НАНОТЕХНОЛОГИИ. Введение Основные типы загрязнений воды
 Скачать 93.01 Kb.
|
1 2 ТИТУЛ Содержание Введение…………………………………………………………………….…3 Основные типы загрязнений воды ……………………………………….5 Традиционные методы очистки воды………………………………….…8 Очистка воды с помощью нанотехнологий……………………………...13 3.1. Сущность понятия «нанотехнологии»………………………………... 13 3.2.Наноматериалы в различных процессах очистки воды………………….14 3.3. Очистка с помощью метода электрохимической активации………….23 3.4. Очистка и обеззараживания воды на основе электрофизической ионизации……………………………………………………………………...…30 Заключение…………………………………………………………………….40 Список использованных источников……………………………….…….….41 Введение Качество питьевой воды имеет огромное значение для здоровья людей. Все чаще водопроводная вода по своему составу напоминает химическую и бактериологическую смесь, опасную для нашего здоровья. В ней очень много самых разных твердых частиц, солей тяжелых металлов, мельчайшей ржавчины, органических соединений, нефтепродуктов, опасных микроорганизмов, различных химических соединений, многие из которых являются сильными канцерогенами (например, некоторые соединения хлора с органикой). В настоящее время в науке и обществе сохраняется неослабевающий интерес к изучению воды, ее уникальных биологических и физических свойств. Шокирующие эксперименты по управлению климатом, влияние воды на состояние здоровья человека и экосистем, явления электромагнетизма в воде и факты нелокального взаимодействия водных сред, включая биологические - это тот небольшой перечень из круга удивительных явлений, формирующих ореол таинственности вокруг воды [8]. В этих проявлениях в глубинах современной науки человеку становится ясно, что вода - это не построение из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а нечто значительно большее, обладающее уникальными свойствами, в том числе способностью воспринимать в себе информацию как о состоянии окружающей среды, так и о биологических объектах, взаимодействующих с ней [5]. При этом отклик воды на подобное воздействие имеет нелокальный характер, так как может проявляться как в прошлом, так и в будущем. Одна из главных экологических проблем человечества - качество питьевой воды, которая напрямую связана с состоянием здоровья населения, экологической чистотой продуктов питания, с разрешением проблем медицинского и социального характера. Длительное использование питьевой воды с нарушением гигиенических требований по химическому составу обуславливает развитие различных заболеваний у населения. Неблагоприятное биологическое воздействие избыточного поступления в организм ряда химических веществ проявляется не только в повышении общей или специфической заболеваемости, но и в изменении отдельных показателей здоровья, свидетельствующих о начальных патологических или предпатологических сдвигах в организме. Таким образом, питьевая вода - важнейший фактор здоровья человека [4]. Практически все ее источники подвергаются антропогенному и техногенному воздействию разной интенсивности. Исследования свидетельствуют об ухудшении качества воды с 1995 г. и о том, что в ряде регионов уровень химического и микробиологического загрязнения водоемов остается высоким, в основном из-за сброса неочищенных производственных и бытовых стоков. Очистка воды по существующим технологиям в мире очень непроизводительна, энергоемка, материалоёмка и не полностью очищает и обеззараживает воду. Для решения таких проблем нужна новая технология водоочистки. Такая технология появилась. Это нанотехнология очистки воды. Основные типы загрязнений воды Одна из главных экологических проблем человечества - качество питьевой воды, которая напрямую связана с состоянием здоровья населения, экологической чистотой продуктов питания, с разрешением проблем медицинского и социального характера. По данным Всемирной Организации Здравоохранения (ВОЗ) - 85% всех заболеваний в мире передается водой. Ежегодно 25 миллионов человек умирает от этих заболеваний. В Новых санитарных правилах и нормах (Сан ПиН 2.1.4.559-96) «Питьевая вода» были определены показатели по вирусам, ужесточены требования по наличию пестицидов, а по хлорсодержащим веществам нормы увеличены более чем в три раза. Это объясняется вынужденным выбором для очистки воды одного из двух зол: обеззараживать воду обильным хлорированием и нарушать норму по хлору или смириться с наличием в воде бактерий. При хлорировании природных вод образуются хлорсодержащие токсичные, мутагенные и канцерогенные вещества - тригалометаны. Следует отметить, что в упомянутых выше Санитарных нормах допускается содержание свинца и алюминия соответственно в 3-10 раз больше, чем это предусмотрено в стандартах ВОЗ. При этом необходимо учитывать, что свинец и алюминий относятся к классу высокоопасных веществ. Свинец откладывается в костях, приводит к изменениям в центральной нервной системе (полиневриты, церебральный артериосклероз), крови (снижение гемоглобина, уменьшение числа эритроцитов), желудочно-кишечном тракте (спастический хронический колит), а также к нарушению обмена веществ, “угнетению” многих ферментов и гормонов. Даже небольшое количество свинца вызывает поражение почек. Алюминий парализует нервную и иммунную системы, особенно уничтожающе он действует на детский организм, способствует развитию болезни Альцгеймера. Длительное использование питьевой воды с нарушением гигиенических требований по химическому составу обуславливает развитие различных заболеваний у населения. Неблагоприятное биологическое воздействие избыточного поступления в организм ряда химических веществ проявляется не только в повышении общей или специфической заболеваемости, но и в изменении отдельных показателей здоровья, свидетельствующих о начальных патологических или предпатологических сдвигах в организме. Повышение концентрации меди в питьевой воде вызывает поражение слизистых оболочек почек и печени; никеля – поражения кожи; цинка – почек; мышьяка – центральной нервной системы. Загрязнение вод проявляется в изменении физических и органолептических свойств (нарушение прозрачности, окраски, запахов, вкуса), увеличении содержания сульфатов, хлоридов, нитратов, токсичных тяжелых металлов, сокращении растворенного в воде кислорода воздуха, появлении радиоактивных элементов, болезнетворных бактерий и других загрязнителей [1]. Различают естественные и антропогенные источники загрязнения вод. Первые в отличие от вторых сбалансированы процессами самоочищения вод за счет их круговорота в природе. Этим механизмом природа пользуется в течение всей истории существования биосферы. Антропогенное загрязнение связано с хозяйственной деятельности человека. Сюда относится биологическое, химическое, физическое загрязнение. Установлено, что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение вод. В случае превышения допустимой нормы хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считается загрязненной [2]. Наиболее часто встречается химическое и бактериальное загрязнение. Значительно реже наблюдается радиоактивное, механическое и тепловое загрязнение. Химическое загрязнение - наиболее распространенное, стойкое и далеко распространяющееся. Оно может быть органическим (фенолы, нафтеновые кислоты, пестициды) и неорганическим (соли, кислоты, щелочи), токсичным (мышьяк, соединения ртути, свинца, кадмия) и нетоксичным. При осаждении на дно водоемов или при фильтрации в пласте вредные химические вещества сорбируются частицами пород, окисляются и восстанавливаются, выпадают в осадок, однако, как правило, полного самоочищения загрязненных вод не происходит. Очаг химического загрязнения подземных вод в сильно проницаемых грунтах может распространяться до 10 км и более. Бактериальное загрязнение выражается в появлении в воде патогенных бактерий, вирусов (до 700 видов), простейших, грибов. Этот вид загрязнений носит временный характер. Весьма опасно содержание в воде, даже при очень малых концентрациях, радиоактивных веществ, вызывающих радиоактивное загрязнение. Наиболее вредны «долгоживущие» радиоактивные элементы, обладающие повышенной способностью к передвижению в воде (стронций-90, уран, радий-226, цезий и др.). Радиоактивные элементы попадают в поверхностные водоемы при сбрасывании в них радиоактивных отходов, захоронении отходов на дне и др. В подземные воды уран, стронций и другие элементы попадают как в результате выпадения их на поверхность земли в виде радиоактивных продуктов и отходов и последующего просачивания в глубь земли вместе с атмосферными водами, так и в результате взаимодействия подземных вод с радиоактивными горными породами. Механическое загрязнение характеризуется попаданием в воду различных механических примесей (песок, шлам, ил). Механические примеси могут значительно ухудшать органолептические показатели вод. Применительно к поверхностным водам выделяют еще их твердыми отходами, остатками лесосплава, промышленными и бытовыми отходами, которые ухудшают качество вод, отрицательно влияют на условия обитания рыб, состояние экосистем. Тепловое загрязнение связано с повышением температуры вод в результате их смешивания с более нагретыми поверхностными или технологическими водами. При повышении температуры происходит изменение газового и химического состава в водах, что ведет к размножению анаэробных бактерий, росту количества гидробионтов и выделению ядовитых газов - сероводорода, метана. Одновременно происходит «цветение» воды, а также ускоренное развитие микрофлоры и микрофауны, что способствует развитию других видов загрязнения[3]. В настоящее время необходимо заниматься поиском эффективных средств, ликвидирующих загрязнения, но только внедрением новых методик очисток акваторий невозможно обеспечить чистоту водных объектов. Основная задача, которую необходимо решать сообща – предотвращение загрязнения. Современные водоочистные технологии на сегодняшний день малоизвестны и представляют собой выгодную нишу для бизнеса. Сейчас в таких устройствах применяется и микроэлектротехника, и сенсорное управление. Тем не менее проверенные старые методы очистки воды еще пользуются популярностью. Основные причины: Во-первых, это обусловлено низкой платежеспособностью населения. Далеко не каждый гражданин может себе позволить приобрести дорогостоящее оборудование. Поэтому россияне до сих пор отстаивают, осветляют и кипятят воду. К тому же, многие современные водоочистные устройства подходят только для предварительно обработанной воды, и при помощи осветления люди избавляют воду от определенного осадка, а также от взвешенных частиц. Данных микроэлементов в паводковый период насчитывается около 2500 мг/л воды. В таблице 1 приведена информация, как быстро оседают те или иные примеси в воде, нагретой до кипения (100 °С). Таблица 1. Скорость оседания примесей в воде при кипении
Кипячение как способ смягчения воды работает не так долго, как отстаивание, однако при этом формируется накипь, которая является одним из самых существенных недостатков некачественной воды. И в отличие от старых технологий очистки воды, новые способны избавить воду от образования осадка. Очищать воду можно не только с целью умягчения. Зачастую жидкость, используемую для технических нужд, достаточно очистить от переизбытка железа и болезнетворных бактерий. Воду очищают от железа с помощью окислителей или специальных установок, отфильтровывающих железосодержащие примеси. Также, помимо жесткости, существуют и другие проблемы. Как правило, вода, добываемая из глубоких скважин, содержит огромное количество разнообразных примесей, с некоторыми из которых бороться довольно трудно. Добиться того, чтобы такая вода стала чистой, мягкой и пригодной для питья, непросто. Идеальных фильтров не бывает. Одно устройство не может подойти для абсолютно любой воды, потому что жидкость из разных источников обладает различным набором примесей. Именно поэтому для бытовых нужд и в промышленности пользуются водоподготовкой – специальным комплексом фильтров, который помогает очистить воду от различных элементов. 2. Основные методы очистки воды Обеззараживание питьевой воды имеет важное значение в общем цикле очистки воды и почти повсеместное применение, так как это последний барьер на пути передачи связанных с водой бактериальных и вирусных болезней. Обеззараживание воды является заключительным этапом подготовки воды питьевой кондиции. Использование для питья подземной и поверхностной воды в большинстве случаев невозможно без обеззараживания. Обычными методами обеззараживания при очистке воды являются: • хлорирование путем добавления хлора, диоксида хлора, гипохлорита натрия или кальция; • озонирование воды; • ультрафиолетовое облучение. Другие способы обеззараживания (воздействие ионов благородных металлов, ультразвук, радиоактивное излучение) крайне редко применяются в централизованных системах водоснабжения. Конкретный способ обеззараживания определяется с учетом производительности и затрат. Хлорирование: в воде всегда имеются органические вещества, которые, соединяясь с хлором, дают канцерогены, причем обеззараживание воды достигает лишь 80 %, для повышения этого показателя нужно повышать концентрацию хлора и какая бы не была концентрация хлора, многие вирусы, яйцеглист защищенный оболочкой не погибают. То есть, до последнего времени считали, что хлор обеспечивал высокий уровень безопасности воды независимо от времени её доставки, но теперь известно, что хлор имеет и ряд негативных свойств. Поэтому в последнее время для целей обеззараживания и интенсификации антимикробного действия дезинфектантов используются электрические поля различного вида и частоты – постоянное, переменное, низкочастотное, высокочастотное, импульсное, ультразвуковое и ультрафиолетовое излучение, гамма-излучение. Одновременное использование окисления с вышеперечисленными методами позволяет снизить время обеззараживания, а также уменьшить дозу окислителя, но достигнуть 100%-го бактерицидного действия из-за присутствия в воде антропогенных или взвешенных веществ не удается. В технологии обеззараживания и очистки сточных вод также нашел большое применение электроактивационный метод с использованием электроактиватора. Они предназначены для электроактивационной очистки питьевой, производственных сточных и других вод от тяжелых металлов, солей двухвалентного железа, нитритов, сульфитов, сульфидов. В целом в зависимости от принципа действия выделяют такие способы очистки воды как: -физические (грубая механическая чистка). -химические (смешение воды с реагентами). -физико-химические (сложные комплексные мероприятия). -биологические (воздействие живых микроорганизмов). -физические методы Данные методы предназначены для очищения воды от твердых крупнофракционных частиц (чаще всего – нерастворимых). Они успешно задействуются на этапах первичной и грубой очистки и в разы реже – при глубоких и тонких воздействиях. Среди главных физических методов выделяют: 1.Процеживание – очищение жидкостей от крупнофракционных посторонних включений при проходе через ячеистые прослойки (сетки, решетки, полипропиленовую мешковину). К преимуществам этого метода относят простоту и эффективное улавливание крупного мусора, к минусам – потребность в частой промывке фильтрующих элементов, пропускание патогенных микроорганизмов, солей и любых мелких нежелательных примесей. 2.Отстаивание – осаждение посторонних фракций под действием собственного веса вниз с последующим отбором более чистой воды. Этот метод используются как на предварительных, так и на промежуточных этапах водоподготовки, его производительность существенно ограничена временем и объемами отстойников. 3.Фильтрование – схожий с процеживанием, но более совершенный метод, позволяющий очищать воду от ненужных примесей с разным размером фракций (минимальный порог – до микронов) при прохождении через пористый фильтрующий слой. Метод активно используется в быту и на производстве, из всех физических видов он считается самым эффективным. 4.УФ-дезинфекция – обработка предварительно очищенной от крупных фракций воды УФ-лучами с длиной волн в пределах 200-400 нм с целью обеззараживания. Состав и физические свойства жидкости этот метод не меняет. Химические методы Эти методы ценятся за эффективность и высокую производительность. Разложение, преобразование или выпадение в осадок загрязнителей при их применении происходит в кратчайшие сроки вне зависимости от объема обработки. Исходя из вида протекающих реакций выделяют такие химические методы водоочистки как: 1.Нейтрализация – выравнивание PH-баланса воды за счет добавления особых реагентов (аммиачной воды, гидроксидов калия или натрия, кальцированной соды) или ее пропускании через кислые газы. Чаще всего к этому методу обращаются при регенерации промышленных стоков, забираемая из скважин или водоемов вода изначально имеет нейтральную среду и корректировке баланса не нуждается. 2.Окисление – обезвреживание токсичных водных растворов и хлорирование воды при добавлении активных окислителей. Несмотря на высокую эффективность (микроорганизмы убиваются быстро и надолго) метод считается опасным для здоровья человека. 3.Очистку восстановлением. Данный метод выбирается при высокой доли легко восстанавливаемых веществ в исходной воде или стоках. При его выборе из воды удаляются ряд простых и переходных металлов и минералов (хрома, ртути или мышьяка) и их соединений. Физико-химические методы Данная группа представлена комплексными методами с широким спектром применения, задействуемыми на любых этапах очистки и водоподготовки. Очистка воды при их выборе осуществляется самыми разными способами, включая воздействие растворенных газов, тонкодисперсных сред и изменение ионного состояния молекул. Наиболее востребованных физико-химических методы: 1.Флотация. Отделение и подъем твердых гидрофобных частиц при пропускании сквозь толщу воды пузырьков воздуха или других инертных газов. Формируемая на поверхности пена или прослойка легко удаляется механическими способами. Происходит очистка жидкостей от нефтепродуктов и масел, удаление твердых примесей при низкой эффективности других методов. 2.Сорбация. Избирательная фильтрация ненужных примесей при поверхностном или объемном прохождении воды через материалы с пористой структурой (силикагели, уголь и их аналоги). Используемые сорбенты могут быть восстанавливаемыми или утилизируемыми после потери фильтрационных свойств. Происходит даление ПАВ, пестицидов, фенолов, процессы доочистки. 3.Экстракция. Заливка в очищаемую воду мало- или несмешиваемых веществ, растворяющих грязь, с последующим активным перемешиванием, отстаиванием и разделением разнофазных сред. 4.Ионообмен Обмен ионами между очищаемой водой и природными (цеолиты, сульфоугли) или искусственными (синтетические смолы) ионитами. 5.Умягчение воды. Метод не предназначен для бытовой очистки больших объемов сильнозагрязненной воды. 6.Электродиализ. Очищаемая вода последовательно проходит камеры с ионоселективными мембранами и электродами постоянного тока. В первых камерах вода избирательно обессоливается, в крайних – накапливает концентрат солей с последующим разделением. 7.Обратный осмос. Вода пропускается через мембраны с микроскопическими ячейками под избыточным гидростатическим давлением с последующей утилизацией выделенного загрязненного раствора. Происходит обессоливание, отделение нежелательных микроорганизмов, растворенных газов и коллоидных веществ. 8.Термические методы. Суть данных методов состоит в получении дистиллята или максимально очищенной воды после ее выпаривания, вымораживания или термического окисления (распыление и пропускание через высокотемпературные продукты сгорания). Биологические методы Эти методы преимущественно задействуются при очищении стоковых вод и базируются на использовании живых организмов. К последним относят как бактерии (окисляющие и разрушающие токсичные и азотосодержащие соединения, поглощающие фосфаты), простейшие грибы и водоросли, так и многоклеточные (черви, насекомые). Чаще всего бактерии используют в виде активного жилого ила и зооглеей. Микроорганизмы, участвующие в биологической очистке воды, содержатся в виде колоний в серо-бурой кашицеобразной субстанции с запахом земли - активном иле. Он легко отстаивается и оседает на дно, что позволяет быстро отделить чистую воду от отработавшего ила. Все микроорганизмы для биологической очистки воды делятся на два класса в зависимости от условий, в которых они проявляют свою активность. Аэробной микрофлоре необходим кислород для жизнедеятельности и запуска процессов окисления. Напротив, питание и активное потребление питательных веществ анаэробными бактериями происходит только в бескислородном пространстве. В зависимости от выбранного типа микроорганизмов корректируются эксплуатационные условия устройств для биологической очистки воды. Специфические микроорганизмы, продуцируя в активном иле, работают в качестве биоценоза минерализующей микрофлоры, способной адсорбировать органические и минеральные соединения на поверхности и окислять их. Во всех сооружениях кроме метатенков процессы окисления проходят с участием кислорода. Водоочистка биологическими методами проводится в: 1.Естественных или искусственных водоемах, очищающих сравнительно небольшие объемы воды со средней степенью загрязненности при минимуме усилий и трат. 2.Биофильтрах – специальных сооружениях с фильтрующей прослойкой из аэробных микроорганизмов с естественным или принудительным воздухообменом. 3.Аэротенках – сложных автоматизированных комплексах с принудительной аэрацией. 4.Метатенках – устройствах анаэробного брожения для переработки концентрированных стоковых осадков. 3. Очистка воды с помощью нанотехнологий 3.1 Понятие нанотехнологи и наночастицы Очистка воды по существующим технологиям в мире очень непроизводительна, энергоемка, материалоёмка и не полностью очищает и обеззараживает воду. По мере непрерывного увеличения из года в год антропогенного влияния различных его составляющих на окружающую среду и распространением в мире такой проблемы, как дефицит чистой воды, все более актуальными становятся вопросы очистки природных и сточных вод. Одним из наиболее востребованных направлений модернизации систем водоснабжения и водоотведения является внедрение нанотехнологий в сектор очистки воды [1]. Сейчас нанотехнологии- это современные движущие прогрессом процессы, материалы и аппараты, которые имеют дело с частицами разных размеров, как правило в пределах от 10 до 100 нм. На сегодняшний день нанотехнологии зарекомендовали себя как перспективное направление, которое может быть эффективно внедрено и применено касательно вопроса очистки воды. Нанотехнология - это процесс манипулирования атомами на наноуровне. В нанотехнологии наномембраны используются с целью умягчения воды и удаления загрязняющих веществ, таких как физические, биологические и химические загрязнения. По оценкам экспертов, мировой рынок нанотехнологий к 2022 году достигнет масштабов в два триллиона долларов США. В то время как российский сегмент нанотехнологий в этот же период составит чуть более 5% от общего объема. В первую очередь к сфере применения нанотехнологий следует отнести мембранную очистку воды. Мембранное разделение происходит либо под давлением, либо под воздействием электродиализа. Мембранное разделение под давлением, а именно по размеру пор и удерживающихся в мембране частиц, принято классифицировать следующим образом: микрофильтрация, с размером пор от 10 до 0,05 мкм, ультрафильтрация, размер пор от 0,001 мкм до 0,05 мкм, нанофильтрация с размером пор от 0,001 до 0,01 мкм и обратный осмос, размер пор мембраны которого составляет 0,0001 мкм [2]. Таким образом, с помощью микрофильтрации из воды удаляются взвешенные коллоидные частицы, некоторые виды микроорганизмов и тяжелые металлы, а также снижается жесткость воды. Ультрафильтрация имеет своей особенностью снижение в воде концентрации взвешенных веществ, коллоидов и органических загрязнений, эффективно удаляются бактерии и вирусов, снижается жесткость воды. Нанофильтрацию воды используют для удаления различных солей, пестицидов, а также цветности и растворенных веществ. С Исследования, проводимые во многих лабораториях мира, показывают, что такие свойства синтезированных наноматериалов как большая удельная поверхность, высокая проницаемость, каталитическая активность, устойчивость к биообрастанию, возможность функционализации и др. позволяют эффективно использовать их для получения чистой воды. Предложены наноматериалы и нанокомпозиты для адсорбции и удаления катионов, анионов, очистки от нефтепродуктов (углеродные, нано-цеолиты, наночастицы оксидов металлов). К наноматериалам относят структуры протяженностью менее 100 нм (нанометр, 10⁻⁹ м) в одном из измерений. На этом уровне материалы обладают уникальными, обусловленными размерами, свойствами (химическими, адсорбционными, каталитическими, магнитными, механическими, оптическими), определяющими высокую эффективность их использования в различных областях человеческой деятельности. В последние 15-20 лет возник своего рода «нанобум», обусловивший возникновение целого ряда новых технологических процессов, в том числе в области очистки воды. В качестве дополнения ко всему вышесказанному, следует отметить следующие продукты технологических решений, связанные с нанотехнологиями: углеродные нанотрубки и фуллерены, дендримеры, цеолиты и катализаторы, которые также могут быть эффективно использованы для очистки воды. 3.2.Наноматериалы в различных процессах очистки воды На современном этапе все больше для очистки воды используется наноматериалы и нанотехнологии. Отечественные и зарубежные ученые разрабатывают оборудование с использованием наноструктурных фильтрующих коррозионно- стойких элементов на основе стали, титана, циркония, никеля и керамики. Степень очистки загрязнённых сточных вод с их помощью позволяет достичь значений предельно допустимой концентрации (ПДК). Углеродные нанотрубки (УНТ), открыты в 1991 г. [1] − это цилиндрические макромолекулы, которые имеют гексагональную решетку атомов углерода, закрытые с торцов половиной молекулы фуллерена. УНТ бывают одностенные и многостенные (рисунок 1). Одностенные УНТ имеют диаметр в пределах 0,3…3 нм и длину до нескольких микрометров. Многостенные УНТ состоят из совокупности нескольких коаксиальных цилиндров и могут достигать диаметра 100 нм. УНТ обладают высокой адсорбционной емкостью, которая определяется большой удельной площадью поверхности и разнообразием взаимодействий загрязнения - УНТ. УНТ, по сравнению с активированным углем, имеют большую адсорбционную емкость из-за большого размера пор и более доступных центров сорбции [1]. УНТ эффективно адсорбируют многие полярные органические вещества из-за разнообразия взаимодействий загрязняющие вещества-УНТ: гидрофобный эффект; π-π взаимодействия; водородные связи; ковалентные связи и электростатическое взаимодействие. Регенерацию УНТ проводят изменением рН. Степень извлечения металлов составляет 90…100% при рН ˂ 2. Адсорбционная емкость после регенерации остается относительно стабильной. Наноадсорбенты на основе оксидов металлов. Оксиды металлов (оксид железа, оксид титана, глинозем) − эффективные недорогие адсорбенты тяжелых металлов и радионуклидов. Процесс включает две стадии: адсорбцию ионов металлов на внешней поверхности; диффузию внутрь частиц вдоль стенок микропор (данная стадия является лимитирующей). Аналоги оксидов металлов на наноуровне характеризуются более высокими показателями адсорбционной емкости и кинетики адсорбции, что обусловлено большей удельной площадью поверхности; большим количеством поверхностных центров адсорбции. При уменьшении размеров частиц ниже 40 нм у некоторых наночастиц оксидов железа (магнетит FeO∙Fe2O3, маггемит γ-Fe2O3) возникает свойство суперпарамагнетизма. Магнитные наночастицы могут непосредственно использоваться в качестве адсорбентов. Наночастицы оксидов металлов могут быть спрессованы в гранулы практически без изменения свойств, что удобно для промышленного применения. Они превосходят активированный уголь по показателям адсорбции As, Pb, Hg, Cu, Cd, Cr, Ni. Наночастицы оксидов или гидроксидов могут быть введены в структуру активированного угля. При этом можно одновременно удалять, например, As и органических веществ успешно применены для удаления или деструкции органических соединений (антибиотиков, азокрасителей, хлорсодержащих пестицидов, фосфороорганических соединений, нитроаминов, нитроароматических соединений, пара-хлорфенола, полибромированных дифенилэфиров, полихлорированных бифенилов), нитратов, перхлоратов, Ba, Be, Cr, Co, Cu, Pb, Mo, Ni, Ag, Tc, V, Zn, Cd, As, Se, U, Pu а также для инактивации вирусов и бактериофагов [1]. Данные наночастицы обладают набором определенных свойств, а именно имеют высокую реакционную способность; достаточную подвижность в пористых средах; необходимую долговечность; низкую токсичность; способность образовывать водные коллоидные суспензии; - конкурентоспособную стоимость по сравнению с традиционными методами. В водной среде НМЖ подвергаются процессу окисления, взаимодействуя при этом с кислородом и водой. На поверхности металлических наночастиц образуются ионы Fe(II), Fe(III), Н+, нерастворимые оксиды и гидроксиды. Все эти продукты коррозии участвуют в процессах взаимодействия с загрязняющими веществами: -химических: восстановление, комплексообразование, осаждение; -физических: адсорбция поверхностным слоем оксидов и гидроксидов. При введении значительных количеств наночастиц в водную среду, вследствие большой удельной площади поверхности (до 100 м²/г) и образования водорода, быстро возникает восстановительная среда, благоприятная для деструкции органических загрязнений. Тяжелые металлы и радионуклиды связываются комплексообразованием, осаждением, адсорбцией на поверхности наночастиц без физической деструкции. Такие загрязнения из подвергаемой очистке водной среды не выводятся, поскольку извлечение наночастиц (с удерживаемыми загрязнениями) практически неосуществимо. Таким образом, в принципе, при изменении геохимических условий, при наличии комплексообразующих реагентов или других тяжелых металлов или радионуклидов, которые могут замещать уже связанные, существует возможность ремобилизации загрязнений. Процессы связывания, деградации и ремобилизации могут протекать при участии микроорганизмов [5]. Из-за агрегации наночастиц, образования объемных осадков в результате окисления/коррозии наночастиц, адсорбции наночастиц на поверхности минералов и углеродсодержащих материалов, НМЖ обладают ограниченной подвижностью. Для увеличения подвижности НМЖ на поверхность наночастиц наносят покрытия в виде поверхностно-активных веществ или полимеров, например, карбоксиметилцеллюлозу, гуаровую смолу, хитозан. Установлено, что наибольшей подвижностью в пористых средах обладают наночастицы крупностью 100…200 нм. Кроме этого, подобные фракции наночастиц характеризуются значительно меньшей токсичностью. Существенно упрощается технология их инжекции [ 6]. С целью увеличения реакционной способности наночастиц металлическое железо легируют металлами: Pd, Pt, Ag, Ni, Cu и др [1]. В США приблизительно в 40% проектов очистки подземных вод предусматривается использование биметаллических наночастиц. В европейских странах такой подход распространения не получил. Вместо использования легирующих добавок для улучшения физико- химических свойств наночастиц применяется их термическая обработка [1]. 1 2 |