Nanoremediációs technológiák

Átírás

1 Nanoremediációs technológiák T E R V E Z É S I F E L A D A T 2. B E V E Z E T Ő E L Ő A D Á S T É M A V E Z E T Ő K : D R. M O L N Á R M Ó N I K A É S N A G Y Z S U Z S A N N A

2 Mi is az a nanoremediáció? 2 egy szennyezett terület emberre és/vagy ökoszisztémára gyakorolt káros hatásának minimalizálása Egy terület vagy ökoszisztéma (pl. felszíni víz, üledék) eredeti állapotába történő visszaállítása nanoanyagokat felhasználó technológiával [1]

3 Nanorészecske vs. nanoanyag 3 Nanorészecskék: Olyan különálló részecskék, melyek kiterjedése legalább egy irányba kisebb, mint 100 nm Nanoanyagok: A nanorészecskék és a nanoszerkezetű anyagok összefoglaló elnevezése

4 Mekkora a nanométer? Nanoméret jellemzői 1. 4 A milliméter egymilliomod része a méter egymilliárdod része (vagyis 10-9 szorzó) Nanoanyagok = atomok 10-szeres nagyságrendjébe eső anyagok (1 nanométer = 10 ångström) [2,3]

5 Nanoméret jellemzői 2. Nagy felület/térfogat aránnyal rendelkeznek A nanométeres tartományban az anyag fizikai tulajdonságai eltérnek a tömbi fázisú anyagétól Nanokristályoknak kisebb az olvadáspontja Megszűnhet a ferromágneses és a ferroelektromos tulajdonság Kialakulhat katalitikus hatás pl. arany, ami nanokristályos alakban katalitikusan aktív 5

6 Történelmi áttekintés Nanotechnológia születési dátuma: 1981 Pásztázó alagút mikroszkóp kifejleszése között (Scanning Tunneling Microscope, STM) Gerd Binning és Heinrich Rohrer nevéhez fűződik 6 Nobel díj 1986-ban Kép forrása: [2,3]

7 Különböző, a remediációs technológiákban alkalmazott nanoanyagok 7 Nanoméretű zeolitok Nanoméretű fémoxidok Szén-alapú nanoanyagok (szén nanoszálas anyagok, szén nanocsövek, dendrimerek) Enzimek Nemesfémek (főleg bimetál nanorészecskék formájában) [4]

8 Nanorészecskéket alkalmazó remediációs technológiák csoportosítása 8 Kezelés típusa In situ Ex situ Adszorpciós A szennyezőanyaggal kötéseket kialakító közeg pl. vasoxidok hozzáadása A szennyezett közeg kivonása, majd adszorbensekkel kezelése, pl. nanoszűrés Reakciós Nanoanyagok reakciója a szennyezett közeggel, pl. nzvi A szennyezett közeg kivonása, majd reaktánsokkal kezelése, pl. TiO 2 -os foto-oxidáció [6]

9 In situ nanoremediáció előnyei 9 Gyorsabb Nagyobb fajlagos felület Kisebb részecskeméret Költséghatékonyabb Reaktívabb [4]

10 Adott környezeti elemben lévő szennyezések kezelésére szolgáló remediációs technológiák Levegőszennyezés Nano katalizátorok Szén nanocsövek Vízszennyezés Nanoszálak Nanofilm/háló Ioncserélő gyanta Szén nanocsövek Szennyezett talaj Résfalak Szén nanocsövek Emulziók Dendrimerek 10 [5]

11 Nulla vegyértékű nanovas (nanoscale zero-valent iron, NZVI) bemutatása 1. Az NZVI-nak erős az oxidációs hajlama és oxidáció közben a reakciópartnert redukálja Nagyfokú reaktivitásának köszönhetően, kizárólag sűrű szuszpenzió formájában kerül beinjektálásra NZVI kevésbé mobil, néhány méterre terjed csak el a beinjektálás helyszínétől a részecskék aggregálódása miatt. A csoportosult szemcséket, amik néhány mikrométeresek is lehetnek, könnyű eltávolítani a vízből 11 [6]

12 NZVI bemutatása 2. NZVI-es eljárást alkalmazó talajvíz és talaj remediálása során történő alkalmazásnak két fajtája jellemző: Reaktív résfalat alkotnak a beinjektált vas szemcsék A vas részecskék polielektrolitos, felületaktív anyagos vagy cellulózos/poliszacharidos bevonattal módosított formában kerülnek beinjektálásra, majd kialakítanak egy reaktív NZVIcsóvát, ami a vizes fázisban található szerves szennyezőanyagokat megsemmisíti. 12

13 NZVI alkalmazása Számos tanulmányban beszámoltak jó szennyezőanyag-eltávolítási hatékonyságáról, például: 13 Klórozott oldószerek (klórmetán, brómmetán, klórozott éterek, poliklórozott szénhidrogének) talajvízből való eltávolítása Peszticidek és festékek Policiklikus aromás szénhidrogének talajból szobahőmérsékleten történő eltávolítása Míg adott körülmények között a poliklórozott bifenilek csak 38%-át távolította el. [6]

14 Magyarországi esettanulmány NZVI-vel Törökszentmiklós Vegytek, illetve Rewos vállalatok vegyianyag-raktára helyén 14 Különféle szennyezőanyagok (alifás klórozótt CH-ek, aromás CH-ek) kerültek a talajba, talajvízbe Szennyezett talajvíztest térfogata kb m 3 Videó: technika/nanovas-felhasznalasa-auro-science- 0sSdFrFRGd3HGFO5

15 Emulgeált nulla vegyértékű nanovas (Nanoscale emulsified zero valent iron, EZVI) bemutatása NASA által fejlesztett technológia Ez az eljárás nagy fajsúlyú, nem vízfázisú folyadékok (dense, non-aqueous phase liquids) szennyezések in situ kezelésére alkalmas Az EZVI felületaktív anyag által stabilizált, biodegradálható emulzió. Az olaj-víz membrán határfelülettel rendelkező emulziós cseppekben nulla vegyértékű vasrészecskék találhatók Előnyei: közvetlenül a szennyező forrásnál hat, nem mobilizálja a szennyezőanyagot, kisebb a kezelési idő, kisebb a kezelési költség, kevésbé toxikus és könnyebben biodegradálódó melléktermékeket eredményez [9]

16 Emulziós cseppek felépítése: Nulla vegyértékű vas (nanovagy mikroméretű) Felületaktív anyag Biodegradálható növényi olaj Víz EZVI bemutatása [9, 10]

17 Területek Festék gyártók Vegyszer gyártók Gyógyszer gyártók Ragasztó gyártók EZVI alkalmazása Szennyezőanyagok (halogénezett oldószerek) Triklóretilén Perklóretilén Etilén-dibromid Triklóretán Széntetraklorid 17 [10]

18 SAMMS (Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports) Adott célnak megfelelően közepes pórusméretű hordozóra egy molekularéteget viszünk fel Mind a hordozóhoz, mind a molekularéteghez tudunk molekulákat kötni, amivel specifikálhatjuk a SAMMS-et Különböző funkciós csoportok köthetők molekularéteg külső részére: 18 [7, 8]

19 Különböző SAMMS-fajták és alkalmazásuk Nagy affinitás 19 Kicsi affinitás Thiol-SAMMS Hg, Ag, Au, Cu, Cd, Pb 1A csoport: (H, Li, K, Na, Rb, Cs, Fr) 1B csoport (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) Zn, Al Chelate-SAMMS Cu, Co, Ni, Zn, stb. 1A és 1B csoport kationjai (H + -t kivéve) Anion-SAMMS kromát, arzén, stb SO 4 2-, Cl -, NO 3-, stb. HOPO-SAMMS Am, Np, Pu, Th, U 1A és 1B csoport, fém kationok [7]

20 PAMAM (poliamidoamin) dendrimer A dendrimerek elágazó szerkezetű molekulák, amelyek egy központi magból indulnak ki. A dendrimerek és a dendritikus polimerek kulcsfontosságú pozíciókat töltenek be az új technológiai alkalmazások között. A makromolekulák egy egyszerű magból épülnek fel, erre rakódhat újabb és újabb generáció (G). 20 Videó: Etilén-diamin (EDA) magra épülő 5 generáció [11]

21 PAMAM bemutatása 2. A dendrimerek nagyon hasonítanak egymásra: Hasonló molekulatömeg jellemző rájuk Specifikus méret és alak jellemzi őket Erősen funkcionalizált felszínnel rendelkeznek Ismétlődő lépések sorából áll a gyártási eljárás Minden újabb növesztési lépés a polimer egy újabb generációját adja, ami a molekula átmérőjét növeli 21 [11]

22 PAMAM bemutatása A táblázat a generációk hozzáadása révén bekövetkező tulajdonságbeli változásokat mutatja be Generáció Molekulatömeg (g/mol) Átmérő (Å) Számolt, elméleti adatok!!! Felszíni csoport [11]

23 PAMAM alkalmazás 23 Gyógyszer szállító komplex Környezetvédelemben fémek eltávolítása [11]

24 A ciklodextrinek Keményítőből enzimatikus úton előállított ciklikus oligoszacharidok (α, ß, γ) Méretük kb. 1 nm. Alfa-, béta és gamma- ciklodextrin szerkezete és molekuláris méretei (Szejtli, 1990) A gyűrű alakú molekula külső felületén találhatók a hidroxilcsoportok. Ezáltal a molekula kifelé hidrofil sajátságot mutat, aminek köszönhetően vízben jól oldódik. A belső üreg felszíne hidrogénatomokból és glikozidos oxigénhidakból áll, így ez a felület gyengén apoláros, ezért a molekula belső üregében hidrofób tulajdonságú molekulák abszorbeálására képes.

25 Ciklodextrinek zárványkomplex-képzés + Zárványkomplex Gazdamolekula Vendégmolekula A zárványkomplex-képzés sematikus szemléltetése: a ciklodextrin hidrofób üregében elhelyezkedő vízmolekulákat kiszorítja a hidrofób vendégmolekula Vizes közegben a ciklodextrin belsejében víz molekulák vannak, melyek, szívesen helyet cserélnek hozzájuk képest hidrofób tulajdonságú vendégmolekulákkal. Így energetikailag kedvezőbb állapot jön létre, mind a gazda-, mind a vendégmolekula számára.

26 Ciklodextrinek - alkalmazás Gyógyszeripar: az oldékonyság és a felszívódás fokozására, a kellemetlen ízek lefedésére Kozmetikaipar: a stabilizálásban, az illékonyság csökkentésében, a szabályozott (egyenletes) és hosszantartó aroma-, és illatanyag-leadás Mezőgazdaság: ciklodextrinnel (CD) komplexált vegyületek -herbicidek, inszekticidek, fungicidek, feromonok, rovarriasztók, növekedésszabályozók. Oldékonyság fokozása a CD szerepe. Élelmiszeripar: az illékony íz-, illat-, szín- és aromaanyagok védelme, és megfelelő továbbítása a cél.

27 Környezetvédelem Szennyvíztisztítás Levegőtisztítás: nukleáris erőművek által kibocsátott jód megkötése A ciklodextrinek képesek a talajon adszorbeálódott szennyezőanyagok deszorpciájának elősegítésére. PAH-ok, PCP és DDT extrakciója talajból. Ciklodextrinek felhasználása talaj- és talajvízkezelésben: talajmosási technikákban extrakciós eljárásokban A bioremediáció gyakori korlátozó tényezője a szennyezőanyag korlátozott biológiai hozzáférhetősége. A hozzáférhetőség növelésének egyik módja: ciklodextrinek alkalmazása. Alkalmazás bioremediáció intenzifikálása, hatékonyságának növelése.

28 Humán egészségügyi kockázat 28 Bőrön át Expozíciós útvonal Belélegezve Lenyelve Kitettség Koncentráció Stb. Időtartam Inherent toxikusság Akut Krónikus Toxikus hatás Vízoldhatóság Hozzáférhetőség Keverékként való viselkedése [1]

29 Felhasznált irodalom Stephen R. Clough, Nanoremediation: Potencial Human and Environmental Risks 2. ano-tanoda_-_erdekessegek_a_nanoanyagok_korebol 3. oszkop.html 4. Karn B., Kuiken T., Otto M. (2010) Nanotechnology and In Situ Remediation: Benefits and Potential Risks 5. Bhawana P., Fulekar M.H.(2012): Nanotechnology: Remediation Technologies to clean up the Environmental Pollutants, Research Journal of Chemical Sciences, Vol.2(2), p

30 Felhasznált irodalom Mueller N.C., Nowack B. (2010) Nanoparticles for Remediation: Solving Big Problems with Little Particles, Elements, Vol. 6, p SAMMS Technical Summary (revised Feb. 2009), Pacific Northwest National Laboratory Quinn J. (2005) Field demonstration of DNAPL Dehalogenation Using Emulsified Zero-Valent Iron, Environ. Sci. Techn., Vol. 39, p EZVI.htm 11.