НАНОТЕХНОЛОГИИ. Введение Основные типы загрязнений воды
 Скачать 93.01 Kb.
|
1 2 МембранысиспользованиемнаноматериаловЭффективность работы мембранных систем во многом определяется используемыми для их изготовления материалами. Инкорпорирование функциональных наноматериалов в структуру мембран способствуетповышению проницаемости; устойчивости против загрязнения; повышению механической и термической стабильности; приобретению новых свойств мембран (деградация загрязняющих веществ, самоочищение). Нановолоконныемембраны. Простым, эффективным и недорогим методом изготовления ультратонких мембран из различных материалов (полимеры, керамика, металлы) является электроспиннинг (процесс вытягивания нановолокон под действием электростатических сил, создаваемых источником высокого напряжения). Получаемые нановолокна имеют большую удельную площадь поверхности и пористости и могут быть использованы в форме матов с комплексной структурой пор. В соответствии с целевым назначением при изготовлении регулируются диаметр, морфология, состав, вторичная структура и пространственная ориентация нановолокон. Нановолоконные мембраны могут с высокой эффективностью удалять микрочастицы из водной фазы без заметного загрязнения. Их целесообразно использовать для предварительной обработки перед ультрафильтрацией или обратным осмосом. Путем введения различных добавок можно получать многофункциональные материалы с уникальными возможностями. Так, введением керамических наноматериалов или специфических адсорбентов в нановолоконный каркас может быть сконструирована мембрана для удаления при фильтрации тяжелых металлов и органических загрязняющих веществ [6]. Нанокомпозитныемногофункциональныемембраныизготавливают введением наноматериалов в структуру ультрафильтрационных мембран из полимерных или неорганических материалов. К ним относятся -гидрофильные наночастицы оксидов металлов (Al₂O₃, TiO₂, цеолит, глинозем, кремнезем) способствуют увеличению гидрофильности поверхности мембраны, водопроницаемости и устойчивости против загрязнения, а также повышению механической и термической стабильности полимерных мембран; -наночастицы со свойством обеззараживания (Ag или углеродные нанотрубки) предотвращают закрепление бактерий и формирование биопленки, инактивируют вирусы; -каталитические наноматериалы (биметаллические наночастицы, TiO₂) содержат наночастицы катализатора, способствующие деградации загрязняющих веществ [6]. Тонкопленочные нанокомпозитные мембраны ТНМ изготавливают путем введения наноматериалов в активный слой тонкопленочной полимерной мембраны. Для этих целей используют наночастицы цеолитов, Ag, TiO₂, углеродные нанотрубки. Воздействие наночастиц на проницаемость и селективность мембран зависит от типа, размеров и количества вводимых наночастиц. Наиболее часто для повышения проницаемости мембран (до 80%) в качестве добавок используют наночастицы цеолитов. Задержание солей при этом сохраняется на уровне 93,9%. Сообщается о разработке ТНМ, содержащей 0,2% наночастиц цеолита (250 нм), обладающей большей водопроницаемостью в сравнении с традиционными обратноосмотическими мембранами и с задержанием солей свыше 99,4% [1, 5, 6]. Наноцеолиты используют также в качестве носителей противомикробных агентов (Ag⁺), обеспечивающих устойчивость ТНМ против биозагрязнения. Проведены успешные опыты по инкорпорированию наночастиц TiO₂ (до 5%) в активный слой тонкопленочной композитной мембраны. В этом случае мембрана приобретает фотокаталитические свойства и обеспечивает деградацию при ультрафиолетовом облучении органических веществ, а также инактивацию микроорганизмов, что снижает органическое и биологическое загрязнение мембраны. Углеродные нанотрубки вводят в состав ТНМ из-за их антимикробных свойств. Этим достигается 60%-ная инактивация бактерий, присоединенных к мембранной поверхности, за 1 час контакта [5]. Фотокатализаторы. Катализаторы из полупроводниковых материалов, инициирующие фотокаталитические процессы, содержат электроны: свободные (могут двигаться в кристаллической решетке); связанные (участвуют в химических связях с ионами кристаллической решетки). Перевод электрона из связанного состояния в свободное требует энергии (не менее 3,2 эВ), которая может быть обеспечена квантами света с длиной волны менее 400 нм (ультрафиолетовая область спектра). В результате поглощения света образуются свободные электроны и вакансии (дырки), которые, перемещаясь в кристаллической решетке, частично рекомбинируют, сталкиваясь друг с другом, частично выходят на поверхность. Электроны и дырки, являясь реакционноспособными, взаимодействуют на поверхности частиц полупроводника с кислородом, водой, органическими веществами. В результате образуются гидроксильные радикалы и высокореакционные кислородсодержащие соединения, которые способствуют минерализации адсорбированных органических соединений, присутствующих в виде микрозагрязнений. Для протекания процесса необходимо присутствие растворенного кислорода, который поглощает электроны, препятствуя их рекомбинации. Таким образом, при поглощении света в частицах полупроводника происходят следующие процессы: образование пар электрон-дырка; перемещение электронов и дырок к поверхности частицы; рекомбинация электронов и дырок в объеме частицы и на ее поверхности (нежелательный процесс); взаимодействие электронов и дырок с адсорбированными молекулами (этот процесс определяет эффективность катализатора). В качестве фотокатализатора часто применяется диоксид титана TiO₂ в следующих модификациях: рутила, который наиболее стабилен в виде наночастиц крупнее 35 нм, анатаза (наиболее эффективный для генерирования реакционноспособных органических соединений) в виде наночастиц менее 11 нм [1]. Уменьшение размеров частиц катализатора до наноуровня замедляет скорость рекомбинация электронов и дырок и увеличивает скорость действия фотокатализатора. Наиболее эффективно применение нанотрубок TiO₂ и допирование наночастиц TiO₂ благородными металлами. Другим направлением интенсивных исследований является расширение спектра возбуждения катализатора до области видимого света путем допирования наночастиц TiO₂ металлами, сенсибилизаторами, анионами (азотом). К катализаторам, активация которых возможна видимым светом (длина волны менее 450 нм), относятся оксид вольфрама WO₃ и производные фуллеренов. Усиление каталитической активности наночастиц WO3 достигается при их допировании Pt. Осуществлен синтез аминофуллеренов, генерирующих высокореакционные кислородные соединения (синглетный кислород О₂) при облучении видимым светом (менее 550 нм), способные разрушать лекарственные препараты и инактивировать вирусы. В качестве фотокатализаторов команда ученых из Федеральной политехнической школы Лозанны разработала систему на основе металлоорганических соединений МОС. [2] Металлоорганические соединения (МОС) обладают высокой пористостью, удивительными оптическими и электронными свойствам. Разработанный материал состоит из дешевого фосфида никеля (Ni2P) и обеспечивает эффективный фотокатализ при видимом свете. Данное МОС производит два типа фотокатализа одновременно: производство водорода и очищение воды от загрязнителей. Первый тип фотокатализа (производство водорода) связан с реакцией «расщепления воды», молекулы воды диссоциирует на водород и кислород. Полученный водород можно применять в качестве топлива. Второй тип фотокатализа − деградация органических загрязнителей: разрушение загрязнителей, присутствующих в воде. В Университете Вашингтона в Сент-Луисе (США) разработали новую технологию, которая использует бактерии для очистки воды от других бактерий, где основа фильтра ‒ нановолокна целлюлозы, вырабатывающие бактерии Gluconacetobacter hansenii. Для увеличения прочности и долговечности в структуру включены чешуйки оксида графена. При воздействии света графеновые чешуйки выделяют тепло, которое убивает бактерии на поверхности фильтра и в окружающей воде. Это позволяет не только очистить воду, но и предотвратить обрастание мембраны бактериальными биопленками. Фильтр быстро нагревается до 70 ºС, чего достаточно для разрушения клеточной стенки многих бактерий, в том числе кишечной палочки E.coli. На весь процесс уходит всего три минуты. По словам авторов разработки, новый фильтр очищает воду в два раза быстрее, чем доступные аналоги. Среди других его преимуществ- долговечность и экологичность. Исследователи уверены, что распространение технологии облегчит жизнь гражданам развивающихся стран, где многим не хватает чистой воды. Каждый десятый житель Земли не имеет доступа к чистой питьевой воде, и по мере климатических изменений эта проблема только усугубится.[4] 3.3. Очистка с помощью метода электрохимической активации В настоящее время на мировом рынке появились установки нового поколения в которых очистка воды производится электрохимическим и каталитическим способами. Водоочистители адсорбционного, ионообменного, мембранного и адсорбционно-мембранного типа задерживают микроорганизмы, которые размножаются на внутренних поверхностях установок, в порах сорбентов, на поверхности фильтрующих мембран. Даже в тех случаях, когда выход из адсорбционной или мембранной системы водоочистной защищен противомикробным фильтром, бактерии могут размножаться на выходной поверхности противомикробного фильтра и на внутренних поверхностях выходных магистралей, что является фактором эпидемиологического риска. Поэтому адсорбционные, ионообменные, мембранные и комбинированные бытовые водоочистительные системы непригодны для работы с водой, небезопасной в микробиологическом отношении. Адсорбционные устройства для доочистки питьевой воды (чаще угольные) имеют ограниченную сорбционную емкость, которая заполняется со скоростью, зависящей от уровня загрязнений в исходной воде: чем сильнее загрязнена вода, тем быстрее исчерпываются функциональные возможности сорбента. После того как все сорбционные места в порах сорбента заняты различными веществами (адсорбатами), начинается процесс их десорбции. Этот процесс ускоряется при бактериальном заражении установки. В результате качество воды, проходящей через отработанный сорбент, ухудшается в еще большей степени. В зависимости от индивидуальных условий выход из строя угольного водоочистителя по указанным причинам может наступить в сроки от нескольких дней до нескольких месяцев. Следовательно, здесь необходим частый контроль качества воды и при необходимости смена картриджа, а это не всегда возможно по организационным и экономическим причинам. Кроме того, угольные сорбенты и ионообменные смолы плохо удаляют из воды соединения тяжелых металлов и избыточные минеральные компоненты. Мембранные фильтры тонкой очистки согласно рекламным данным задерживают 90-95 % всех находящихся в воде элементов и соединений, в том числе необходимые для человека и животных микро- и ультрамикроэлементы (кальций, магний, калий, натрий, литий, серебро, фтор, йод и другие). Как известно дистиллированная вода минерализацией менее 0,01 г/л заведомо непригодна для питья. Регулярное употребление деминерализованной воды с содержанием солей менее 0,1 г/л обуславливает физиологический дефицит полезных микро- и ультрамикроэлементов, что отрицательно сказывается на состоянии здоровья населения некоторых регионов с низкоминерализованной водой и у полярников, пьющих снеговую воду. В соответствии с ГОСТ 2874-82 минерализация питьевой воды не должна превышать 1,0 г/л. Во многих городах России минерализация питьевой воды 0,2 - 0,5 г/л, после очистки ее методом обратного осмоса или ультрафильтрации потребитель получит воду с концентрацией солей 0,01 - 0,05 г/л. Следовательно существующие системы мембранных водоочистителей, которые пропускают "только воду", создают риск патологии, связанной с потреблением чрезмерно обессоленной воды. Дефицит микро- и ультрамикроэлементов в организме может быть скорректирован специальной диетой. Однако некоторые микро- и ультрамикроэлементы воды практически незаменимы. При работе с водой минерализацией 0,1 - 0,5 г/л через электрохимический реактор проходит ток силой 0,3 - 0,4 А. В этом случае общая минерализация обработанной воды почти не меняется, ионы тяжелых металлов переходят в форму нетоксичных и труднорастворимых гидроксидов и гидроксидоксидов, микробы, находящиеся в воде, разрушаются, органические вещества, а также неорганические токсические соединения (в том числе нитраты и нитриты) подвергаются анодной окислительной деструкции. Сильные неорганические окислители (в том числе хлор) и сверхактивные радикальные частицы инактивируются в реакционно-вихревой и каталитической камерах. В зависимости от типа установки очищенная вода меняет величину ОВП, при этом кислотно-щелочные характеристики очищенной воды близки к нейтральным значениям (рН = 7). Высокий ОВП и ряд других физико-химических условий в анодной камере электрохимического реактора исключают образование токсических хлорорганических веществ и обеспечивают полную окислительную деструкцию диоксинов, если они содержатся в водопроводной воде. Физиологически полезные микро- и ультрамикроэлементы (кальций, калий, магний, литий, фтор и другие) не образуют под влиянием электрохимической обработки нерастворимых соединений и остаются в составе питьевой воды. По данным лаборатории фирмы Oaklend Calvert Consaltants, Ltd (Engl.) при содержании в исходной воде ионов серебра 68 мкг/л в очищенной воде содержание ионов серебра составило 56 мкг/л, то есть потерь серебра не было. В то же время токсичные ионы металлов (меди, железа, олова, алюминия, ртути, цинка, хрома удалялись на 85-99,9%. Присутствующие в воде радионуклиды также превращаются в формы нерастворимых соединений, которые частично оседают на катоде и удаляются при промывании установки. Если эти соединения попадают с водой в желудочно-кишечный тракт, то они не всасываются в кровь и удаляются из кишечника естественным путем. Естественное свойство полезных для организма микро- и ультрамикроэлементов состоит в том, что в результате окислительно-восстановительных реакций они не участвуют в образовании труднорастворимых или нерастворимых комплексов. Это увеличивает вероятность участия этих элементов в биохимических реакциях и делает их совместимыми с организмом. По этой же причине полезные элементы не образуют нерастворимых комплексов при электрохимической обработке и сохраняются в очищенной воде в ионизированной форме. В то же время элементы легко вступают в химические комплексы, в том числе с белковыми соединениями. Как правило они денатурируют белок и поэтому токсичны. Однако по причине склонности вступать в комплексы токсичные элементы при электрохимической обработке переходят в нерастворимые и безопасные для организма формы. Избирательное сохранение в воде полезных ионов и удаление вредных - уникальная естественная особенность электрохимических водоочистителей. Гидроксиды и гидроксидоксиды тяжелых металлов могут растворятся в крепких кислотах, в том числе в соляной кислоте. Соляная кислота в норме присутствует в желудочном соке. Но желудочный сок сам по себе или в присутствии перевариваемой пищевой массы представляет собой сложную органическую среду, содержащую белки и полисахариды. Эти соединения играют роль внутренних адсорбентов (энтеросорбентов), которые легко связывают молекулы гидроксидов и гидроксидоксидов. В таком виде гидроксиды и гидроксидоксиды тяжелых металлов защищены от действия соляной кислоты. Поэтому они не растворяются в желудке, а затем выводятся из организма естественным путем. Аналогичным образом наши внутренние сорбенты связывают хлопья солей жесткости, оксидов железа. Эти компоненты практически безвредны для организма. Однако их присутствие в питьевой воде меняет ее вкус и нежелательно по эстетическим соображениям. Избавиться от хлопьев солей жесткости или ржавчины можно только с помощью фильтрации. Электрохимическая обработка в этом случае малоэффективна. При работе с водой, содержащей хлопьевидные взвеси, фильтры тонкой очистки воды быстро забиваются и выходят из строя. Суммарное количество органических соединений в воде после электрохимической очистки уменьшается на 1/3. В загрязненной питьевой воде большую опасность представляют гидрофобные токсины. В результате анодного окисления эти токсины переходят в относительно безвредные гидрофильные формы, которые легко удаляются из организма с физиологическими выделениями. Таким образом, электрохимическая очистка воды при правильной эксплуатации обеспечивает: -обеззараживание воды; -эффективное удаление или инактивацию токсических элементов и соединений; -удаление избыточных концентраций солей и компонент твердого осадка; -направленное изменение ОВП и активацию воды при сохранении нейтральных кислотно-щелочных характеристик; -сохранение нормального количества биологически полезных микро- и ультрамикроэлементов. Ряд элементов и соединений в процессе электрохимической обработки подвергаются трансформации и остаются в воде в измененном виде. Интенсивное окислительно-восстановительное воздействие лежит в основе универсального механизма разрушения различных химических ядов. При этом образуются промежуточные менее токсичные или нетоксичные продукты. Очистка воды в таких реакторах основана на использовании процессов окисления и восстановления, благодаря которым разрушаются и нейтрализуются все токсические вещества в природе. В таких установках природные процессы естественной окислительно-восстановительной деструкции и нейтрализации токсических веществ ускоряются многократно за счет прямых электрохимических реакций, а также благодаря участию в процессах очистки электрохимически синтезированных из самой очищаемой воды и растворенных в ней солей высокоактивных реагентов: озона, атомарного кислорода, пероксидных соединений, диоксида хлора, короткоживущих свободных радикалов. Это обеспечивает высокую эффективность и экологическую безопасность процесса очистки воды в сравнении с другими известными методами Очистка и обеззараживания воды на основе электрофизической ионизации В настоящее время ощущается нехватка и уменьшение в будущем запасов чистой воды. Поэтому сохранение и увеличение запасов чистой воды является актуальной задачей. Известны более 2000 способов очистки воды. К очистке воды с помощью процессов, происходящих на атомном уровне, можно отнести химические методы очистки воды. В этих методах очистка воды производится на основе известного расхода используемого вещества и их применения. Поэтому при очистке воды направления использование веществ и уменьшения человеческого труда целесообразны. Этим направлением очистки воды можно отметить предлагаемый нами способ электрофизической ионизации [6]. Известно, что энергия ионизации соответствует работу выхода электрона, т. е. энергии необходимой, для того чтобы удалить электрон из молекулы воды на бесконечность. Каждый химический элемент обладает потенциалом ионизации. Поэтому, зная потенциал ионизации химического элемента можно возбудить его атом при подаче соответствующего внешнего напряжения. Эксперименты по очистке воды с использованием электроионизационного (электроактивационного) метода и последующий анализ качества очищенной воды показывают, что бактерицидное действие электрического поля в воде проявляется отчётливо уже при энергии 1,63 эВ, то есть при энергии 2,61 10-19 Дж. При более высоких энергиях электрического поля бактерицидное действие проявляется во всём генерируемом диапазоне электрической энергии. Электрическое поле эффективно разрушает всех бактерий, вирусов и других видов микроорганизмов, присутствующих в природных и сточных водах. Для достижения необходимого обеззараживания воды электрическим полем требуется несколько секунды, тогда как при обработке хлором и озоном тратится от 15 до 30 минут. Эффект обеззараживания воды достигается при малых энергиях электрического поля, но кроме обеззараживания важно добиться электронно-химической трансформации многих загрязняющих веществ. Принцип электроактивационной очистки воды от загрязняющих её примесей состоит в том, что под действием электронов, обладающих достаточной энергией, происходит радиолиз воды по схеме: H2 O + быстрые электроны = H2 O+ + e -, H2 O+ + H2 O = H3 O+ + OH, где OH - гидроксильный радикал, который является сильнейшим окислителем. Далее: e - +( H2 O)n = e- , где e- - электрон в сольватной оболочке, который с высокой эффективностью восстанавливает окислы. При прохождении электрического тока через очищаемую воду основным очищающим эффектом является результат воздействия активных агентов, т.е. гидроксильного радикала и электрона в сольватной оболочке, на примеси. В воде, например, могут протекать реакции восстановления и окисления: Fe3 + e- = Fe2+ , Cu2+ + e- = Cu+ , OH + 2Cl = 2OH- + Cl2 . В результате восстановленные металлы выпадают в осадок, а газообразные соединения улетучиваются из воды. Те активные химические реагенты, которые образуются в воде при электроактивации, воздействуют на микроорганизмы и бактерии, уничтожают их, т.е. происходит стерилизация очищаемой воды. Установлено, что при этом не образуются новые токсичные вещества. Основной элемент электроактиватора - набор плоскопараллельных железных пластин (анодов и катодов). В зависимости от объёма очищаемой воды, может быть один или несколько блоков электроактиваторов. Удельные затраты электроэнергии могут быть снижены за счёт оптимизации размеров электродов и расстояния между ними, а также плотности тока в зависимости от степени загрязнения раствора. Таким образов в основе метода лежит процесс анодного растворения металлов под действием проходящего через жидкость электрического тока. Перешедшие в воду катионы металла (алюминия, железа и др.) гидролизуются с образованием гидроксидов металлов и служат активными коагулянтами для коллоидно-дисперсных примесей. В результате взаимодействия частиц примесей с частицами электрогенерированного коагулянта образуются агрегаты частиц, которые в зависимости от плотности тока выпадают в осадок или всплывают на поверхность жидкости в виде пены. При электроактивации водных растворов большую роль играет материал анода. Мы разработали и изготовили электроактиваторы с железными и алюминиевыми анодами. Эксперименты показали более высокую эффективность железных электродов. После электроактивационной очистки воды образуются осадки, состоящие из гидроксидов металлов преимущественно железа. Перед нами стоит задача разработки технологии формирования анодов для их использования в электроактивационных устройствах и выявления влияния различных примесей, добавок на электрические свойства активной массы. Очистка воды данным способом имеет ряд преимуществ: -при электрофизической ионизации конструкция установки очистки воды очень простая (состоит из алюминиевых колец) и надежная в работе; -установка очистки воды небольшого размера, отличается легкостью и удобством перестановки и перемещения; -процессы очистки воды производятся на наноуровне; -потребление электроэнергии небольшое; -необходимую для установки очистки воды электрическую энергию можно вырабатывать на установке электрофизической ионизации жидкого раствора; -для ионизации 1 литра воды в 1 секунду расходуется алюминиевый электрод с площадью поверхности 1 м2 (считая для одного электрода); -удобство изменения объема устройства очистки воды при любой скорости воды; -возможность очистки любой массы воды в секунду посредством получения при электрофизической ионизации нового осадочного вещества из веществ в составе воды, увеличивая количество или высоту алюминиевых колец в устройстве очистки воды; -возможность применения полученного при очистке воды электрофизической ионизацией новых осадочных веществ в качестве сырья. Наряду с этим, используя устройства электроионизационной очистки питьевой воды, можно определить количества ионизированных атомов в различных химических элементах, имеющихся в воде в 1 секунду и массу твердых осадков, полученных в процессе ионизации. Многие люди по всему миру не имеют доступа к чистой воде, и по-прежнему существует жизненно важная потребность в обеспечении сообществ питьевой водой. Морская вода и другие соленые или скомпрометированные источники воды часто легко доступны, но эти источники, как правило, непригодны для потребления, учитывая их высокие концентрации солей, микробов, токсичных металлов и других загрязняющих веществ. Такие источники воды должны быть очищены, прежде чем их можно будет использовать. Несколько исследовательских групп из Центра «Нанотехнологическая очистка воды» (NEWT) работают над решением этих актуальных проблем. Финансируемый Национальным научным фондом США, Центр состоит из исследователей из Университета Райса, Университета штата Аризона, Йельского университета и Техасского университета в Эль-Пасо, обладающих опытом, охватывающим различные дисциплины, включая экологическую инженерию, химическую инженерию, материаловедение, химию и физику. Видение NEWT заключается в обеспечении доступа к воде подходящего качества практически в любой точке мира путем разработки модульных систем очистки следующего поколения, простых в развертывании, поддерживаемых нанотехнологиями. Мембранная дистилляция Один из методов очистки воды, который исследователи NEWT работают над улучшением, называется «мембранная дистилляция». В процессе мембранной дистилляции горячая соленая вода пропускается через мембрану с одной стороны, в то время как холодная пресная вода течет с другой стороны мембраны. Мембрана пористая, но разделяет потоки соленой и пресной воды. Разница температур через мембрану и между двумя потоками заставляет горячую воду со стороны соленой воды испаряться через мембрану и соединяться с более холодным потоком пресной воды. Процесс не требует использования химических веществ и, в целом, отделяет воду от растворов соленой воды. Миграция водяного пара со стороны соленой воды на сторону пресной воды происходит в большей степени, когда разница температур через мембрану выше. Когда температура соленой воды высока, степень испарения также высока. Точно так же, когда температура пресной воды низкая, степень конденсации также высока. Однако эти факторы обнаруживают неотъемлемое ограничение мембранной дистилляции. Акт испарения снижает температуру горячей стороны соленой воды, а конденсация повышает температуру холодной стороны пресной воды. Мембрана также передает часть тепловой энергии со стороны соленой воды на сторону пресной воды. Эти и другие факторы, связанные с температурой, впоследствии уменьшают разницу температур через мембрану, тем самым уменьшая объем воды, которая может мигрировать через нее. Чтобы максимизировать миграцию водяного пара, необходимо поддерживать большую разницу температур через мембрану. Исследователи из Центра нанотехнологической очистки воды (NEWT), штаб-квартира которого находится в Университете Райса, разрабатывают передовые технологии очистки воды, которые могут обеспечить сообществам доступ к чистой и безопасной питьевой воде. Устойчивая очистка воды: использование энергии Солнца Поддержание разницы температур может быть достигнуто путем нагрева самой мембраны. Исследователи из Центра Ньюта обнаружили, что, добавив слой, который может поглощать солнечную энергию, к поверхности мембраны со стороны соленой воды, а затем направляя солнечный свет на этот слой, они смогли увеличить количество передаваемого водяного пара. Таким образом, новая технология команды, называемая «nanophotonics enabled solar membrane distillation» (NESMD), может питаться локально, используя свободную, чистую и широко доступную энергию Солнца. В технологии NESMD команды слой на мембране, поглощающий солнечный свет, называется «сажей» – веществом, похожим на активированный уголь. Солнечный свет направляется через массив линз на слой сажи, который поглощает почти все частоты видимого света, передавая энергию в виде тепла мембране. NESMD относительно дешева в эксплуатации, поскольку любой потенциальной установке очистки воды не нужно будет нагревать весь объем соленой воды. Исследователи NEWT надеются, что их экологически чистый процесс очистки может быть применен в разных масштабах – от целых сообществ до отдельных домохозяйств, многие из которых не будут подключены к национальной сети. Команда также исследовала другие энергопоглощающие материалы для NESMD. В одном исследовании они применили «кремнезем», основной компонент песка и стекла, покрытый золотом, к поверхности мембраны. Исследователи обнаружили, что материалы сажи поглощают больше высокоэнергетического излучения в солнечном свете, включая синий и фиолетовый свет, тогда как материалы кремнезема-золота поглощают больше низкоэнергетического излучения, соответствующего красному и желтому свету. Обе мембранные композиции NESMD работают более эффективно, чем обычные мембраны, поддерживая разницу температур, необходимую для продления испарения. Для применений, требующих больших объемов воды 24 часа в сутки, таких как промышленное применение, исследователи NEWT также разработали «мембраны двойной мощности». Эти мембраны используют энергию непосредственно от солнечного света, когда они доступны, а затем работают на электричестве ночью. Одна команда исследователей NEWT разработала мембрану двойной мощности, состоящую из нанослоя нитрида бора на проволочной ткани из нержавеющей стали, которая демонстрирует превосходную производительность, что делает ее пригодной для промышленного применения. Другая группа исследователей изготовила плотную непористую мембрану «первапорации» из полимера Nexar ™. Команда обнаружила, что их мембрана обладает характеристиками разделения солей, превосходящими коммерческие мембраны первапорации и эквивалентными коммерческим мембранным дистилляционным мембранам. В другом исследовании ученые NEWT использовали отходы яичной скорлупы для разработки высокоэффективной мембраны с двойной мощностью. В частности, они использовали мембрану яйца, находящуюся прямо внутри скорлупы, пористая структура которой эффективно позволяет избирательно перемещать воду в яйцо и из него во время инкубации и вылупления. При производстве продуктов, содержащих яйца, эти мембраны часто выбрасываются вместе со скорлупой. Поэтому в сочетании с использованием возобновляемой энергии солнца технология команды представляет собой еще более экологически чистое и устойчивое решение для очистки воды. Селективное удаление ионов В дополнение к своим усилиям по удалению общих солей из воды исследователи NEWT также работают над методами удаления загрязняющих ионов, которые гораздо менее распространены, чем обычные соли. Например, нитрат и хромат являются отрицательно заряженными ионами, которые вызывают ряд проблем со здоровьем человека. Сульфатные и кальциевые ионы, хотя и нетоксичны в типичных концентрациях, могут образовывать твердые отложения, которые покрывают поверхности и вызывают ряд проблем в домах и промышленных процессах. Удаление этих ионов является сложной задачей, поскольку высокообильные ионы поваренной соли мешают процессам очистки. Разработка устойчивых технологий очистки воды: В дополнение к своим усилиям по удалению общих солей из воды исследователи NEWT также работают над методами удаления загрязняющих ионов, которые гораздо менее распространены, чем обычные соли. Большинство методов удаления кальция включают химическую обработку. Таким образом, исследователи NEWT хотели разработать альтернативный метод, который может избирательно удалять ионы кальция из воды, используя процесс, известный как «электросорбция». Во время электросорбции ионы, которые имеют заряд, противоположный заряду электрода, притягиваются к электроду, удаляя эти ионы из воды. Затем заряд на электроде изменяется, высвобождая ионы в поток соленой воды, который будет удален. Исследовательская группа разработала нанопокрытия. При нанесении на поверхность электрода они позволяют кальцию приближаться к электроду быстрее, чем мешающие общие ионы. Это делает поверхность электрода высокоселективной к ионам кальция и обеспечивает очень эффективный метод удаления ионов кальция. В нескольких других исследованиях исследовательские группы NEWT разработали электроды, которые могут удалять отрицательно заряженные ионы, включая сульфат. Некоторые соли сульфат-ионов очень нерастворимы в воде, и со временем они могут способствовать образованию накипи в воде. При более высоких концентрациях сульфат-ионы могут даже превращаться бактериями в сероводород. Сероводород является токсичным газом, и его производство особенно проблематично в нефтегазовой промышленности, где сульфат и бактерии в изобилии присутствуют в воде, используемой при добыче и переработке сырой нефти. Исследователи продемонстрировали эффективное и селективное удаление сульфат-ионов из воды с использованием новых наноэлектродных материалов в процессе электросорбции. Используя аналогичный подход, ученые NEWT также провели исследования по селективному удалению отрицательно заряженного иона, называемого хроматом. Это высокотоксичное химическое вещество может вызывать рак и является широко распространенным загрязнителем подземных вод. В своем исследовании исследователи создали электрод из типа графена под названием “восстановленный оксид графена”, на котором они выращивали нанокристаллы кобальтсодержащего соединения. Применение положительного напряжения к проводящему графеновому материалу позволило ему притягивать отрицательно заряженные хромат-ионы, в то время как нанокристаллы могли бы эффективно улавливать ионы на месте. Приложив отрицательное напряжение к электроду, исследователи смогли выпустить хромат в поток соленой воды для утилизации. Дезактивация микробов Безхимическая дезактивация микробов в воде является еще одной важной частью исследовательского портфеля NEWT. Кипячение больших объемов воды для уничтожения бактерий считается неэффективным. Вместо этого команда разработала метод успешной дезинфекции воды, который использует золотые наностержни или сажу для направления солнечной энергии в воду. Это приводит к локализованному нагреву воды, который впоследствии убивает близлежащие микробы. Следуя другому подходу, другая команда исследователей NEWT разработала оптические волокна с ультрафиолетовым излучением, которые могут дезинфицировать текущую воду и предотвращать рост биопленок на поверхностях, которые в противном случае могли бы содержать патогены, такие как легионелла. Нанося слой наночастиц кремнезема на поверхность каждого оптического волокна, исследователи могут заставить бактерицидный ультрафиолетовый свет рассеиваться со стороны волокна, как светящаяся палочка. После тестирования их технологии на E. Coli и другие бактерии команда смогла эффективно убить более 99% бактерий в образцах воды и в слизистых биопленках, растущих на поверхностях. ЗаключениеСитуация с качеством воды в водных объектах продолжает оставаться неблагоприятной, в первую очередь вследствие сбросов промышленных и бытовых сточных вод, поверхностных стоков вод с сельскохозяйственных угодий. Для очистки сточных вод используются различные физические, химические и биологические процессы очистки. В настоящее время различные нанотехнологии процесса очистки сточных вод широко изучаются исследователями, поскольку они приобретают потенциальные преимущества, такие как низкая стоимость, высокая эффективность удаления вредных микроорганизмов и рекуперации загрязняющих веществ, позволяющие повторное безопасное использование сточных вод. В данном аспекте нанотехнология рассматривается в качестве экономичного, удобного и экологически безопасного средства рекультивации сточных вод. Различные типы наночастиц, такие как наноразмерные металлы, оксиды металлов, нуль-валентные ионы, нанофильтрационные мембраны, доказали свою неоспаримую эффективность в обнаружении, удалении или разрушении всех видов загрязняющих веществ и могут заменить устаревшие технологии хлорирования вод, которые до сих пор используются как на станциях водоподготовки, так и на очистных станциях (сооружениях) отдаленных военных городков. [5] Использование таких технологий позволяет создавать установки принципиально нового поколения для приготовления питьевой воды высшего качества и контроля ее параметров на основе активации химически чистой воды, ее минерализации и оперативного контроля ее свойств.Список использованных источников1. Абдуллин И.Ш. Тенденции развития рынка композиционных полимерных мембран. / Абдуллин И.Ш., Ибрагимов Р.Г., Зайцева О.В, Парошин В.В. // Журнал Вестник Казанского технологического университета. 2013г. 2. Березин И.И. Региональные особенности химического состава питьевой воды хозяйственно-питьевого водоснабжения города Самары. / Березин И.И, Мустафина Г.И. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 13, №1(8), 2011. 3. Ландырев А.М. Повышение эффективности работы микропористой мембраны в системах водоподготовки промышленных предприятий. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук РХТУ им. Менделеева. 2016г. 4. Назаров В.Д. Очистка природных вод от бария и солей жесткости. / Назаров В.Д., Назаров М.В., Осипова А.А., Димов К.В., Дремина М.А. // Журнал Градостроительство и архитектура Т.7, №2, 2017г. 5. Менон А.К., Гупта Б.К. Нанотехнологии: перспектива хранения данных, наноструктурированные материалы, 2019. 6.Нурканов Ж.Е. Перспективные мембранные технологии для очистки и повторного использования сточных вод при модернизации канализационных очистных сооружений. // Водные ресурсы и водопользование, 2007, №4 (39). 7.Павлинова И.И. Совершенствование методов биотехнологии в строительстве и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения: аналит. исслед. / И.И.Павлинова, Л.С.Алексеев, М.А.Неверова; М-во образования и науки Росс. Федерации, Моск. гор. строит. ун-т. Москва : МГСУ, 2014. 152 с. (Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ). 8. Справочник по современным технологиям очистки природных и сточных вод и оборудованию / Отдел по датскому сотрудничеству в области окружающей среды в Восточной Европе (ДАНСЕЕ); Министерство природных ресурсов Российской Федерации. – М., 2001. – 254 с. 9.https://www.voda.ru/articles/nanotehnologiiochistkivodyhttp://www.nanonewsnet.ru/news/2018/razrabotan-material- ochishchayushchii-rasshcheplyayushchii-vodu 1 2 |