný důkaz lze provést i za pomoci hmotnostního spektrofotometru, který dokáže měřit změny jednotlivých molekul, tedy látek, které jsou vystaveny světelnému záření při fotokatalýze 2. Důkazové zkoušky z měření u Státního zdravotního ústavu v Praze Na většině běžných povrchu žijí mikroorganismy, viry, bakterie, plísně. Detoxy Color dokáže udržet svůj povrch čistý, tedy bez těchto mikroorganismů. SZÚ aplikoval na různé povrchy představitele různých kultur mikroorganismů. Jako jsou stafylokoky, penicillium, aspergillus niger, bakteriofág E.coli, apod. Všechny výsledky byly konfrontovány s kontrolní plochou, která nebyla opatřena fotokatalytickým nátěrem. Na plochu zhruba 40 x 40 cm byly infikovány mikroorganismy v počtu10 na sedmou. Tedy deset miliónů jednotek. Následně se sledoval počet mikroorganismů v čase. Povrch opatřený fotokatalytickým nátěrem vykázal neinvazivní likvidaci těchto mikroorganismů již v řádu několika hodin až jednoho dne. Kontrolní plochy byly beze změn. Toto měření prokázalo, že mikroorganismy nemohou přežít na povrchu, který je opatřen nátěrem DC. Výjimku tvoří mikroorganismus Aspergillus niger, který představuje černou plíseň. Nejlépe se jí daří ve vlhkých prostorách. Tato skutečnost potvrzuje teorii, že vznik fotokatalytické reakce je podmíněn výlučně světelnou energií, kterou tento mikroorganismus zásadně tlumí, protože nepropustí přes sebe žádné světlo. Tento stav následně inspiroval SZÚ k provedení experimentu, zda je možné, aby plocha ošetřená DC, dovolila životní pokračování existence plísně Aspergillus niger. Tříměsíční experiment následně prokázal, že Aspergillus niger, je-li překryt nátěrem DC, se nedokáže přes tuto vrstvu dostat na povrch. Kontrolní plochy ošetřené neutrálním nátěrem, tedy bez fotokatalýzy, ukázaly, že tato plíseň se probudila znovu k životu. Výsledky celého komplexu měření u SZÚ byly opakovány zhruba za šest měsíců prakticky se stejnými výsledky. Měření a postup SZÚ jako nezávislé autority prokázalo, že DC má prokazatelný vliv na likvidaci mikroorganismů v příčinné souvislosti se světelným zářením, které bylo v tomto případě, pro větší přesvědčivost, reprezentováno denním šerem. 9

10 3. Důkazové zkoušky z měření u Státního zdravotního ústavu v Praze U SZÚ proběhl i další pokus, jehož cílem bylo doložit vliv DC na likvidaci následků kouření. Do skleněné nádoby se na dno umístil vzorek plochy, který byl z poloviny natřen DC a z druhé poloviny kontrolním nátěrem. Na tuto plochu se pak přiváděl kouř ze dvou cigaret po dobu 12 minut. Sledovaná plocha byla bezprostředně kouřem výrazně barevně kontaminována. Vzorek se z jedné poloviny zabalil do alobalu tak, aby zde nebyl přístup světla. Druhá polovina se pak vystavila působení denního světla. Již za dva dny se projevil markantní úbytek kontaminovaného zabarvení sledované plochy právě v té části, která byla natřena DC. V konečném součtu to znamená, že plochy, které jsou natřeny DC, si udržují svou čistotu a nedovolí, aby plynné exhaláty se usadily na jejím povrchu a následně se pak dostávaly znovu do ovzduší. Pro kuřáky, ale hlavně pro jejich okolí je to velmi dobrá zpráva. DC je nátěr, který dokáže likvidovat plynné a kapalné exhaláty, včetně mikroorganismů a může tak výrazně přispět ke zlepšení životního prostředí. Toto tvrzení se opírá jen z výsledků provedeného měření AV ČR a SZÚ. O účinnosti DC vypovídá i registrovaná pozitivní atmosféra daného prostoru u senzibilních osob. Ty všeobecně konstatovaly, že v místnosti, který je tímto nátěrem ošetřen, mají příjemné, pozitivní pocity. Srovnávací měření DC s výrobky, které o sobě prohlašují, že jsou fotokatalyticky účinné. Viz laboratorní měření: LABORATORNÍ MĚŘENÍ: Úbytek organických polutantů (benzen, fenol, dehet /polycyklické aromatické uhlovodíky, aromatické aminy na povrchu testovaných materiálů v závislosti na osvětlení šířce vlnového spektra) Děrované desky Knauf Cleaneo obsahují speciální sádru Zeolith, rozkládající organické škodlivé látky katalyticky na vodu a oxid uhličitý. Interiérová barva CAPAROL CapaSan s fotokatalyckým efektem ROKO Detoxy Color širokospektrální fotokatalycká barva Zatemněná plocha Stropy místností Stěny odvrácené od venkovního světla nebo umělé osvětlení Umělé osvětlení Stěny, na které dopadá přímé sluneční záření přes skleněnou výplň neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje neúčinkuje Stěny, na které dopadá přímé sluneční záření 10

11 Použitá literatura: [1] Pracovní podklady, výstupy z výzkumu firmy ROKO, spol. s. r.o., Kaňovice [2] Interní dokumentace: Katalog výrobků společnosti Rokospol a.s., z r

12 Vydal: Střední průmyslová škola a Obchodní akademie Uherský Brod Uherský Brod, červen 2012 Vytvořeno v rámci projektu Centrum vzdělávání pedagogů odborných škol, reg. č. CZ.1.07/1.3.09/ Podpořeno Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky prostřednictvím Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost 12