Nanočástice v životním prostředí J. Filip Regionální Centrum Pokročilých Technologií a Materiálů Univerzita Palackého, 17. listopadu 11, Olomouc
Životní prostředí Soubor veškerých činitelů, se kterými přichází do styku živý subjekt (organismus, populace, člověk, lidská společnost) a podmínek, kterými je obklopen, tj. vše, co na subjekt přímo i nepřímo působí. Obsah pojmu ž.p. se velmi často zužuje na životní prostředí člověka, lidské společnosti (Máchal et. al.: Malý ekologický a environmentální slovníček; 1997). Životním prostředím je vše, co vytváří přirozené podmínky existence organismů včetně člověka a je předpokladem jejich dalšího vývoje. Jeho složkami jsou zejména ovzduší, voda, horniny, půda, organismy, ekosystémy a energie ( 2 zákona č. 17/92 o životním prostředí).
Výskyt nanočástic v životním prostředí Atmosféra Hydrosféra (koloidy významná role při transportu látek) Litosféra (půdy, nukleační zárodky tuhé fáze, reakční lemy, nanolamely a domény v krystalických látkách) Biosféra (i člověk) Vznik zejména na fázovém rozhraní
Typy nanočástic v životním prostředí Přírodní nanočástice přirozený výskyt (dříve je nebylo možné studovat dostupnými technikami) Antropogenně vzniklé nanočástice nanočástice neřízeně uvolňované do ŽP a vznikající výsledkem určitých reakcí a procesů s negativním vlivem na ŽP bez prokázaného negativního vlivu na ŽP nanočástice cíleně vpravované do ŽP Analogie v organismech přirozené nežádoucí cílené
Nanočástice v ovzduší Nanočástice jako složka aerosolů v oblastech nezatížených zvýšenou prašností Nanočástice jako složka aerosolů v oblastech zatížených zvýšenou prašností Nanočástice v pracovním ovzduší
(Nano)částice v ovzduší z biomasy
(Nano)částice v ovzduší z vulkanické činnosti Vulkán Eyjafjallajökull Cca 6 Tg/rok
(Nano)částice z vulkanické činnosti - další příklady
Další přirozené zdroje (nano)částice v ovzduší Meziplanetární prach ročně 20 40 tis. tun
(Nano)částice v ovzduší z eolické činnosti
Antropogenní zdroje nanočástic v ovzduší Saze z dieselových motorů Filtr pevných částic
Hloubka (cm) t Mapa magnetické susceptibility půd v Polsku 0 10 0 10 20 30 40 50 Půdní profil 20 30 40 50 0 200 400 Susceptibilita
Další antropogenní zdroje (nano)částic - teroristické aktivity, demolice
Další antropogenní zdroje (nano)částic Laserové tiskárny Opalovací krémy Grilování masa Sušičky prádla
Vláknité (nano)materiály v ovzduší - azbesty asbestová vlákna se vyznačují vysokou pevností v tahu ve směru podélné osy vlákna (nelámou se při ohýbání), jsou chemicky inertní, nerozpustné v HCl nehořlavé, tepelně odolné.
NANOČÁSTICE V ORGANISMECH - rozmanité chemické složení a krystalická forma - odlišný význam pro organismus MIKROORGANISMY BAKTERIE HOUBY, ŘASY HMYZ Magnetospirillum gryphiswaldense Fusarium oxysporum Verticillium sp. Včela medonosná ĆLOVĚK Holub poštovní PTÁCI, SAVCI Pstruh duhový Delfín skákavý
Nanočástice oxidů a oxyhydroxidů Fe v organismech
Mikrobiální biomineralizace Biogenní minerály jsou výsledkem dvou odlišných procesů: BIM biologicky indukované mineralizace (biologically induced mineralization) minerály jsou produkovány extracelulárně BCM biologicky kontrolované mineralizace (biologically controled mineralization) minerály jsou produkovány intracelulárně
BCM biologicky kontrolované mineralizace magnetotaktické bakterie Magnetospirillum gryphiwaldense Fe 3 O 4 0,5 m
MTB izolované z přírodního prostředí
BIM - biologicky indukované mineralizace Bakterie způsobují tvorbu nanočástic ovlivněním vnějšího prostředí BIM nanočástice vytvářeny extracelulárně špatně krystalické nepravidelný tvar a poměrně široká velikostní distribuce nanočástic nedefinovaná morfologie
Gallionella ferruginea Leptothrix ochracea todorokit
Nanočástice oxidů železitých ve vodách a půdách
Přírodní ferrihydrit Fe 5 HO 8 4H 2 O ~15 t/rok čistého ferrihydritu ~2300 t/rok: směs ferrihydrit + CaCO 3
Jímací nádrže Zlaté Hory
depth (cm) depth (cm) Další příklady nanočástic oxidů Fe ve vodách a půdách Cambishi, Zambie As-schwertmannit 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 0.00 500.00 1000.00 1500.00 Fe (ppm) - excavation Fe (ppm) - outcrop 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 As (ppm) - excavation As (ppm) - outcrop
Nanotechnologie pro čištění vod
Residual concentration (mg/l) Residual As (mg/l Environmentální aplikace přírodního ferrihydritu Katalytický rozklad H 2 O 2 Sorpce As III a As V VI V
Použití nanočástic biogenních oxidů železa pro odstraňování xenobiotik Type of dye Mass adsorption capacity (mg/g) Bismarck brown 97.8 Malachite green 62.9 Acridine orange 49.3 Crystal violet 36.7 Safranin O 34.3
Použití syntetických nanočástic oxidů železa pro odstraňování As
Nanočástice elementárního železa redukce: oxidace (Zhang 2003, J Nanopart Res) (Keenan et al. 2008, EST) sorpce precipitace na površích katalýza 7700 m 2
Compounds Tested and Treatable using commercial Fe 0 Methanes: Carbon tetrachloride (CT) Chloroform Bromoform Ethanes: Hexachloroethane 1,1,1-Trichloroethane (TCA) 1,1,2,2-Trichloroethane 1,1,2,2-Tetrachloroethane 1,1,1,2-Tetrachloroethane 1,1-Dichloroethane (DCA) Ethenes: Tetrachloroethene (PCE) Trichloroethene (TCE) 1,1-Dichloroethene trans-1,2-dichloroethene cis-1,2-dichloroethene Vinyl chloride Other Organics: 1,1,2-Trichlorotrifluoroethane (Freon 113) Trichloroflouromethane (Freon 11) 1,2,3-Trichloropropane 1,2-Dichloropropane 1,2-Dibromo-3-chloropropane 1,2-Dibromoethane n-nitrosodimethylamine (NDMA) Nitrobenzene Inorganics: Chromium, nickel Lead, Copper, Zinc Nitrate, Arsenic http://www.hepure.com/zero_valent_iron_treated_contaminants.html
Laboratoní testování nanočástic železa tetrachloroethene trichloroethene 1,1-dichloroethene 1,2-dichloroethene Treatment of selected metals using of nzvi 1.00% 10.00% 100.00% 1000.00% U Zn V Pb Ni Cu Mn Cd Cr Be Ba As
% estrogens removal Další aplikace nanočástic elementárního železa Degradace yperitu 100 75 Odbourávání estrognů z povrchových a odpadních vod E2 EE2 EEQ 17β-estradiol (E2) 17α-ethinylestradiol (EE2) 50 25 0 0h 1h 3h 5h 1h 3h 5h 1h 3h 5h 1h 3h 5h 0 g/l 0 g/l 2 g/l 4 g/l 6g/L samples Military Institute + další mikropolutanty léčiva (např. ibuprofen), pesticidy, herbicidy apod.
Pilotní testy s nanočásticemi železa Františkovy Lázně Rožmitál p. Třemšínem Spolchemie Kuřívody Kara Trutnov Uherský Brod Svratka (MARS)
Concentration [ g/l] Pilotní aplikace nanočástic elementárního železa 12 000.00 Sum of chlorinated ethenes Prior application One week after application 10 000.00 8 000.00 6 000.00 4 000.00 2 000.00 0.00 HP - 4 HP - 5 HP - 6 HP-4 HP-5 HP-6 1.5 m 2.0 m Direction of groundwater flow 9 m
Pilotní aplikace nanočástic elementárního železa metodou direct push
Reaktivní plocha povrchu používaných nanočástic železa V pilotním měřítku používáno X až X00 kg nanočástic železa V konkrétní aplikaci použito 200 kg: Porovnání s makroskopickou formou železa: < 5 m2 ~ 5 000 000 m2 Plocha přibližně 2.5 x 2.5 km
Geochemická bariéra využívající nanočástic železa zóna s odlišnými fyzikálněchemickými podmínkami - (ph, redox-potenciál, sorpční kapacita, biogenní pochody) vyskytuje se relativně běžně v přírodě - faciální změny sedimentace - vertikální zonalita možno generovat uměle - uměle vytvořená linie v horninovém prostředí, kde řízeně probíhají geochemické reakce mezi horninovým prostředím, podzemní vodou a dodávanými reagenty - neklade hydraulický odpor podzemí vodě
Geochemická bariéra využívající nanočástic železa Obsah ClE bariera C - listopad 2012 DBC-10 2142 DfB-4 2236 DBC-9 2412 DBC-7 2385 DBC-6 2437 DBC-5 2547 DBC-4 2451 DBC-3 2625 DBC-8 2958 DBC-2 DBC-1 2722 1648 HV 12 1798 2 m A-4 2568 Obsah ClE bariera C duben 2013 DBC-10 54,6 DfB-4 621 DBC-9 301 DBC-7 362 DBC-6 237 DBC-5 277 DBC-4 53 DBC-3 218 DBC-8 2533 DBC-2 DBC-1 829 164 HV 12 2 m Vysvětlivky: monitorovací vrty vrty difúzní bariery vrty s anodou izolinie ClE (ug/l) A-4 325 126
Odstraňování sinic z povrchových vod pomocí nanočástic kovového železa Vysoká a selektivní toxicita nanočástic kovového železa vůči cyanobakteriím. Toxicita vůči dafniím, vodním rostlinám a rybám je o 2-3 řády nižší! Original cells Deformation of cells Cell destruction B. Maršálek et al. EST 46, 2316, 2012; R. Zbořil et. al. PCT/CZ2011/0075