Нанотехнологии. Използване на нанотехнологиите в пречистването на въздуха.


Категория на документа: Химия


Понятието нанотехнология е трудно да се определи точно, тъй като то възникна постепенно в течение на десетилетия като резултат от развитието и сливането на редица научни направления на химията и физиката през ХХ век. Нанотехнологите може да се дефинират като набор от технологии или методики, базирани на боравенето
с отделни атоми или молекули. Нанотехнология е обобщено понятие за опитите на хората да получават и работят с материали и обекти с наноразмери, т.е. НТ е обобщено название за това как хората да манипулират материя на атомно и молекулно ниво. Може да се каже, че НТ възникна като резултат от усвояването и практическото приложение на фундаменталните постижения на науката, получени през дълъг период от време и едва понастоящем станали основа на новите технологии.
Настоящият XXI век някои изследователи наричат "век на нанонауката и нанотехнологиите". Това се обуславя от факта, че научно-техническият прогрес и решаването на разностранните проблеми, пред които сме изправени, ще става на атомно, молекулно и ниво на надмолекулните структури. Създаването и използването на нови материали, устройства и системи на основа на НТ се осъществява чрез управление и контрол на веществата и материята в наноразмерен мащаб. При генерирането чрез НТ на тъй наречените "наноструктури", с фундаментално нова молекулна организация, се получават най-малките произведени от човека обекти, които показват качествено нови физични, химични и биологични свойства. Благодарение на достиженията на НТ много от неразрешените понастоящем проблеми на човечеството (борбата с рака и СПИН, космическите пътувания, удължаването на живота и др.) ще станат реалност в обозримо бъдеще [1-12].
"Нано" идва от гръцката дума за "малко" и обикновено се използва за означаване на милиардна част от нещо, например една милиардна част от метъра е нанометър, милионна от милиметъра или дължината на 12 водородни атоми, наредени един до друг. Като имаме предвид, че диаметърът на един атом е от порядъка на пикометри (напр. диаметърът на водородния атом е 0.106 nm = 106 pm), достигайки атомно ниво на подреждането, може да говорим за пикотехнологии.
НТ боравят с обекти, чиито размери са много малки - от порядъка на милионни части от милиметъра. Нанонауката (НН) и НТ търсят решение на различни проблеми на човечеството през ХХI век на атомно и/или молекулно ниво. Най-общо може да се каже, че всички технологии, които се отнасят до: получаването, изучаването, манипулирането, групирането и използването на материалите и частиците с размери, лежащи в областта до 100-200 nm, попадат в понятието нанотехнологии. Може да се твърди, че НТ са клон от инженерната наука, занимаващ се с дизайн и разработване на миниатюрни електронни устройства и машини.
3. Нанотехнологиите в химическата промишленост и енергия
Тук приложението на нанотехнологиите е твърде разностранно. Като се започне от получаването на високоактивни наноструктурирани катализатори и се стигне до внасянето на наноразмерни добавки към различните полимери. В областта на хетерогенната катализа се синтезират, активират или регенерират различни катализатори (нанесени или масивни) в условията на различни плазмени разряди (електродъгов, ВЧ или СВЧ). В частност интерес представлява и разработването на наноструктурирани катализатори за получаване на водород от водна пара и/или метан. При получаване на наноразмерни катализаторни частици активността на катализаторите се повишава значително, като процесите на парова конверсия на метана (риформинг на природния газ) и конверсията на въглеродния оксид с водна пара протичат с голяма скорост, при което се получава поевтин водород в сравнение със съответните процеси при използване на конвенционалните катализатори. Тези изследвания са приоритетни за Американското химическо дружество, което организира през 2000 г. (Вашингтон), 2003 г. (Ню Орлийнс) и 2004 г. (Анахайм) в рамките на националните си годишни конференции по химия специални международни научни симпозиуми, посветени на плазмените технологии в катализата [6]. Както посочихме по-горе, добре известна е тенденцията, съществуваща в електронната промишленост, за минимизиране на площта и обема, заемани от транзисторите и чиповете като едно средство за значително повишаване на компютърната мощ и производителност на съоръженията. Същата тенденция за миниатюризация съществува и в химическата промишленост и съхранението и трансформацията на енергията, но по други причини. Реализирането на нови свойства, присъщи на НМ, позволява да се постигнат значителни успехи в конверсията на слънчева енергия и нейното съхранение, получаване на нови сензори и контролни прибори за повишаване на технологичните процеси, прилагане на ниско енергийни химични източници и намаляване на отпадъчните токсични вещества, подобряване на енергийната ефективност при осветлението и др.
В химическата и енергийната промишленост познаването и контролът на наноструктурите се очаква да има все по-голямо значение за различни области на развитие на научните изследвания и промишленото приложение. При енергийните приложения наноструктурните материали с добре дефинирана пореста структура и висока активна повърхност се получават с оглед на потенциалното използване за съхранение на енергия, разделяне на химикали и използване в батерийното производство. Получаваните НМ със значителен капацитет за съхранение на H2 и СН4 при малък обем на контейнерите определя ниска цена и бъдещо използване в автомобилите и за създаване и приложение в локални неголеми силови инсталации с висока ефективност и отделяне на малко замърсители в околната среда. Неотдавна беше установено, че при електрохимична редукция на калаен оксид се формират канали от нанокристални калаени агрегати, които дават възможност за значително увеличаване на капацитета (количеството енергия, поемано за едно зареждане) на литиевите батерии. Освен това е показано, че използването на наноструктурни аноди като LiCoO2, MnO2 и V2O5 подобрява капацитета, жизнения цикъл и скоростта на зареждане и разтоварване. На основата на намерената възможност за вместване на алкален метален йон в скелета на метален оксид на преходните метали позволи на фирмата "Sony" да създаде и започне производство на презареждащи се многократно литиево-йонни батерии. Сравнени с известните никел-кадмиеви (Ni-Cd) и никел-метал хидридните батерии (Ni-MH), литиевите батерии осигуряват три пъти по-висок номинален волтаж и два пъти по-голям капацитет при еднаква маса на активния материал. Структурата на литиевите йони е с много малка маса и е компактна, което ги прави много подходящи за изготвяне на батерийните пакети.
Повишаване на енергийната ефективност. НТ имат съществено влияние върху енергийната ефективност и по-специално при магнитните материали. Така например при производството на мотори, подобренията, дължащи се на постоянните агнити в тях, повишават тяхната енергийна ефективност. Наноструктурираните материали значително повишават твърдостта и якостта на металите и сплавите. Това дава възможност да се използват по-леки метали, като алуминий, и значително да се намалят енергийните загуби от триене и износване. При йонно имплантиране на алуминий и кислород в никел на повърхността се образува наноразмерен Al2O3в никела, което води до рязко увеличаване на механичната якост на основния метал. Подобна имплантация на кислород превръща алуминия в много здрав и износоустойчив материал, който превъзхожда тези качества на най-добрите лагерни и други известни и традиционно прилагани стомани.
В химическата промишленост и специалните видове енергийни източници, акумулаторите на енергия и в намаляване на енергийните разходи приложението на НТ бележи непрекъснато развитие. В процес на производствено усвояване са редица нови постижения, които ще позволят да се направят нови решителни крачки при приложението на НТ в тези производства. Усилията в това отношение най-общо се отнасят до:
* Усвояване на нови сорбенти на основата на самоподреждащи се наноструктурирани системи;
* Високоселективни и активни катализатори, получавани на основата на нанотехнологии и наноразмерни частици;
* Високоселективни и ефективни сепаратори за разделяне на газови смеси на основата на нови синтетични молекулни сита (мембрани);
* Нови възможности за комбиниране на наноразмерни реактори и наносмесване;
* Нови ефективни наноструктурирани материали за сорбция и съхранение на водород и природен газ със значителен поглъщаем капацитет, малък обем и маса;
* Механично здрави конструкционни материали на основата на използване на наносвързващи материали;
* Покрития с по-висока термична устойчивост, получавана чрез НТ;
* Повишаване на ефективността на технологичните процеси чрез приложение на "бързо действащи" и "умни" сензори за тяхното управление и оптимизация;
* Получаване на възстановими обратими батерии с високи експлоатационни качества на базата на наноразмерни катоди и аноди;
* Нови енергийни конвертори, които използват наноразмерни материали с високо събиране и акумулиране на светлинната енергия и висока ефективност;
* Получаване на високоякостни полимерни нановлакна и тръби на тяхна основа.

4. Нанопроцеси и наноматериали в опазване на околната среда

НТ имат огромен потенциал за въздействие на генерирането и решаването на важни проблеми на околната среда чрез оценката и контрола на различни емисии от множество източници на замърсители. Освен това те са свързани и със създаването на нови така наречени "зелени" технологии, с които силно се редуцират отделяните отпадъци, възстановяват се замърсените водни източници и се постига очистване на неорганизираните депа за отпадъци. В природните системи, където протичат и се изучават интердисциплинарни процеси на молекулно наноразмерно ниво, от съществено значение е оценката на последствията от образуването и пренасянето на замърсителите в околната среда. Необходимо е провеждане на изследвания в стиковите области между неорганичните и органичните структури с акцент на характерните процеси, протичащи в наноразмерни условия. Наноматериалите от своя страна са потенциален причинител и източник на професионален и здравен риск както от съществуващите източници като например дизеловите двигатели, така и от новите технологии и системи, използвани при производството на наноразмерни материали. Тези нови технологии често сами са източник на опасности за околната среда и този проблем изисква специално проучване и оценка на риска.

4.1. Научно-технически прогрес
Наноразмерните материали се срещат в атмосферата, водите и световния океан, а също така и в биологичните системи. Наноразмерни аерозолни частици непрекъснато се изпускат в атмосферата при провеждането на редица химични процеси, а също така при добива и обработването на някои минерални природни суровини. Рискът от такива наноразмерни частици за човешкото здраве не е напълно изучен и оценен. В дадени случаи, като например при отделяне на силициев диоксид и азбестови влакна, потенциалният риск за здравето и опасностите от заболявания са напълно установени и нормативно е регулирано в различните страни тяхното предотвратяване. В други случаи той или не е изучен, или се счита, че е по-малък от понастоящем установения здравен риск. В последните години трудностите по оценка на влиянието на НЧ върху биологичните системи бяха решени с разработването и въвеждането на инструментални методи и апаратура за мониторинг на присъствието на фини частици в атмосферата и оценка на тяхното въздействие на околната среда. Създадените сензори и уникални апарати позволяват точно да се определя въздействието на НЧ върху околната среда, здравето на хората и другите живи организми. В някои от апаратите се създава възможност за нарастване на най-фините по размери частици до по-големи откриваеми размери чрез кондензация на пари върху тях. Тези апарати са наречени "кондензационен брояч на частици". Такива апарати са в състояние да откриват частици в атмосферния въздух с размери до 3 nm. Други нови апарати позволяват да се получава информация за природата на НЧ. Това са така наречените апарати за диференциален мобилен анализ. В тях наноразмерните частици се натоварват с положителен или отрицателен заряд, придвижват се в несъдържащ частици газов поток под въздействието на приложено електрично поле и се утаяват като монодисперсен аерозол. В последните години апаратите продължават да се усъвършенстват и времето за извършване на посочените анализи е съкратено от около 10 min до части от минутата. Освен това поради нарастващия интерес и развитие на нанотехнологиите възможностите и чувствителността на тези апарати бяха разширени до откриване и определяне на наноразмерни частици с диаметър 1 nm и още помалък [2,10]. Комплексът от химични и физични процеси с наноразмерни структури е базов за феномените, които водят до освобождаване, подвижност, секвестиране и участие в биологично усвояване на различните видове замърсители и хранителни вещества в природната среда. Процесите, протичащи в стиковите области между природните физични и биологични системи, имат пряко отношение към здравето на живите организми и човека и биокомплексните резултати за тях. Разширяването на познанието за нанопроцесите и тяхната динамика и специфичниособености, както и за наноструктурите в природните екосистеми, ще води и до по-пълно разбиране и осмисляне на транспортните процеси и тези на усвояване на различните вещества от биосистемите. Освен това то ще води до по-нататъшно развитие на НТ, с които ще може да се предпазва околната среда от увреждане и силно редуцират опасностите и риска за протичане на нежелателни необратими процеси, водещи до изчезване на растителни и животински видове и заплашващисамото съществуване на човека. Редица НТ вече се прилагат за решаване на екологичните проблеми и опазване на околната среда. По конкретно те се прилагат за: ликвидиране и обезвреждане на редица отпадъци; редуциране на отделните отпадъци и подобряване на енергийната ефективност; конверсия на енергията; получаване на ефективни композитни структури и материали с приложение при опазване на околната среда и др. Наноструктурните материали имат все по-голяма роля при обезвреждане, преработване и оползотворяване на различни отпадъци, генерирани в промишлената дейност. Например наноразмерни частици от титанов диоксид се прилагат за очистване чрез окисление на различни органични замърсители. Наноматериали се прилагат за улавяне и очистване на тежки метали в отпадъчни води и ликвидиране на стари замърсявания в промишлени и други площадки. В други случаи илюминирани наночастици се прилагат за окисляване на замърсители в разтвор или в аерозоли. Най-новите изследвания доказват, че наночастици от TiO2, облъчени с ултравиолетова светлина, могат да се прилагат за очистване на редица опасни атмосферни замърсители като органични съединения, вируси, клетки и др. НРМ с подходящи повърхностни свойства могат да се използват за отделяне или свързване на тежки метали от замърсени с тях повърхности. След около десетгодишни изследвания по разработване и приложение на мезопорестия материал МСМ-41 с размер на порите в границите от 10 до 100 nm, той вече намира реализация за очистване и ликвидиране на отпадъци от тежки метали в ядрените електроцентрали. Приложението на този НМ позволява не само да се отделят специфични тежки метали от генерираните отпадъци, но и да се намалят значително разходите при използване на този нов метод. Наноструктурираните системи откриват потенциална възможност за създаване и приложение на възстановими енергийни устройства с много по-малко генериране и отделяне на отпадъци. Това се постига чрез разработване и внедряване на батерии или клетки с наноразмерни или мезоразмерни електроди за съхраняване на енергия за транспортните средства. При тяхното използване се постига огромно редуциране на отрицателното въздействие на емисиите от транспорта на околната среда. Използването на традиционните горива за транспортните средства или на тяхната енергия, индиректно трансформирана като електрическа, е причина за много голямо увреждане и недопустимо въздействие на природната среда [2,3,10]. Приложението на нови композитни материали за опазване на околната среда е свързано с възможността за вкарване на наноразмерни добавки в композитите. Това открива пътища за получаване на материали с подобри свойства и специфично приложение като филтриращи системи и средства. Новите материали имат поголяма устойчивост в околната среда, по-ниска цена и общи разходи при тяхното приложение и силно намалено въздействие на природната среда. Те имат по-малка маса, по-малки структури и по-малки енергийни разходи при тяхното експлоатиране. Вграждането на НМ в композитите може да обхване от използването на оксиди или нитриди в стоманите до създаването на напълно завършени хетерогенни нови композитни материали. Интерес представлява разработването на феромагнитни нанопрахове, които са хидрофобни, по-силно адсорбират нефт и нефтени продукти и могат ефективно да се използват при пречистване на петролни и нефтени разливи от аварирали танкери в моретата и океаните.
4.2. Адсорбция на тежки метали с йерархично самоподредени наноструктури
Този тип наноматериали представляват мезопорести нанокомпозити, състоящи се от силикатен скелет - структура с цилиндрични пори, което прави материала шуплест с голяма специфична повърхност и нанометрични размери (диаметър) на порите (напр. 900 m2 g-1 и 5060 nm). Тези пори функционират като шаблони за присъединяване на молекули със специфични размери и свойства, при което се образуват плътни монослоеве върху повърхността на стените на порите. Молекулите са здраво свързани в единия си край към керамичния (силикатен) носител, а другият край остава свободен с възможност да реагира и се свързва с други желани химични съединения. Тези нанокомпозити се отнасят към така наречените самоподредени монослоеве върху мезопорестия носител (SAMS) и са много ефективни при адсорбирането на тежки метални йони от отпадъчни потоци. Също така се очаква тези НМ да намерят и много други приложения, както например при акумулирането и съхраняването на енергия, при различни процеси на разделяне на химични хомогенни системи, в катализа и в различни технологии, използвани за възстановяване на нанесени щети на природната среда.
4.3. Фотокаталитично пречистване на флуиди
Наноструктурираните материали намират приложение и за фотокаталитично пречистване на различни флуиди. Те могат да се използват както за пречистване на съществуващи отпадъци, така и за предотвратяване образуването на замърсени с опасни компоненти отпадъчни флуиди. В този случай НЧ играят ролята на катализатор при фотохимичния процес на окисляване и разлагане на органични замърсители в отпадъчни флуидни потоци (течни и газови). Така например наноструктурираният титанов диоксид може да се използва като фотокатализатор за очистване от замърсители на различни флуиди. С помощта на този катализатор могат не само фотохимично да се окисляват органични съединения, но и биологични замърсители. Тези възможности продължават да се изследват за нови видове органични съединения и биологични примеси. Непрекъснато се потвърждава целесъобразното използване на тези НМ като катализатор при фотокаталитичното пречистване на различни флуиди. Наноструктурираният материал се подава и включва в замърсения флуиден поток, където той реагира при облъчване на потока със светлина със замърсителя и се постига очистване на флуида. Два нови НМ бяха разработени в последните години за приложение при пречистването на флуиди. Единият се основава на получаването на неорганични фулерени от молибден и сяра, а вторият представлява едностенни нанотръбички. Както беше отбелязано по-рано, въглеродните нанотръбни материали могат да се използват не само като акумулатори за съхранение на водородно гориво, но и за пречистване на отпадъчни газови потоци от замърсители. Тяхното приложение непрекъснато се разширява за пречистване на различни видове замърсители, в това число и от тежки метали [2,10]. Неорганичните фулерени са с правилна структура, която има само относително инертни Ван дер Ваалсови повърхности с оптични канали. Това позволява те да се използват ефективно при фотоокислението на замърсителите в отпадъчните флуидни потоци. И двата НМ - неорганичните фулерени и ВНТ, представляват нови наноструктури, които притежават специфични химични отнасяния към различни замърсители и позволяват тяхното
разграждане и отделяне от третираните флуиди.

5. Използване на нанотехнологиите в пречистването на въздуха

В допълнение към азотни оксиди и серни оксиди, много летливи органични съединения (ЛОС) във въздуха допринасят за смога и високите нива на озон, както и за потенциална вреда за човешкото здраве. Закони за чист въздух продължават да станат по-строги. Повечето модерни системи за пречистване на въздуха се основават на фотокатализатори, адсорбенти като активен въглен или. Тези методи не са много ефективни при стайна температура. Японски изследователи са разработили нов метод, основаващ се на нанотехнологиите, който много ефективно премахва летливи органични съединения (ЛОС), както и азотни и серни оксиди от въздуха при стайна температура. Angewandte Chemie в списание ( "Порест манганов оксид, заедно със златни наночастици, премахва летливи органични съединения от въздуха и ги руши" ) докладват, че тяхната система включва силно порьозния манганов оксид със златни наночастици, отглеждани в него.За да се докаже ефективността на техния нов катализатор, изследователският екип начело с Анил К. Синха Toyota Central R & D Labs, са извършили тестове с ацеталдехид, толуол и хексан. Тези три основни компонента на органичното замърсяване на въздуха играе роля на закрито, както и вън. Всички три от тези замърсители са много ефективни за отстраняване от въздуха и при влошени условия. С катализатор е значително по-добре в сравнение с конвенционалните системи без катализатор.Една от тайните на успеха на този нов материал е изключително голямата вътрешна повърхност на порестия манганов оксид, който е с по-голяма площ от всички предварително известни манганови съединения. Тази голяма площ предполага на голяма адсорбция на летливите молекули. Освен това, адсорбираните замърсители са много ефективно разбити. Ясно е, че е необходим много кислород за окислителните процеси в рамките на решетката на мангановия оксид. Разграждането на повърхността е много ефективено, защото свободните радикали присъстват там. Предполага се, че кислорода от въздуха се разпада върху златна повърхност, за да замени консумираните кислородни атоми в структурата на решетката.Този процес работи само, ако материалът се произвежда по много специфичен начин: златото трябва да се депозира върху манганов оксид чрез лазерна аблация на вакуум-UV. В тази техника, златна повърхност се облъчва със специален лазер, при който златни частици се подлагат на изпаряване. Тези златни частици имат необичайно висока енергия, която им позволява да навлязат сравнително дълбоко в повърхността на мангановия оксид. Този процес е единственият начин да се предизвикат достатъчно силни взаимодействия между малки количества от злато и манганов оксид.

6. Използване на нанотехнологиите в климатик
Учени и инженери са работили неуморно, за да разработят нови и вълнуващи технологии, които имат способността да се подобрят значително качеството на живот в световен мащаб. Едни от тези технологии са именно нанотехнологиите.
Нанотехнологии и потребителските продукти

Производителите на няколко потребителски продукта вече започват да развиват и да се усещат огромни ползи от нанотехнологиите за разработване на потребителски продукти за подобряване на ефективността, по-добра производителност и намаляване на отрицателното въздействие върху околната среда.
Предимства като тези са мотивиращи все повече и повече производители да инвестират средства в областта на изследванията и развитието на приложения за своите продукти с помощта на нанотехнологиите.
Стари и много нови компании като BetaBatt, Inc , Oxane материали и т.н., вече са започнали да използват "наноматериали", за да се развиват, както и да подобряват съществуващите процеси.

Нанотехнологии в климатик

NanoAir . Този революционен метод за обработка на въздуха използва нанотехнологии, за да се елиминира необходимостта от използване на общи хладилни агенти като CFC / HCFC, които обикновено се използват от ОВК - отопление, вентилация, климатизация и хладилни индустрии.
Тъй като NanoAir се основава на овладяване на енергията с помощта на наночастици, той не се нуждае от охлаждане / агенти като флуоровъглероди, като по този начин намаляването на въглеродния диоксид е с повече от 50%. Освен това, токсични емисии на CO2 са намалени до 57%. Потребителите ще могат да спестяват повече, да получат повече удобство, да дишат по-свеж въздух, по-чист въздух отвън и отвътре, и като цяло да се радват на по-добро качество на живот.
Механизъм NanoAir се основава на отделни контролни нива за влага (влажност) и температурата.



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Нанотехнологии. Използване на нанотехнологиите в пречистването на въздуха. 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.