Зеленая нанотехнология относится к использованию нанотехнологий для повышения экологической устойчивости процессов, создающих отрицательные внешние эффекты . Это также относится к использованию продуктов нанотехнологий для повышения устойчивости . Это включает в себя создание зеленых нанопродуктов и использование нанопродуктов в поддержку устойчивости. [ необходима цитата ]
Слово GREEN в названии Green Nanotechnology имеет двойное значение. С одной стороны, оно описывает экологически чистые технологии, используемые для синтеза частиц в наномасштабе; с другой стороны, оно относится к синтезу наночастиц, опосредованному экстрактами растений хлорофилла. [1] Зеленая нанотехнология была описана как разработка чистых технологий , «для минимизации потенциальных рисков для окружающей среды и здоровья человека, связанных с производством и использованием нанотехнологической продукции. Она также поощряет замену существующих продуктов новыми нанопродуктами, которые являются более экологически чистыми на протяжении всего их жизненного цикла ». [2]
Зеленая нанотехнология преследует две цели: производство наноматериалов и продуктов без нанесения вреда окружающей среде или здоровью человека и производство нанопродуктов, которые обеспечивают решения экологических проблем. Она использует существующие принципы зеленой химии и зеленой инженерии [3] для производства наноматериалов и нанопродуктов без токсичных ингредиентов, при низких температурах, используя меньше энергии и возобновляемые ресурсы, где это возможно, и используя мышление жизненного цикла на всех этапах проектирования и разработки.
Помимо создания наноматериалов и продуктов с меньшим воздействием на окружающую среду, зеленые нанотехнологии также означают использование нанотехнологий для того, чтобы сделать текущие производственные процессы для ненаноматериалов и продуктов более экологически чистыми. Например, наноразмерные мембраны могут помочь отделить желаемые продукты химических реакций от отходов растений. Наноразмерные катализаторы могут сделать химические реакции более эффективными и менее расточительными. Датчики в наномасштабе могут стать частью систем управления процессами , работая с информационными системами на основе нанотехнологий. Использование альтернативных энергетических систем, ставших возможными благодаря нанотехнологиям, является еще одним способом «зеленых» производственных процессов.
Вторая цель зеленой нанотехнологии заключается в разработке продуктов, которые приносят пользу окружающей среде либо напрямую, либо косвенно. Наноматериалы или продукты напрямую могут очищать опасные свалки, опреснять воду , обрабатывать загрязняющие вещества или определять и контролировать загрязняющие вещества в окружающей среде. Косвенно, легкие нанокомпозиты для автомобилей и других транспортных средств могут экономить топливо и сокращать количество материалов, используемых для производства; топливные элементы и светодиоды с нанотехнологиями могут сокращать загрязнение от производства энергии и помогать экономить ископаемое топливо; самоочищающиеся наноразмерные поверхностные покрытия могут сокращать или исключать многие чистящие химикаты, используемые в обычных процедурах технического обслуживания; [4] а увеличенный срок службы батареи может привести к меньшему использованию материалов и уменьшению отходов. Зеленая нанотехнология использует широкий системный взгляд на наноматериалы и продукты, гарантируя, что непредвиденные последствия будут сведены к минимуму и что воздействия будут ожидаемы на протяжении всего жизненного цикла. [5]
Ведутся исследования по использованию наноматериалов для таких целей, как более эффективные солнечные элементы , практичные топливные элементы и экологически чистые батареи . Наиболее передовые нанотехнологические проекты, связанные с энергетикой, включают: хранение, преобразование, усовершенствование производства за счет снижения материалов и скорости процесса, энергосбережение (например, за счет лучшей теплоизоляции) и усовершенствованные возобновляемые источники энергии.
Один из крупных проектов, над которым ведется работа, — это разработка нанотехнологий в солнечных элементах. [6] Солнечные элементы становятся более эффективными по мере уменьшения их размеров, а солнечная энергия является возобновляемым ресурсом . Цена за ватт солнечной энергии составляет менее одного доллара.
Продолжаются исследования по использованию нанопроводов и других наноструктурированных материалов с надеждой на создание более дешевых и эффективных солнечных элементов, чем это возможно с обычными плоскими кремниевыми солнечными элементами. [7] [8] Другим примером является использование топливных элементов, работающих на водороде, потенциально использующих катализатор, состоящий из частиц благородного металла на углеродной подложке диаметром 1–5 нм. Материалы с небольшими наноразмерными порами могут быть пригодны для хранения водорода. Нанотехнологии также могут найти применение в аккумуляторах , где использование наноматериалов может позволить создавать аккумуляторы с более высоким содержанием энергии или суперконденсаторы с более высокой скоростью перезарядки. [ необходима цитата ]
Нанотехнологии уже используются для обеспечения улучшенных эксплуатационных покрытий для фотоэлектрических (PV) и солнечных тепловых панелей. Гидрофобные и самоочищающиеся свойства объединяются для создания более эффективных солнечных панелей, особенно в ненастную погоду. Говорят, что PV, покрытые нанотехнологическими покрытиями, остаются чище дольше, что обеспечивает поддержание максимальной энергоэффективности. [9]
Нанотехнологии предлагают потенциал новых наноматериалов для очистки поверхностных вод, грунтовых вод , сточных вод и других экологических материалов, загрязненных токсичными ионами металлов , органическими и неорганическими растворами и микроорганизмами . Благодаря их уникальной активности по отношению к стойким загрязнителям, многие наноматериалы находятся в стадии активных исследований и разработок для использования в очистке воды и загрязненных участков. [10] [11]
Современный рынок технологий на основе нанотехнологий, применяемых в очистке воды, состоит из обратного осмоса (RO), нанофильтрации, ультрафильтрационных мембран. Действительно, среди новых продуктов можно назвать нановолоконные фильтры, углеродные нанотрубки и различные наночастицы. [12]
Ожидается, что нанотехнология будет более эффективно справляться с загрязняющими веществами, с которыми не справляются конвекционные системы очистки воды, включая бактерии, вирусы и тяжелые металлы. Эта эффективность обычно обусловлена очень высокой удельной площадью поверхности наноматериалов, что увеличивает растворение, реакционную способность и сорбцию загрязняющих веществ. [13] [14]
Наноремедиация — это использование наночастиц для восстановления окружающей среды . [15] [16] Наноремедиация наиболее широко использовалась для очистки грунтовых вод, с дополнительными обширными исследованиями в области очистки сточных вод . [17] [18] [19] [20] Наноремедиация также была протестирована для очистки почвы и отложений. [21] Еще больше предварительных исследований изучают использование наночастиц для удаления токсичных материалов из газов . [22]
Некоторые методы наноремедиации, в частности использование нанонульвалентного железа для очистки грунтовых вод, были развернуты на полномасштабных участках очистки. [16] Наноремедиация является новой отраслью; к 2009 году технологии наноремедиации были задокументированы по крайней мере на 44 участках очистки по всему миру, преимущественно в Соединенных Штатах. [17] [11] [23] Во время наноремедиации агент наночастиц должен быть приведен в контакт с целевым загрязнителем в условиях, которые допускают реакцию детоксикации или иммобилизации. Этот процесс обычно включает процесс «насос-и-обработка» или применение на месте . Другие методы остаются на стадиях исследований.
Ученые исследовали возможности бакминстерфуллерена в контроле загрязнения, поскольку он может контролировать определенные химические реакции. Было показано, что бакминстерфуллерен обладает способностью индуцировать защиту активных форм кислорода и вызывать перекисное окисление липидов. Этот материал может сделать водородное топливо более доступным для потребителей. [ необходима цитата ]
В 2017 году была создана компания RingwooditE Co Ltd с целью изучения технологии термоядерной ловушки (ТТТ) с целью очистки всех источников воды от загрязнений и токсичных веществ. Эта запатентованная нанотехнология использует камеру высокого давления и температуры для разделения изотопов, которые по своей природе не должны быть в питьевой воде, до чистой питьевой воды, согласно установленной классификации ВОЗ . Этот метод был разработан, в частности, профессором Владимиром Афанасьевым в Московском ядерном институте. Эта технология направлена на очистку сточных вод морей, рек, озер и свалок. Она даже удаляет радиоактивные изотопы из морской воды после катастроф на атомных электростанциях и башен охлаждающих установок. С помощью этой технологии удаляются остатки фармацевтических препаратов, а также наркотики и транквилизаторы. Донные слои и борта озер и рек могут быть возвращены после очистки. Оборудование, используемое для этой цели, во многом похоже на оборудование для глубоководной добычи . Удаленные отходы сортируются в ходе процесса и могут быть повторно использованы в качестве сырья для другого промышленного производства.
Нанофильтрация — это сравнительно новый процесс мембранной фильтрации, который чаще всего используется для воды с низким содержанием растворенных твердых веществ , такой как поверхностные воды и пресные грунтовые воды , с целью смягчения ( удаления поливалентных катионов ) и удаления предшественников побочных продуктов дезинфекции, таких как природные органические вещества и синтетические органические вещества. [24] [25] Нанофильтрация также становится все более широко используемой в процессах обработки пищевых продуктов , таких как молочная промышленность , для одновременной концентрации и частичной (одновалентные ионы ) деминерализации .
Нанофильтрация — это метод мембранной фильтрации , в котором используются цилиндрические сквозные поры нанометрового размера, проходящие через мембрану под углом 90°. Мембраны нанофильтрации имеют размер пор от 1 до 10 ангстрем , что меньше, чем при микрофильтрации и ультрафильтрации , но чуть больше, чем при обратном осмосе . Используемые мембраны в основном изготавливаются из полимерных тонких пленок. Обычно используемые материалы включают полиэтилентерефталат или металлы, такие как алюминий . [26] Размеры пор контролируются pH , температурой и временем во время разработки, при этом плотность пор составляет от 1 до 106 пор на см2 . Мембраны, изготовленные из полиэтилентерефталата и других подобных материалов, называются мембранами «трекового травления», названными в честь способа изготовления пор на мембранах. [27] «Трекинг» подразумевает бомбардировку полимерной тонкой пленки частицами высокой энергии. Это приводит к созданию дорожек, которые химически развиваются в мембране или «вытравливаются» в мембране, которые являются порами. Мембраны, созданные из металла, такие как мембраны из оксида алюминия, изготавливаются путем электрохимического выращивания тонкого слоя оксида алюминия из алюминия в кислой среде.
Некоторые устройства для очистки воды, включающие нанотехнологии, уже есть на рынке, и еще больше находятся в разработке. Недавнее исследование показало, что недорогие методы наноструктурированных разделительных мембран эффективны при производстве питьевой воды. [28]
Нанотехнология предлагает альтернативное решение для очистки воды от микробов, проблема, которая усугубляется из-за демографического взрыва, растущей потребности в чистой воде и появления дополнительных загрязняющих веществ. Одной из предлагаемых альтернатив является антимикробная нанотехнология, которая заявила, что несколько наноматериалов продемонстрировали сильные антимикробные свойства посредством различных механизмов, таких как фотокаталитическое производство активных форм кислорода, которые повреждают компоненты клеток и вирусы. [28] Также существует случай синтетически изготовленных нанометаллических частиц, которые оказывают антимикробное действие, называемое олигодинамической дезинфекцией, которая может инактивировать микроорганизмы при низких концентрациях. [29] В настоящее время также существуют коммерческие системы очистки, основанные на фотокатализе оксида титана, и исследования показывают, что эта технология может достичь полной инактивации фекальных колиформ за 15 минут после активации солнечным светом. [29]
Существует четыре класса наноматериалов, которые используются для очистки воды, а именно: дендримеры , цеолиты , углеродистые наноматериалы и металлы, содержащие наночастицы. [30] Преимущества уменьшения размера металлов (например , серебра , меди , титана и кобальта ) до наномасштаба, такие как эффективность контакта, большая площадь поверхности и лучшие свойства элюирования. [29]
Известно, что растения обладают различными фитохимическими веществами (вторичными метаболитами), которые помогают им защищать себя; эти фитохимические вещества с незапамятных времен использовались людьми в медицинских целях. [31] Микробы вырабатывают устойчивость к нескольким синтетическим препаратам, что приводит к появлению штаммов микробов с множественной лекарственной устойчивостью (MDR), которые представляют собой проблему для современной лекарственной системы. [32] [33] Для преодоления этой проблемы появились наночастицы, синтезированные с использованием экстрактов растений и их частей, как надежда. [34] [35] Многие исследователи сообщают, что наночастицы, синтезированные с использованием растительных экстрактов, продемонстрировали улучшенные лечебные свойства по сравнению с экстрактом(ами) в отдельности. [36]
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) регистрирует более десяти тысяч разливов нефти в год. Традиционно для устранения разливов нефти применяются биологические, диспергирующие и гелеобразующие агенты. Хотя эти методы используются уже десятилетиями, ни один из них не может вернуть невосполнимую потерянную нефть. Однако нанопроволоки могут не только быстро очищать разливы нефти, но и извлекать как можно больше нефти. Эти нанопроволоки образуют сетку, которая поглощает до двадцати раз больше своего веса в гидрофобных жидкостях, отталкивая воду благодаря своему водоотталкивающему покрытию. Поскольку оксид калия-марганца очень стабилен даже при высоких температурах, нефть можно выпарить из нанопроволок, а затем и нефть, и нанопроволоки можно использовать повторно. [37]
В 2005 году ураган Катрина повредил или уничтожил более тридцати нефтяных платформ и девять нефтеперерабатывающих заводов. Корпорация Interface Science успешно запустила новое приложение по восстановлению и восстановлению нефти, которое использовало водоотталкивающие нанопровода для очистки нефти, разлитой поврежденными нефтяными платформами и нефтеперерабатывающими заводами. [38]
Одной из инноваций зеленой нанотехнологии, которая в настоящее время находится в стадии разработки, являются наномашины, смоделированные по образцу бактерии, биоинженерно созданной для потребления пластика, Ideonella sakaiensis . Эти наномашины способны разлагать пластик в десятки раз быстрее, чем биоинженерные бактерии, не только из-за их увеличенной площади поверхности, но и потому, что энергия, выделяемая при разложении пластика, используется для питания наномашин. [ необходима цитата ]
Помимо очистки воды и восстановления окружающей среды, нанотехнологии в настоящее время улучшают качество воздуха. Наночастицы могут быть спроектированы для катализа или ускорения реакции по преобразованию экологически вредных газов в безвредные. Например, многие промышленные заводы, которые производят большие объемы вредных газов, используют тип нановолоконного катализатора из оксида магния (Mg 2 O) для очистки опасных органических веществ в дыме. Хотя химические катализаторы уже существуют в газообразных парах автомобилей, нанотехнологии имеют большую вероятность реагировать с вредными веществами в парах. Эта большая вероятность исходит из того факта, что нанотехнологии могут взаимодействовать с большим количеством частиц из-за большей площади поверхности. [39]
Нанотехнологии использовались для устранения загрязнения воздуха, включая выхлопные газы автомобилей и потенциально парниковые газы из-за большой площади поверхности. Согласно исследованиям, проведенным Environmental Science Pollution Research International, нанотехнологии могут помочь в обработке наночастиц на основе углерода, парниковых газов и летучих органических соединений .. Также ведутся работы по разработке антибактериальных наночастиц, наночастиц оксидов металлов и модификаторов для процессов фиторемедиации. Нанотехнологии также могут дать возможность предотвратить загрязнение воздуха в первую очередь из-за их чрезвычайно малых масштабов. Нанотехнологии были приняты в качестве инструмента для многих промышленных и бытовых областей, таких как системы мониторинга газа, пожарные и токсичные газовые детекторы, контроль вентиляции, детекторы алкоголя в выдыхаемом воздухе и многое другое. Другие источники утверждают, что нанотехнологии имеют потенциал для разработки методов обнаружения и обнаружения загрязняющих веществ, которые уже существуют. Способность обнаруживать загрязняющие вещества и обнаруживать нежелательные материалы будет повышена за счет большой площади поверхности наноматериалов и их высокой поверхностной энергии. Всемирная организация здравоохранения заявила в 2014 году, что загрязнение воздуха стало причиной около 7 миллионов смертей в 2012 году. Эта новая технология может стать существенным активом в этой эпидемии. Три способа, которыми нанотехнологии используются для очистки воздуха от загрязнения, — это наноадсорбционные материалы, деградация с помощью нанокатализа и фильтрация/разделение с помощью нанофильтров. Наноразмерные адсорбенты являются основным средством для решения многих проблем, связанных с загрязнением воздуха. Их структура обеспечивает отличное взаимодействие с органическими соединениями, а также повышенную селективность и стабильность при максимальной адсорбционной емкости. Другие преимущества включают высокую электро- и теплопроводность, высокую прочность, высокую твердость. Целевыми загрязнителями, на которые могут быть нацелены наномолекулы, являются 〖NO〗_x, 〖CO〗_2, 〖NH〗_3, N_2, ЛОС, пары изопропила, газы 〖CH〗_3 OH, N_2 O, H_2 S. Углеродные нанотрубки специально удаляют частицы многими способами. Один из методов заключается в пропускании их через нанотрубки, где молекулы окисляются; затем молекулы адсорбируются на нитратных видах. Углеродные нанотрубки с аминогруппами обеспечивают многочисленные химические сайты для адсорбции диоксида углерода в низких температурных диапазонах 20°-100° градусов по Цельсию. Силы Ван-дер-Ваальса и π-π взаимодействия также используются для притягивания молекул к функциональным группам поверхности. Фуллерен может быть использован для устранения загрязнения углекислым газом из-за его высокой адсорбционной способности. Графеновые нанотрубки имеют функциональные группы, которые адсорбируют газы. Существует множество нанокатализаторов, которые могут быть использованы для снижения загрязнения воздуха и улучшения качества воздуха. Некоторые из этих материалов включают 〖TiO〗_2, ванадий, платину, палладий, родий и серебро. Каталитическое снижение промышленных выбросов, снижение выхлопных газов автомобилей и очистка воздуха — вот лишь некоторые из основных направлений, в которых используются эти наноматериалы. Некоторые приложения не получили широкого распространения, но другие более популярны. Загрязнение воздуха в помещенияхпока еще едва на рынке, но он разрабатывается более эффективно из-за осложнений с воздействием на здоровье. Сокращение выбросов выхлопных газов автомобилей широко используется в дизельных автомобилях, в настоящее время являясь одним из наиболее популярных приложений. Сокращение промышленных выбросов также широко используется. Это интегральный метод, особенно на угольных электростанциях, а также на нефтеперерабатывающих заводах. Эти методы анализируются и рассматриваются с использованием изображений SEM, чтобы гарантировать их полезность и точность. [40] [41]
Кроме того, в настоящее время проводятся исследования, чтобы выяснить, можно ли спроектировать наночастицы для отделения автомобильных выхлопов от метана или углекислого газа, [39] которые, как известно, повреждают озоновый слой Земли. Фактически, Джон Чжу, профессор Университета Квинсленда , изучает создание углеродной нанотрубки (УНТ), которая может улавливать парниковые газы в сотни раз эффективнее, чем современные методы. [42]
Постоянное воздействие загрязнения тяжелыми металлами и твердыми частицами приведет к проблемам со здоровьем, таким как рак легких, сердечные заболевания и даже заболевания двигательных нейронов. Однако способность человечества защищать себя от этих проблем со здоровьем может быть улучшена с помощью точных и быстрых наноконтактных датчиков, способных обнаруживать загрязняющие вещества на атомном уровне. Эти наноконтактные датчики не требуют много энергии для обнаружения ионов металлов или радиоактивных элементов. Кроме того, они могут быть изготовлены в автоматическом режиме, так что их можно будет считывать в любой момент. Кроме того, эти наноконтактные датчики являются энергетически и экономически эффективными, поскольку они составлены с использованием обычного микроэлектронного производственного оборудования с использованием электрохимических методов. [37]
Вот некоторые примеры наномониторинга:
Хотя зеленая нанотехнология имеет много преимуществ по сравнению с традиционными методами, все еще много споров о проблемах, вызванных нанотехнологией. Например, поскольку наночастицы достаточно малы, чтобы впитываться в кожу и/или вдыхаться, страны требуют, чтобы дополнительные исследования, вращающиеся вокруг воздействия нанотехнологии на организмы, были тщательно изучены. Фактически, область эко- нанотоксикологии была основана исключительно для изучения воздействия нанотехнологии на Землю и все ее организмы. В настоящее время ученые не уверены в том, что произойдет, когда наночастицы просочятся в почву и воду, но такие организации, как NanoImpactNet, приступили к изучению этих эффектов. [39]