Нанотехнологии и экология

По мере становления и развития нанотехнологии все в большем масштабе будет сказываться ее влияние в решении многих проблем, связанных с охраной окружающей среды. Прежде всего это будет касаться использования наноустройств в системах исследования и контроля продуктов и отходов различных химических и смежных производств, при создании экологически «чистых» технологий с минимальным выходом вредных отходов производства, а также переработке мусора на свалках и очистке загрязнённых водоёмов. Необходимо учитывать, что производство самих наночастиц может вызвать загрязнение окружающей среды, угрожающее здоровью человека. Во многих случаях нанотехнологии представляют собой новые производственные процессы. Поэтому их потенциальная опасность для окружающей среды должна быть изучена и тщательно оценена.

Наноматериалы с их уникальными свойствами уже сейчас находят широкое применение во многих производствах, связанных с охраной окружающей среды. Некоторые примеры таких технологий приводятся ниже.

Наноматериалы в каталитических процессах. Наиболее заметные успехи достигнуты в разработке новых методов катализа. Использование наноразмерных реагентов позволило во многих случаях резко повысить эффективность каталитических реакций как в гомогенных, так и гетерогенных системах. Важным направлением катализа является очистка промышленных отходящих газов. В состав отходящих газов различных процессов сжигания технологических отходов (например, масел) входят: сажа, оксиды углерода, азота, серы, а также механические примеси. Катализаторы глубокого окисления, содержащие ультродисперсные порошки оксидов неблагородных металлов (состав Cu, Cr, Co, Ni, Ce – 60:30:5:2:3), показали степень очистки отходящих газов печей от угарного и метана в пределах 94-99%. Созданные на основе ультродисперсного материала каталитические нейтрализаторы отработавших газов автомобильных дизельных двигателей позволяют снизить содержание углерода в 7-40 раз; для бензиновых двигателей – более чем в 10 раз.

Наноматериалы в процессах адсорбции. Высокая активность наноматериалов позволяет применять их в качестве высокоэффективных адсорбентов для решения многих технологических и экологических задач.

Повышенную эффективность воздействия наносорбентов на высококонцентрированные эмульсии нефтепродуктов объясняют способностью наносистем создавать электрический потенциал на границе раздела фаз адсорбент-раствор. Это и приводит к быстрой коагуляции микроглобул эмульсий нефтепродуктов в крупные фрагменты и их осаждению на поверхности адсорбента. Различие в скоростях процесса адсорбции отдельных ионов позволяет использовать ультрадисперсные порошки адсорбентов для извлечения и селективного выделения отдельных ценных компонента из буровых вод и водных промышленных отходов. Сочетание нанопорошковых адсорбентов с волокнистыми материалами (например, углетканями, базальтовыми волокнами и др.) позволило создать аппаратуру для очистки нефтесодержащих сточных вод.

Ультрадисперсные порошки могут найти применение в качестве средств защиты от некоторых вирусов биологического оружия. Опыты продемонстрировали эффективность действия нескольких составов наночастиц. Однако коммерческое производство порошков для этой цели пока не налажено. В атмосфере, геологических породах, водной среде и биологических системах присутствует большое количество разнообразных естественных наночастиц и наноструктурных веществ. Однако их влияние на здоровье человека пока не изучалось систематически. В некоторых случаях было обнаружено вредное или потенциально опасное воздействие наночастиц, в других – потенциальные опасности кажутся незначительными.

Точная оценка воздействия наноразмерных веществ на биологические системы значительной степени осложняются отсутствием аппаратуры для контроля содержания наночастиц и их воздействия. К настоящему времени разработано несколько типов приборов, используемых в медицине и экологии для оценки влияния наночастиц в научно-исследовательских целях. Например, существуют счётчики наночастиц позволяющие выращивать конденсацией из газовой фазы наночастицы определённого размера. Такими приборами обеспечивается регистрация частиц размером порядка 3нм в воздухе при атмосферном давлении.

Для устранения или предотвращения загрязнения окружающей среды наночастицами необходимо прежде всего иметь достаточно полное представление о фундаментальных процессах взаимодействия наночастиц и наноструктурных материалов с окружающей средой и, особенно с биологическими системами. Пока получено мало данных о роли факторов размера и формы в химии поверхностных явлений, вследствие чего не созданы эффективные модели для оценки параметров соответствующих процессов. По этой причине определения степени опасности наночастиц для окружающей среды во многих случаях очень затруднено и основывается только на результатах измерений.

Наночастицы можно рассматривать в качестве своеобразных «микрореакторов», которые в зависимости от окружения, могут преобразовывать энергию, перерабатывать отходы или служить в качестве сенсоров. Работа по созданию всё более совершенных и экологически чистых производственных процессов зависит от развития средств контроля и обратной связи, которые во многих случаях могут быть построены лишь на основе наноустройств. Особенно важными являются следующие направления исследований:

• замена производств, связанных с большим объёмом отходов, на так называемые «зелёные» технологии;
• рационализация производственных процессов, позволяющая выпускать более лёгкие и мелкие изделия, что может снизить расходы материалов и энергии;

Более глубокое изучение регулирования природных явлений и процессов загрязнения окружающей среды с помощью нанодатчиков и наноэлектронных устройств. Применение конструкционных нанокомпозитов началось лишь несколько лет назад, но можно с уверенностью утверждать, что в течение ближайших 5-10 лет будут изготовлены более совершенные и экологически чистые композиты. В перспективе возникает возможность создания композитов на основе полимеров и наночастиц, которые будут обладать повышенными функциональными характеристиками, например, химической энергетикой, тепло- и электропроводностью, заданными оптическими свойствами. На основании наноматериалов могут быть созданы «зелёные» технологии во многих отраслях промышленности. С их помощью может быть повышена эффективность технологических процессов, а также процессов уничтожения отходов или их переработки.

Нанотехнология охватывает многие научные дисциплины и поэтому нуждается в выработке единой терминологии, номенклатуре и стандартов измерений в следующих направлениях развития нанотехнологии, связанных с проблемами окружающей среды:

• изучение механизмов наномасштабных процессов и возможностей их регулирования;
• проведение междисциплинарных исследований, которые связаны с разработкой и математическим описанием сложных модельных систем, межфазных границ и других нанометровых структур и участвуют в биологических процессах функционирования живых организмов;
• объединение данных о роли молекулярных и наноразмерных явлений во времени эволюции мезо- и макросистем.

Для успешного использования существующих и появляющихся во все возрастающем количестве новых технологий, связанных с экологией, важна организация сотрудничества между университетами, лабораториями и промышленными предприятиями. Такое сотрудничество будет сотрудничать развитию необходимых междисциплинарных исследований, расширению подготовки и обмену специалистов.