Nanoremediering - Nanoremediation
| Del av en serie artiklar om |
| Effekten av nanoteknik |
|---|
| Hälsa och säkerhet |
| Miljö |
| Andra ämnen |
| Del av en serie artiklar om |
| Nanoteknik |
|---|
| Effekt och tillämpningar |
| Nanomaterial |
| Molekylär självmontering |
| Nanoelektronik |
| Nanometrologi |
| Molekylär nanoteknik |
Nanoremediering är användningen av nanopartiklar för miljösanering . Det undersöks för att behandla grundvatten , avloppsvatten , jord , sediment eller andra förorenade miljömaterial. Nanoremediering är en framväxande industri; fram till 2009 hade nanoremedieringsteknik dokumenterats på minst 44 saneringsplatser runt om i världen, främst i USA. I Europa undersöks nanoremediering av det EU-finansierade NanoRem-projektet. En rapport som producerats av NanoRem-konsortiet har identifierat cirka 70 nanoremedieringsprojekt över hela världen i pilot- eller fullskala. Under nanoremediering måste ett nanopartikelmedel bringas i kontakt med målföroreningen under förhållanden som möjliggör en avgiftnings- eller immobiliseringsreaktion. Denna process involverar vanligtvis en pump-and-treat-process eller in situ- applikation.
Vissa nanoremedieringsmetoder, särskilt användningen av nano nollvärdigt järn för grundvattenrening, har använts på saneringsplatser i full skala. Andra metoder finns kvar i forskningsfaser.
Applikationer
Nanoremediering har använts mest för grundvattenrening, med ytterligare omfattande forskning inom rening av avloppsvatten . Nanoremediering har också testats för sanering av mark och sediment. Ännu mer preliminär forskning undersöker användningen av nanopartiklar för att avlägsna giftiga material från gaser .
Rengöring av grundvatten
För närvarande är grundvattenrensning den vanligaste kommersiella tillämpningen av nanoremedieringsteknik. Användning av nanomaterial , särskilt nollvalenta metaller (ZVM), för sanering av grundvatten är ett framväxande tillvägagångssätt som är lovande på grund av tillgängligheten och effektiviteten hos många nanomaterial för nedbrytning eller bindning av föroreningar.
Nanoteknik erbjuder potentialen att effektivt behandla föroreningar in situ , undvika utgrävning eller behovet av att pumpa förorenat vatten ur marken. Processen börjar med att nanopartiklar injiceras i en förorenad akvifer via en injektionsbrunn. Nanopartiklarna transporteras sedan med grundvattenflöde till föroreningskällan. Vid kontakt kan nanopartiklar binda föroreningar (via adsorption eller komplexbildning ), immobilisera dem, eller så kan de bryta ned föroreningarna till mindre skadliga föreningar. Föroreningstransformationer är vanligtvis redoxreaktioner . När nanopartikeln är oxidationsmedel eller reduktionsmedel anses den reaktiv.
Förmågan att injicera nanopartiklar till underytan och transportera dem till föroreningskällan är absolut nödvändig för framgångsrik behandling. Reaktiva nanopartiklar kan injiceras i en brunn där de sedan kommer att transporteras ned gradient till det förorenade området. Att borra och packa en brunn är ganska dyrt. Direkta tryckbrunnar kostar mindre än borrade brunnar och är det mest använda leveransverktyget för sanering med nanoiron. En nanopartikeluppslamning kan injiceras längs sondens vertikala intervall för att ge behandling till specifika vattenlevande regioner.
Ytvattenbehandling
Användningen av olika nanomaterial, inklusive kolnanorör och TiO 2 , visar löfte för behandling av ytvatten, inklusive för rening, desinfektion och avsaltning. Målföroreningar i ytvatten inkluderar tungmetaller, organiska föroreningar och patogener. I detta sammanhang kan nanopartiklar användas som sorbenter, som reaktiva medel (fotokatalysatorer eller redoxmedel) eller i membran som används för nanofiltrering .
Spåra detektering av föroreningar
Nanopartiklar kan hjälpa till att upptäcka spårnivåer av föroreningar i fältinställningar, vilket kan bidra till effektiv sanering. Instrument som kan fungera utanför ett laboratorium är ofta inte känsliga för att detektera spårföroreningar. Snabba, bärbara och kostnadseffektiva mätsystem för spårföroreningar i grundvatten och andra miljömedier skulle därmed förbättra detektering och sanering av föroreningar. En potentiell metod är att separera analyten från provet och koncentrera dem till en mindre volym, vilket underlättar detektering och mätning. När små mängder fasta sorbenter används för att absorbera koncentrationsmålet kallas denna metod som fastfas-mikroextraktion .
Med sin höga reaktivitet och stora ytarea kan nanopartiklar vara effektiva sorbenter för att koncentrera målföroreningar för fastfas-mikroextraktion, särskilt i form av självmonterade monolager på mesoporösa bärare. Den mesoporösa kiseldioxidstrukturen , framställd genom en sol-gel- process med ytaktivt ämne , ger dessa självmonterade monoskikt hög yta och en stel öppen porstruktur. Detta material kan vara ett effektivt sorbent för många mål, inklusive tungmetaller såsom kvicksilver, bly och kadmium, kromat och arsenat, och radionuklider såsom 99 Tc, 137 CS, uran och aktiniderna.
Mekanism
Den lilla storleken på nanopartiklar leder till flera egenskaper som kan förbättra saneringen. Nanomaterial är mycket reaktiva på grund av sin höga yta per massenhet. Deras lilla partikelstorlek gör det också möjligt för nanopartiklar att tränga in i små porer i jord eller sediment som större partiklar kanske inte tränger igenom, vilket ger dem tillgång till föroreningar som absorberats i jorden och ökar sannolikheten för kontakt med målföroreningen.
Eftersom nanomaterial är så små styrs deras rörelse i stor utsträckning av bruniansk rörelse jämfört med gravitationen. Således kan grundvattenflödet vara tillräckligt för att transportera partiklarna. Nanopartiklar kan sedan förbli suspenderade i lösning längre för att skapa en behandlingszon in situ .
När en nanopartikel har kommit i kontakt med föroreningen kan den bryta ned föroreningen, typiskt genom en redoxreaktion , eller adsorberas till föroreningen för att immobilisera den. I vissa fall, såsom med magnetiskt nanojärn, kan adsorberade komplex separeras från det behandlade substratet och avlägsna föroreningen. Målföroreningar inkluderar organiska molekyler såsom bekämpningsmedel eller organiska lösningsmedel och metaller såsom arsenik eller bly . En del forskning undersöker också användningen av nanopartiklar för att avlägsna överdrivna näringsämnen som kväve och fosfor.
Material
En mängd olika föreningar, inklusive några som används som partiklar i makrostorlek för sanering, studeras för användning i nanoremediering. Dessa material innefattar nollvärdiga metaller som nollvärdigt järn , kalciumkarbonat , kolbaserade föreningar såsom grafen eller kolnanorör och metalloxider såsom titandioxid och järnoxid .
Nano nollvalent järn
Från och med 2012 var nano noll-valent järn (nZVI) det nanoskalamaterial som oftast används i bänk- och fältrensningstester. nZVI kan blandas eller beläggas med annan metall, såsom palladium , silver eller koppar , som fungerar som en katalysator i det som kallas en bimetallisk nanopartikel. nZVI kan också emulgeras med ett ytaktivt medel och en olja, vilket skapar ett membran som förbättrar nanopartiklarnas förmåga att interagera med hydrofoba vätskor och skyddar det mot reaktioner med material upplösta i vatten. Kommersiella nZVI-partikelstorlekar kan ibland överstiga sanna "nano" -dimensioner (100 nm eller mindre i diameter).
nZVI verkar vara användbar för nedbrytning av organiska föroreningar, inklusive klorerade organiska föreningar såsom polyklorerade bifenyler (PCB) och trikloreten (TCE), samt för immobilisering eller avlägsnande av metaller. nZVI och andra nanopartiklar som inte behöver ljus kan injiceras underjordiskt i den förorenade zonen för sanering av grundvatten in situ och eventuellt jordrensning.
nZVI-nanopartiklar kan framställas genom att använda natriumborhydrid som det viktigaste reduktionsmedlet. NaBH 4 (0,2 M) tillsätts in i FeCl 3 • 6H 2 (0,05 M) lösning (~ 1: 1 volymförhållande). Järnjärn reduceras genom följande reaktion:
4Fe 3+ + 3B H -
4 + 9H 2 O → 4Fe 0 + 3H 2 B O -
3 + 12H + + 6H 2
Palladized Fe-partiklar framställs genom blötläggning av nanoskala järnpartiklar med en etanollösning av 1 vikt-% av palladiumacetat ([Pd (C 2 H 3 O 2 ) 2] 3 ). Detta orsakar minskning och avsättning av Pd på Fe-ytan:
Pd 2+ + Fe 0 → Pd 0 + Fe 2+
Liknande metoder kan användas för att bereda Fe / Pt-, Fe / Ag-, Fe / Ni-, Fe / Co- och Fe / Cu-bimetallpartiklar. Med ovanstående metoder kan nanopartiklar med diameter 50-70 nm framställas. Den genomsnittliga specifika ytan av Pd / Fe-partiklar är ca 35 m 2 / g. Järnsalt har också använts med framgång som föregångare.
Titandioxid
Titandioxid (TiO 2 ) är också en ledande kandidat för nanoremediering och avloppsrening, även om det rapporteras att det ännu inte har utökats till fullskalig kommersialisering från och med 2010. När den utsätts för ultraviolett ljus , såsom i solljus , producerar titandioxid hydroxylradikaler , som är mycket reaktiva och kan oxidera föroreningar. Hydroxylradikaler används för vattenbehandling i metoder som allmänt kallas avancerade oxidationsprocesser . Eftersom ljus krävs för denna reaktion är TiO 2 inte lämpligt för sanering på plats under jord , men det kan användas för avloppsrening eller pump-och-behandla grundvattenrensning.
TiO 2 är billig, kemiskt stabil och olöslig i vatten. TiO 2 har ett brett bandgap energi (3,2 eV) som kräver användning av UV-ljus, i motsats till endast synligt ljus, för fotokatalytisk aktivering. För att förbättra effektiviteten i fotokatalysen har forskning undersökt modifieringar av TiO 2 eller alternativa fotokatalysatorer som kan använda en större del av fotoner i det synliga ljusspektret . Potentiella modifieringar inkluderar dopning TiO 2 med metaller, kväve eller kol.
Utmaningar
Vid sanering in situ måste de reaktiva produkterna övervägas av två skäl. En anledning är att en reaktiv produkt kan vara mer skadlig eller mobil än moderföreningen. En annan anledning är att produkterna kan påverka effektiviteten och / eller kostnaden för sanering. TCE (trikloreten), under reducerande förhållanden med nanoiron, kan sekventiellt avklorinera till DCE (dikloreten) och VC (vinylklorid). VC är känt för att vara mer skadligt än TCE, vilket innebär att denna process skulle vara oönskad.
Nanopartiklar reagerar också med icke-målföreningar. Bare nanopartiklar tenderar att klumpa ihop sig och reagerar också snabbt med jord, sediment eller annat material i grundvattnet. För sanering in situ hindrar denna åtgärd partiklarna från att spridas i det förorenade området, vilket minskar deras effektivitet för sanering. Beläggningar eller annan behandling kan göra det möjligt för nanopartiklar att spridas längre och potentiellt nå en större del av den förorenade zonen. Beläggningar för nZVI inkluderar ytaktiva medel , polyelektrolytbeläggningar , emulgeringsskikt och skyddande skal gjorda av kiseldioxid eller kol .
Sådana konstruktioner kan också påverka nanopartiklarnas förmåga att reagera med föroreningar, deras upptag av organismer och deras toxicitet . Ett fortsatt forskningsområde involverar potentialen för nanopartiklar som används för sanering för att spridas mycket och skada vilda djur, växter eller människor.
I vissa fall kan bioremediering medvetet användas på samma plats eller med samma material som nanoremediering. Pågående forskning undersöker hur nanopartiklar kan interagera med samtidig biologisk sanering.