Nanoremediacja

Nanoremediacja to wykorzystanie nanocząstek do rekultywacji środowiska . Jest badany w celu oczyszczania wód gruntowych , ścieków , gleby , osadów lub innych zanieczyszczonych materiałów środowiskowych. Nanoremediacja to rozwijająca się branża; do 2009 roku technologie nanoremediacji zostały udokumentowane w co najmniej 44 miejscach oczyszczania na całym świecie, głównie w Stanach Zjednoczonych. W Europie nanoremediacja jest badana w ramach finansowanego przez WE projektu NanoRem. W raporcie sporządzonym przez konsorcjum NanoRem zidentyfikowano około 70 projektów nanoremediacji na całym świecie w skali pilotażowej lub pełnej. Podczas nanoremediacji środek nanocząsteczkowy musi zostać doprowadzony do kontaktu z docelowym zanieczyszczeniem w warunkach umożliwiających reakcję detoksykacyjną lub unieruchamiającą. Ten proces zazwyczaj obejmuje proces pompowania i leczenia lub zastosowanie na miejscu .

Niektóre metody nanoremediacji, w szczególności wykorzystanie nano żelaza o zerowej wartościowości do oczyszczania wód gruntowych, zostały wdrożone w miejscach oczyszczania na pełną skalę. Inne metody pozostają w fazie badań.

Aplikacje

Nanoremediacja była najczęściej stosowana do oczyszczania wód gruntowych, z dodatkowymi szeroko zakrojonymi badaniami nad oczyszczaniem ścieków . Nanoremediacja została również przetestowana pod kątem oczyszczania gleby i osadów. Jeszcze bardziej wstępne badania dotyczą wykorzystania nanocząstek do usuwania toksycznych substancji z gazów .

Oczyszczanie wód podziemnych

Obecnie remediacja wód podziemnych jest najczęstszym komercyjnym zastosowaniem technologii nanoremediacji. Wykorzystanie nanomateriałów , zwłaszcza metali o zerowej wartościowości (ZVM), do rekultywacji wód gruntowych to nowe podejście, które jest obiecujące ze względu na dostępność i skuteczność wielu nanomateriałów do degradacji lub sekwestracji zanieczyszczeń.

Nanotechnologia oferuje potencjał skutecznego usuwania zanieczyszczeń in situ , unikając wykopów lub konieczności wypompowywania zanieczyszczonej wody z gruntu. Proces rozpoczyna się od wstrzyknięcia nanocząstek do zanieczyszczonej warstwy wodonośnej przez studnię iniekcyjną. Nanocząsteczki są następnie transportowane przez wody gruntowe do źródła zanieczyszczenia. W kontakcie nanocząstki mogą sekwestrować zanieczyszczenia (poprzez adsorpcję lub kompleksowanie ), unieruchamiając je lub mogą rozkładać zanieczyszczenia do mniej szkodliwych związków. Transformacje zanieczyszczeń są zazwyczaj redoks reakcje. Gdy nanocząstka jest utleniaczem lub reduktorem, uważa się ją za reaktywną.

Zdolność do wstrzykiwania nanocząstek pod powierzchnię i transportu ich do źródła zanieczyszczenia jest niezbędna do skutecznego leczenia. Reaktywne nanocząsteczki można wstrzykiwać do odwiertu, skąd następnie zostaną przetransportowane w dół do zanieczyszczonego obszaru. Wiercenie i uszczelnianie studni jest dość drogie. Studnie Direct Push kosztują mniej niż studnie wiercone i są najczęściej używanym narzędziem do dostarczania środków zaradczych za pomocą nanożelaza. Zawiesinę nanocząstek można wstrzykiwać wzdłuż pionowego zakresu sondy, aby zapewnić oczyszczanie określonych regionów warstwy wodonośnej.

Uzdatnianie wód powierzchniowych

Zastosowanie różnych nanomateriałów, w tym nanorurek węglowych i TiO ₂ , jest obiecujące w leczeniu wód powierzchniowych, w tym w oczyszczaniu, dezynfekcji i odsalaniu. Docelowe zanieczyszczenia w wodach powierzchniowych obejmują metale ciężkie, zanieczyszczenia organiczne i patogeny. W tym kontekście nanocząstki mogą być stosowane jako sorbenty, jako czynniki reaktywne (fotokatalizatory lub czynniki redoks) lub w membranach stosowanych do nanofiltracji .

Wykrywanie zanieczyszczeń śladowych

Nanocząsteczki mogą pomóc w wykrywaniu śladowych poziomów zanieczyszczeń w warunkach polowych, przyczyniając się do skutecznego usuwania skutków. Instrumenty, które mogą działać poza laboratorium, często nie są wystarczająco czułe, aby wykryć śladowe zanieczyszczenia. Szybkie, przenośne i ekonomiczne systemy pomiarowe śladowych zanieczyszczeń w wodach gruntowych i innych środowiskach środowiskowych pomogłyby w ten sposób w wykrywaniu i usuwaniu zanieczyszczeń. Jedną z potencjalnych metod jest oddzielenie analitu od próbki i zatężenie ich do mniejszej objętości, co ułatwia wykrywanie i pomiar. Gdy małe ilości stałych sorbentów są używane do zaabsorbowania docelowego stężenia, metoda ta jest określana jako mikroekstrakcja do fazy stałej .

Dzięki swojej wysokiej reaktywności i dużej powierzchni nanocząstki mogą być skutecznymi sorbentami pomagającymi skoncentrować docelowe zanieczyszczenia do mikroekstrakcji do fazy stałej, szczególnie w postaci samoorganizujących się monowarstw na mezoporowatych podłożach. Mezoporowata krzemionkowa , utworzona w procesie zol-żel na szablonie z użyciem środka powierzchniowo czynnego , nadaje tym samoorganizującym się monowarstwom dużą powierzchnię i sztywną strukturę z otwartymi porami. Materiał ten może być skutecznym sorbentem dla wielu celów, w tym metali ciężkich, takich jak rtęć, ołów i kadm, chromian i arsenian oraz radionuklidów, takich jak ⁹⁹ Tc, ¹³⁷ CS, uran i aktynowce.

Mechanizm

Mały rozmiar nanocząstek prowadzi do kilku cech, które mogą poprawić remediację. Nanomateriały są wysoce reaktywne ze względu na dużą powierzchnię na jednostkę masy. Ich mały rozmiar cząstek umożliwia również nanocząsteczkom przedostawanie się do małych porów w glebie lub osadzie , do których większe cząstki mogą nie przeniknąć, zapewniając im dostęp do zanieczyszczeń wchłoniętych do gleby i zwiększając prawdopodobieństwo kontaktu z docelowym zanieczyszczeniem.

Ponieważ nanomateriały są tak małe, ich ruch jest w dużej mierze regulowany przez ruchy Browna w porównaniu z grawitacją. Zatem przepływ wód gruntowych może być wystarczający do transportu cząstek. Nanocząsteczki mogą wtedy dłużej pozostawać zawieszone w roztworze, tworząc in situ .

Gdy nanocząsteczka zetknie się z zanieczyszczeniem, może je rozłożyć, zazwyczaj poprzez reakcję redoks , lub adsorbować na zanieczyszczeniu, aby je unieruchomić. W niektórych przypadkach, na przykład w przypadku magnetycznego nanożelaza, zaadsorbowane kompleksy można oddzielić od traktowanego podłoża, usuwając zanieczyszczenia. Docelowe zanieczyszczenia obejmują cząsteczki organiczne, takie jak pestycydy lub rozpuszczalniki organiczne , oraz metale, takie jak arsen lub ołów . Niektóre badania badają również wykorzystanie nanocząstek do usuwania nadmiaru składników odżywczych, takich jak azot i fosfor.

Materiały

Różne związki, w tym niektóre, które są używane jako makrocząstki do remediacji, są badane pod kątem zastosowania w nanoremediacji. Materiały te obejmują metale o zerowej wartościowości, takie jak żelazo o zerowej wartościowości , węglan wapnia , związki na bazie węgla, takie jak grafen lub nanorurki węglowe , oraz tlenki metali, takie jak dwutlenek tytanu i tlenek żelaza .

Żelazo o zerowej wartościowości

Od 2012 r. nanożelazo o zerowej wartościowości (nZVI) było materiałem w nanoskali najczęściej używanym w testach naprawczych na stanowisku iw terenie. nZVI może być zmieszany lub pokryty innym metalem, takim jak pallad , srebro lub miedź , który działa jak katalizator w tak zwanej nanocząstce bimetalicznej. nZVI można również emulgować z surfaktantem i olejem, tworząc membranę, która zwiększa zdolność nanocząstki do interakcji z cieczami hydrofobowymi i chroni ją przed reakcjami z materiałami rozpuszczonymi w wodzie. Komercyjne rozmiary cząstek nZVI mogą czasami przekraczać rzeczywiste wymiary „nano” (100 nm lub mniej średnicy).

nZVI wydaje się być przydatny do rozkładania zanieczyszczeń organicznych, w tym chlorowanych związków organicznych , takich jak polichlorowane bifenyle (PCB) i trichloroeten (TCE), a także unieruchamiania lub usuwania metali. nZVI i inne nanocząsteczki, które nie wymagają światła, można wstrzykiwać pod ziemię do skażonej strefy w celu rekultywacji wód gruntowych in situ i potencjalnie rekultywacji gleby.

Nanocząstki nZVI można wytworzyć za pomocą borowodorku sodu jako kluczowego reduktora. NaBH4 (0,2 M) dodaje się do roztworu FeCl3 • 6H2 (0,05 M) (stosunek objętościowy ~1 _: 1 _{) .} Żelazo żelazowe jest redukowane w następującej reakcji:

⁰ 4Fe ³⁺ + 3B H
^- ₄ + 9H ₂ O → 4Fe + 3H ₂ B O
^- ₃ + 12H ⁺ + 6H ₂

_są przygotowywane przez namoczenie nanocząstek żelaza etanolowym roztworem 1% wag. octanu palladu ([Pd( C2H3O2 ) _{2 ]} 3 ₎ . Powoduje to redukcję i osadzanie się Pd na powierzchni Fe:

⁰⁰ Pd ²⁺ + Fe → Pd + Fe ²⁺

Podobne metody można zastosować do przygotowania cząstek bimetalicznych Fe/Pt, Fe/Ag, Fe/Ni, Fe/Co i Fe/Cu. Za pomocą powyższych metod można wytwarzać nanocząstki o średnicy 50-70 nm. Średnia powierzchnia właściwa cząstek Pd/Fe wynosi około 35 m2 ^/ g. Jako prekursor z powodzeniem stosowano również sól żelaza(III).

Dwutlenek tytanu

Dwutlenek tytanu (TiO ₂ ) jest również wiodącym kandydatem do nanoremediacji i oczyszczania ścieków, chociaż według doniesień od 2010 r. nie został jeszcze rozszerzony na komercjalizację na pełną skalę. Pod wpływem światła ultrafioletowego , takiego jak światło słoneczne , dwutlenek tytanu wytwarza rodniki hydroksylowe , które są wysoce reaktywne i mogą utleniać zanieczyszczenia. Rodniki hydroksylowe są wykorzystywane do uzdatniania wody w metodach ogólnie określanych jako zaawansowane procesy utleniania . Ponieważ do tej reakcji potrzebne jest światło, TiO ₂ nie nadaje się do podziemnej remediacji in situ , ale może być stosowany do oczyszczania ścieków lub rekultywacji wód podziemnych metodą „pompuj i uzdatniaj”.

TiO2 jest niedrogi, stabilny _chemicznie i nierozpuszczalny w wodzie. TiO ₂ ma energię o szerokim paśmie wzbronionym (3,2 eV), która wymaga użycia światła UV, a nie tylko światła widzialnego, do aktywacji fotokatalitycznej. Aby zwiększyć wydajność fotokatalizy, naukowcy zbadali modyfikacje TiO2 _lub alternatywnych fotokatalizatorów , które mogłyby wykorzystywać większą część fotonów w widmie światła widzialnego . Potencjalne modyfikacje obejmują domieszkowanie TiO2 _metalami , azotem lub węglem.

Wyzwania

Podczas stosowania środków zaradczych in situ należy wziąć pod uwagę produkty reaktywne z dwóch powodów. Jednym z powodów jest to, że reaktywny produkt może być bardziej szkodliwy lub mobilny niż związek macierzysty. Innym powodem jest to, że produkty mogą wpływać na skuteczność i/lub koszt rekultywacji. TCE (trichloroetylen), w warunkach redukujących nanożelazem, może kolejno odchlorować do DCE (dichloroeten) i VC (chlorek winylu). Wiadomo, że VC jest bardziej szkodliwy niż TCE, co oznacza, że ​​proces ten byłby niepożądany.

Nanocząsteczki reagują również ze związkami niedocelowymi. Nagie nanocząsteczki mają tendencję do zlepiania się, a także szybko reagują z glebą, osadami lub innymi materiałami w wodach gruntowych. W przypadku in situ działanie to zapobiega rozpraszaniu się cząstek w zanieczyszczonym obszarze, zmniejszając ich skuteczność w remediacji. Powłoki lub inna obróbka mogą umożliwić nanocząsteczkom dalsze rozprzestrzenianie się i potencjalnie dotarcie do większej części skażonej strefy. Powłoki dla nZVI obejmują środki powierzchniowo czynne , powłoki polielektrolitowe , warstwy emulgujące i powłoki ochronne wykonane z krzemionki lub węgiel .

Takie projekty mogą również wpływać na zdolność nanocząstek do reagowania z zanieczyszczeniami, ich wchłanianie przez organizmy i ich toksyczność . Kontynuowany obszar badań obejmuje możliwość szerokiego rozprzestrzeniania się nanocząstek używanych do rekultywacji i szkodzenia dzikiej przyrodzie, roślinom lub ludziom.

W niektórych przypadkach bioremediacja może być celowo stosowana w tym samym miejscu lub przy użyciu tego samego materiału co nanoremediacja. Trwające badania badają, w jaki sposób nanocząsteczki mogą wchodzić w interakcje z równoczesną remediacją biologiczną.

Zobacz też

• Zielona nanotechnologia
• Nanofiltracja