KÖRNYEZETI KOCKÁZATMENEDZSMENT 2016.

Átírás

1 KÖRNYEZETI KOCKÁZATMENEDZSMENT Nanoanyagok, nanotechnológiák Molnár Mónika, Feigl Viktória Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

2 NANOTECHNOLÓGIA - definíciók olyan tervezési és építkezési elvek és módszerek összessége, amelyekre az atomi szinten történő építkezés a jellemző olyan eljárások, amelyek segítségével jellemzően nanométeres méretű objektumokat vagyunk képesek létrehozni Page 2

3 NANOTECHNOLÓGIA - történelem Alagútmikroszkóp felfedezése Ez képes az atomi méretű részletek (a nanométer tizedrésze) felbontására is. Segítségével először "pillantott meg" az ember atomokat, és megvizsgálhatta egy szabályos atomi elrendeződésben (kristályban) egyetlen atom hiánya által előidézett változásokat! Binning és Rohrer 1986-ban Nobel-díj Az alagútmikroszkóp szondája - egy hegyes tű, amely szerencsés esetben egyetlen atomban végződik Page 3 agutmikroszkop.html

4 NANOANYAGOK - Jellemzők Elemek: Félvezetők: kadmium, tellúr, szilícium Vezetők: arany, ezüst, vas Nem fémek: szén (nanocsövek, fullerén, ipari korom) Vegyületek: Szervetlen: fém-oxidok (szilícium-dioxid (SiO 2 ), titán-dioxid (TiO 2 ), alumínium-oxid (Al 2 O 3 ), vas-oxid (Fe 2 O 3 ) vagy (Fe 3 O 4 ), cink-oxid (ZnO) Szerves: polytetrafluoroetilén (PTFE), korom Biológiai struktúrák Liposzómák, micellák. (Forrás: Dr. Pándics Tamás (2008) A nanoanyagok környezetegészségügyi hatásainak elemzése. Egészségtudomány. LII. 3.szám) Page 4

5 NANOANYAGOK - felhasználás (Forrás: Dr. Pándics Tamás (2008) A nanoanyagok környezetegészségügyi hatásainak elemzése. Egészségtudomány. LII. 3.szám) Page 5

6 NANOTECHNOLÓGIA, nanoanyagok - jellemzők 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 Biológiai aktivitás, toxicitás is változik Page 6

7 NANOANYAGOK - HATÁSOK (Forrás: Dr. Pándics Tamás (2008) A nanoanyagok környezetegészségügyi hatásainak elemzése. Egészségtudomány. LII. 3.szám) Page 7

8 NANOANYAGOK A REMEDIÁCIÓBAN

9 NANOTECHNOLÓGIA - NANOREMEDIÁCIÓ Nanoanyagok, nanorészecskék felhasználása kockázatcsökkentési céllal Nanorészecskék: Olyan különálló részecskék, melyek kiterjedése legalább egy irányba kisebb, mint 100 nm Nanoméretű zeolitok Nanoméretű fémoxidok Szén-alapú nanoanyagok (szén nanoszálas anyagok, szén nanocsövek, dendrimerek) Ciklodextrinek Enzimek Nemesfémek (főleg bimetál nanorészecskék formájában) Vízkezelés, talaj és talajvíz remediáció, levegőszennyezés kezelése Page 9

10 IN SITU NANOREMEDIÁCIÓ ELŐNYEI Page 10 Forrás:

11 NANORÉSZECSKÉKET ALKALMAZÓ REMEDIÁCIÓS TECHNOLÓGIÁK CSOPORTOSÍTÁSA Page 11

12 REMEDIÁCIÓS NANOTECHNOLÓGIÁK ALKALMAZÁSA A VILÁGBAN Nanotechnológia leltár : termékek, felmérések, remediáció Nanoremediációs technológiák kivitelezése a világban Kevés országban összpontosul Területek: olajmezők, ipari területek, katonai területek nzvi (Európa csak ez) nzvi, EZVI, BNP, nanoperoxide Page 12

13 Nulla vegyértékű nanovas (nanoscale zerovalentiron, NZVI) alkalmazása 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. Page 13

14 Nulla vegyértékű nanovas (nanoscale zerovalentiron, NZVI) alkalmazása 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 NZVI-csóvát, ami a vizes fázisban található szerves szennyezőanyagokat megsemmisíti. Page 14 Klórozott oldószerek (klórmetán, brómmetán, klórozott éterek, poliklórozott szénhidrogének) talajvízből való eltávolítása Peszticidek és festékek, policiklikus aromás szénhidrogének

15 Emulgeált nulla vegyértékű nanovas (Nanoscale emulsified zero valent iron, EZVI) alkalmazása 2. Emulziós cseppek felépítése: Nulla vegyértékű vas (nanovagy mikroméretű) Felületaktív anyag Biodegradálható növényi olaj Víz Page 15

16 Emulgeált nulla vegyértékű nanovas (Nanoscale emulsified zero valent iron, EZVI) alkalmazása 2. Területek: festék gyártók, vegyszer gyártók, gyógyszer gyártók, ragasztó gyártók Szennyezőanyagok (halogénezett oldószerek) Triklóretilén Perklóretilén Etilén-dibromid Triklóretán Széntetraklorid Page 16 EPA Nanotechnology: applications for environmental remediation application.

17 SAMMS (Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports) Adott célnak megfelelően közepes pórusméretű hordozóra egy molekula-réteget viszünk fel Mind a hordozóhoz, mind a molekularéteghez tudunk molekulákat kötni, amivel specifikálhatjuk a SAMMS-et Különböző funkciós csoportok köthetők molekularéteg külső részére. Page 17

18 SAMMS (Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports) A funkciós csoportot tartalmazó felületaktív anyagok egy réteget alkotnak a hordozón. A kialakult struktúra nagy felületű, 989 m 2 /g, amely nagy funkciós csoport-sűrűséget eredményez. Különböző funkciós csoportok nagy szelektivitással képesek adszorbeálni a szennyezőanyagokat Page 18

19 Page 19 Különböző SAMMS-fajták és alkalmazásuk

20 PAMAM (poliamidoamin) dendrimer Innovatív: a dendrimerek és a dendritikus polimerek kulcsfontosságú pozíciókat töltenek be az új technológiai alkalmazások között. Elágazó 3D szerkezetű molekulák - központi mag A makromolekulák egy egyszerű magból épülnek fel, erre rakódhat újabb és újabb generáció (G). Elágazó blokk polimerekből állnak - egy centrumból sugárirányban nőnek ki. Egyedi tulajdonságaik az egységes méret, belső üregek kialakulása, vízben oldódnak, jól definiált molekulatömegük van. Page 20 Dendritech PAMAM Dendrimers.

21 PAMAM (poliamidoamin) dendrimer Részeik, felépítésük: - a mag, a reaktív központ, melyhez molekulák tudnak kapcsolódni, - az elágazások (dendronok), amelyek reaktív terminális csoporttal rendelkeznek, ezekhez további molekulák kapcsolódnak, - a terminális csoportok: amin-, hidroxil- vagy karboxil-csoportok. A dendrimerek képesek magukba zárni más molekulákat, ezáltal segítik azok vízben oldódását. Fémekkel kelátot képeznek. Etilén-diamin magra épülő 5 generáció Page 21

22 PAMAM (poliamidoamin) dendrimer A dendrimerek nagyon hasonlítanak 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 Page 22

23 PAMAM (poliamidoamin) dendrimer A táblázat a generációk hozzáadása révén bekövetkező tulajdonságbeli változásokat mutatja be Page 23 Gyógyszer szállító komplex Környezetvédelemben fémek eltávolítása (Cu 2+, Cr 3+, Pb 2+, Ni 2+, Zn 2+ )

24 Ciklodextrinek - szerkezet Alfa-, béta és gamma- ciklodextrin szerkezete és molekuláris méretei (Szejtli, 1990) A ciklodextrinek funkcionális szerkezeti sémája (Szejtli, 1990) A külső felületen - hidroxil-csoportok kifelé hidrofil sajátságot mutat vízben jól oldódik A belső üreg felszíne hidrogénatomokból és glikozidos oxigénhidakból áll gyengén apoláros hidrofób tulajdonságú molekulák abszorbeálására képes. Page 24

25 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. Page 25

26 Ciklodextrinek alkalmazás Környezetvédelem Szennyvíztisztítás opah, PCB, fenolok, tenzidek megkötése oaz eleven iszap védelme omikro-szennyezőanyagok eltávolítása Levegőtisztítás ooldószergőzök megkötése ojódgőz megkötése ocigaretta füstszűrés Ciklodextrinek felhasználása talaj- és talajvízkezelésben o a talajon adszorbeálódott szennyezőanyagok deszorpciájának elősegítése o talajmosási technikákban o extrakciós eljárásokban o bioremediáció intenzifikálása Page 26

27 Page 27

28 Page 28

29 Felhasznált irodalom [1] TOXNET (Toxicology Data Network), NLM US, National Library of Medicine [2] 10/2000. (VI.2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet, a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről [3] [4] [5] MOKKA (Modern Mérnöki Eszköztár Kockázat Alapú Környezetmenedzsmenthez) [6] FRTR (Federal Remediation Technologies Roundtable) [7] Liu R. and Lal R. (2012) Nanoenhanced Materials for Reclamation of Mine Lands and Other Degraded Soils: A Review, Journal of Nanotechnology, Volume 2012, Article ID , 18 pages [7] [8] [9] Xu Y. (2006) Removal of Copper(II) and Lead(II) from Soils by Poly(amidoamine) Dendrimers and Reductive Immobilization of Chromium(VI) by Stabilized Zero-Valent Iron Nanoparticles [10] Page 29

30 KIEGÉSZÍTÉSEK

31 BIOTENZIDEK és speciális alkalmazásaik

32 Hozzáférhetőség növelése A bioremediáció gyakori korlátozó tényezője a szennyezőanyag korlátozott biológiai hozzáférhetősége. Hőmérséklet emelése Tenzidek Biotenzidek Ciklodextrinek Page 32

33 Biotenzidek A biotenzidek csökkentik az olajcseppek felületi feszültségét mikrocseppek jönnek létre, amiket egy biotenzid réteg vesz körül. Page 33

34 RHAMNOLIPIDEK ALKALMAZÁSAI 34 Talajremediáció, szennyvízkezelés Olajipar Mezőgazdaság: antibiózis, paraziták ellen, peszticidekben, nedvesítőszerként Élelmiszeripar: emulziók előállítása Gyógyszeripar: antibakteriális, antifungális Kozmetikaipar: emulzifikáló Kamaljeet K. Sekhon Randhawa and Pattanathu K. S. M. Rahman (2014) Rhamnolipid biosurfactants past, present, and future scenario of global market. Page 34

35 35 RHAMNOLIPIDEK A TALAJREMEDIÁCIÓBAN Nehezen oldható, hidrofób anyagok hozzáférhetőségét növeli és biodegradációját elősegíti. Biofilm kialakulásában segít Nehézfém megkötés kelátképzéssel In situ talajmosás : talajvíz összegyűjtéssel vagy anélkül Természetes mikroflórával vagy inokulálással Hátrány: Drágább a biológiai előállítása Page 35

36 OLAJIPAR Az első és másodlagos technológiák (hagyományos kihozatali technológiák) a feltárt olajkészletek 5-35 %-a nyerhető ki Page 36 Forrás: Benkő Mária PhD. Dolgozat (2012) Tenzidek zárványkomplex képződésének vizsgálata folyadékfázisban és adszorpciójuk tanulmányozása szilárd/folyadék határfelületen

37 37 RHAMNOLIPIDEK ALKALMAZÁSAI MEOR - Microbial Enhanced Oil Recovery Eset: Beatrice Field, Anglia: 25%-os hozamnövekedés Page 37 Forrás:

38 ISCO

39 ISCO - BIOREMEDIÁCIÓ ISCO BIOREMEDIÁCIÓ In situ Technieken - REGENESIS Page 39

40 VIZSGA - témakörök

41 Környezeti kockázatmenedzsment eszköztára Környezeti kockázatfelmérés Kvalitatív és kvantitatív (célok és alkalmazások) Csoportosítás hatásviselők szerint A környezeti kockázatfelmérés lépcsői, metodikája (kvantitatív esetén) Környezettoxikológia Célja, integrált metodika, osztályozási lehetőségek Tesztorganizmusok (követelmények), végpontok, példák Környezeti kockázatcsökkentése Remediációs technológiák csoportosítása Szennyezőanyagok sorsa a talajban Page 41 VIZSGA témakörök 1.

42 Környezeti kockázatcsökkentése Immobilizáción, mobilizáción alapuló technológiák Fizikai, kémiai, termikus és biológiai folyamatokon alapuló talajremediáció Természetes folyamatokon alapuló biodegradáción alapuló technológiák, a mérnöki beavatkozás fokozatai (NA, MNA, ENA, bioremediáció ) Előkezelés, sztrippelés, termikus eljárások, ISCO, reaktív résfal, nanotechnológiák Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációs eljárásai Remediációs technológiák verifikációja A verifikáció elemei Page 42 VIZSGA témakörök 2.

43 Irodalom - KÖRINFO adatbázis, : E-tanfolyam Gyakorlati alkalmazás - Talaj és felszín alatti víz környezeti kockázatának csökkentése; - MOKKA adatbázis, : 457, 458 és az 519. számú adatlap