Наноматериалы и их свойства

Введение

Наноматериалы с их уникальными свойствами уже  сейчас находят широкое применение во многих производствах, связанных  с охраной окружающей среды. В  охране  окружающей  среды  применяются  наноанализаторы  газов  и  жидкостей,  наноочистители  воздуха  и  воды,  наносредства  переработки  отходов.

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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нанофильтры

Современный арсенал методик обеспечивает многое, к примеру, известная теория нанотехнологий Дельта-фильтрования (суть её - в упорядочении раскладки окатанных зёрен песчаной загрузки в завершении промывки фильтра, придании этим фактом главенствующей роли в фильтровальном извлечении примесных микро- и наночастиц из воды не площади внутренней поверхности загрузки, а особой форме пор вокруг точек взаимного контакта зёрен песка и частиц в образующейся среде нанопористых отложений, где микро- и наночастицы фиксируются приумноженными силами адгезии и аутогезии). Такому расчёту хорошо поддаются "нашумевшие" бытовой "нанофильтр фильтр-воронка" и другие УСВР-фильтры В.И. Петрика, а также их модификации "Геракл", "Серебряная формула", "Золотая формула" и прочие для доочистки водопроводной воды в домах, детских садах, школах..., для очистки жидких радиоактивных отходов. Зная необходимые исходные данные, особенно легко проверить фильтры в главном: на соответствие критерию работоспособности и нанометрическому классу, назовём его "Нанофильтры" (поры в поперечном сечении не более 100 нм). Исходные данные известны по материалам сайта В.И. Петрика и другим "публикациям", которыми насыщен Интернет. Это - габариты, производительности и некоторые вспомогательные параметры. Важным является огромное разнообразие крупности и формы частиц в УСВР, аналогичное разнообразию минеральных частиц размерами меньше 1 мкм в глинах.

    Простейший  инженерный расчёт развенчивает нашумевший блеф «Нанофильтров XXI века» для  очистки воды на основе порошковых нанопористых материалов - в целом, а не только "нанофильтров" "Геракл", "Серебряная формула", "Золотая  формула" и прочих. Всеобщая эйфория с грандиозными нанопорошковыми посулами в очистке воды не имеет никакого теоретического и практического основания. Переходить же на нанопористые плёнки с целью снижения потерь напора воды для работы фильтр-воронки в нанометрическом режиме, это означает уйти от объёмного, адсорбционного фильтрования жидкостей к механическому процеживанию через мембраны, как делали с молоком ещё "пещерные" люди и делают домохозяйки на деревне, используя марлю (Ученые из Рочестерского университета, штат Нью-Йорк США, создали пористую мембрану-фильтр специального назначения толщиной в 50 атомов. Это в 4 тысячи раз тоньше человеческого волоса диаметром ~0,1 мм и в тысячи раз - существующих аналогов. Потери напора на таком американском фильтре ничтожны.

    ВЫВОД 1. "Нанофильтр фильтр-воронка" и прочие из УСВР В.И. Петрика - "Геракл", "Серебряная формула", "Золотая формула"... для доочистки водопроводной воды в домах, детских садах, школах..., а также очистки жидких радиоактивных отходов, не отвечают критерию работоспособности. 

    "Нанофильтр  фильтр-воронка" (и другие на  том же принципе - "Геракл", "Серебряная  формула", "Золотая формула"  и пр.), обладающий свойством "самозапирания" (согласно рекламам), когда из  него перестаёт течь вода якобы  вследствие накопления в нём грязи, запирается по другой причине, а именно, усадки и постепенного уплотнения под действием потока воды чересчур мелкозернистого, но рыхлого вначале, пухообразного материала фильтра. Он запирается в "момент", далеко-далеко не уплотнившись до нанометрических пор (почему? - это классика фильтрации). А рекламное утверждение о том, что фильтр пропускает полезные вещества для организма человека и вредные задерживает, указывает на неработоспособность фильтрующего "наноматериала" как адсорбента. То есть "нанофильтр фильтр-воронка" (и др. на том же принципе) представляет собой примитив с крупнопористым материалом, да ещё... "не кстати" уплотняющийся, и с др. недостатками.

ВЫВОД 2. "Нанофильтр фильтр-воронка", а также "Геракл", "Серебряная формула", "Золотая формула" и пр. для очистки воды со своими начальными гигантскими "нанопорами" 36500 нм никак и ни в какой момент фильтрации не подпадают под класс гипотетических нанофильтров с нанопорами не более 100 нм. Поэтому «нанофильтры фильтр-воронка" и пр. воду не очищают, как очищали бы нанофильтры. Но для того, чтобы настоящие нанофильтры такого типа были работоспособными, нужны колоссальные напоры воды перед ними, измеряемые десятками километров водяного столба с вытекающими из этого техническими и экономическими трудностями. В принципе лучше продавливать воду через кусок деревянной доски - эффект будет полезнее.

Все перечисленные так называемые "нанофильтры" на основе графитовых "пушистых" тонкозернистых порошков, из которых  действительно течёт вода, являются бутафорией с неадекватным использованием бренда "нанофильтр".

На основе одной из ключевых публикаций в Интернете  с обстоятельной, но противоречивой характеристикой порошковых "нанофильтров" академика РАЕН В.И. Петрика "Геракл" и прочих - mera.com.ru/2006/04/25/nanotehnologii-xxi-veka-v-ochistke-vodyi, делались замечания на форумах о возможности поглощения из питьевой воды фильтрующей загрузкой УСВР ценных для организма человека микроэлементов (микронутриентов), если УСВР обладает в режиме фильтрации высокой поглотительной способностью. Однако изменений в характеристике, что микронутриенты проходят через УСВР, по настоящее время не произошло. А независимые испытания показывают сильное поглощение микронутриентов УСВР-фильтрами.

Было  высказано также предположение, что возможна отдача в питьевую воду веществ, осуществляющих деструкцию графита. Следом же производители приписали УСВР благоприятное обогащение питьевой воды йодом и калием, входящими в одно из токсичных взрывных веществ (перечислены в патенте В.И. Петрика RU 2163840: галоген-кислородные соединения, имеющие формулу МХОn, где М - одно из химических веществ ряда: Н, NH4, Na, K; X - одно из химических веществ ряда: Cl, Br, J; a n = 1-4; одним из них, надо полагать, является токсичный йодат калия KJO3, поступающий в воду в нестабильных количествах при переменном режиме работы "нанофильтров").

    Третье  замечание (август, 2007) заключалось  в возможности опасного для быта накопления в УСВР радиоактивных  веществ из питьевой воды. Так оно и есть. Независимые испытания показали недопустимо высокое их накопление УСВР-фильтрами, например стронция. Поэтому в обычных нестационарных условиях работы водопроводов возможны залповые вымывы радионуклидов в питьевую воду из углеродных фильтров. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    НАНОКАТАЛИЗАТОРЫ

    Наночастицы в растворах или вместе с мембранами могут оказать заметное влияние  не только на перемещение загрязняющих веществ, но и на химическую деградацию. В настоящее время ученые интенсивно исследуют роль нанокатализаторов  в деле защиты окружающей среды, поскольку каталитические реакции могут заметно удешевить методы очистки воды.

    Например, огромное значение имеет очистка  грунтовых вод от пестицидов. Однако часто для каждого типа загрязняющего  вещества требуется отдельный катализатор  и определенная стратегия очистки.

Специализированные  наноматериалы могут ускорить очистку  и сделать ее более эффективной.

    Доктор  Дэниэл Р. Стронгин (Daniel R. Strongin), профессор химии из Университета Тэмпл в Филадельфии (США), использует белковые структуры для проектирования и сборки наночастиц на основе оксидов металлов. Он считает, что такие наночастицы можно применять в качестве нанокатализаторов для защиты окружающей среды.

    Стронгин  с коллегами изучает химические реакции, которые могут способствовать сгущению опасных металлов или выделению их из раствора, предотвращая их распространение в грунтовых водах или просачивание в почву. Экспериментируя с токсичным хромом, ученые создали наночастицы, которые вступают в реакцию с хромом.

    В комбинации с наночастицами  хром уже не растворяется в воде и легко отфильтровывается. Этот метод позволяет гораздо эффективнее очищать воду озер, рек и ручьев от загрязнения.

    Группа Стронгина работает и  над созданием других наночастиц, способных реагировать с токсичными  металлами, например технецием,  которым загрязнено несколько мест в штате Вашингтон (США). Дело в том, что в 1940—1950-е гг. там были захоронены большие емкости с ядерными отходами. С течением времени в них образовались бреши, которые грозят загрязнением грунтовых вод. В отличие от обычных макрочастиц, наночастицы позволили бы ученым гораздо эффективнее справиться с таким загрязнением. 
 
 
 
 
 
 
 

  Наносорбент   

В 1990 году группой Севастопольских ученных были разработаны и стабильно на практике получены субмикронные фракции препаратов, получивших название Сорбент «Синкопа» – ныне наносорбенты «Синкопа» (ТУ-551-М-Д-16328228–001–93). 

   Сорбенты “Синкопа” изготавливаются из органогенного известняка и морских водорослей (См. анализ на электронном микроскопе ОАО «Selmi», г.Сумы, Украина).

    Способ получения сорбента и устройства для его реализации запатентованы НИИГПЭ г.Москва, решение о выдаче патента на изобретение по заявке №93052778/26 от 12.03.1993 г. Применение сорбента защищено патентом Украины – заявка на выдачу патента №97084345 от 22.08.1997 г. Приоритетность подтверждена патентными исследованиями, в качестве близких аналогов представлены:

Франция Патент № 2350303 кл. С02F 1/20 1978

Англия Патент №1391174 кл. C/C (C02C 5–02) 1975 

США Патент №4042498 кл. 210–26 (C02B 1–14) 1977

Япония Патент №49–27380 кл. C02C 5/02 1974

ФРГ Патент №2845975 кл. BO/Д 39/16 1974

Швейцария Патент №556681 кл. В/Д 39/16 1974

СССР А.С. Патент №1173600 кл. С02F 1/28 1986

СССР А.С. Патент №1331832 кл. С02F 1/28 1987  

    Начиная с 1991 года, проводились многочисленные исследования (в т. ч. на трёх поколениях лабораторных крыс) во многих научно-исследовательских институтах (См. опыты ИнБЮМ). Результаты токсилогических исследований показали, что Сорбенты «Синкопа» относятся к IV классу опасности по ГОСТ 12.1.007–76.