Nanotechnológie využívané pri sanáciách environmentálnych záťaží (Jana Frankovská)
Nanotechnológia je vedný odbor, ktorý sa zaoberá presnou a zámernou manipuláciou s hmotou na úrovni atómov a molekúl s rozmermi približne 1 až 100 nanometrov, s možnosťou nových aplikácií v dôsledku ich vlastností a štruktúry. Národná iniciatíva pre nanotechnológie v USA definuje nanotechnológie ako splnenie troch požiadaviek (NNI, 2010):
• výskum a technologický rozvoj na úrovni atómov, molekúl alebo makromolekúl s rozmermi približne 1 – 100 nanometrov,
• tvorba a použitie štruktúr, zariadení a systémov s novými vlastnosťami a funkciami spôsobenými veľkosťou častíc,
• schopnosť kontrolovať a riadiť procesy na úrovni atómov.
Veľkosť 1 nanometer (1 nm) predstavuje rozmer 10–9 m, pričom hrúbka ľudského vlasu je asi 70 000 až 80 000 nm, molekula DNA je hrubá asi 1 nm a typická baktéria má veľkosť 1 000 nm. Nanomateriály a štruktúry dostávajú vďaka svojim rozmerom a usporiadaniu nové vlastnosti dané významnou zmenou fyzikálnych, chemických či biologických vlastností, ktoré im umožňujú ovplyvňovať a riadiť okolité prostredie na úrovni jednotlivých atómov a molekúl.
Nanotechnológia preto predstavuje možnosť vytvorenia lepších materiálov a výrobkov. Medzi vlastnosti, ktorými sa prejavujú niektoré nanomateriály, patrí napríklad vysoká pružnosť, zvýšenie chemickej reaktivity, zvýšenie alebo zníženie pevnosti, schopnosť vyrovnať sa s veľkými zmenami tlaku a teploty a lepšia vodivosť elektriny a tepla.
Nanotechnológia ponúka nové prístupy v medicíne, počítačovej technike, kozmetickom priemysle a ďalších odvetviach hospodárstva. Výsledky dosiahnuté napr. pri výskume supravodičov, biokompatibilných membrán alebo nanosenzorov majú veľký vplyv aj na odvetvia, ktoré s nimi priamo nesúvisia. Existuje aj veľa nanomateriálov, ktoré sa vyskytujú v prírode, a ľudia boli vystavení ich pôsobeniu počas ich celého evolučného vývoja. Prirodzene sa vyskytujúce nanomateriály poskytujú aj inšpiráciu na vývoj nových produktov.
Použitie nanomateriálov na environmentálne účely sa rozšírilo najmä v posledných rokoch. Prvá syntéza elementárneho nanoželeza sa uskutočnila v laboratórnych podmienkach v roku 1996 (Zhang, 1997) a prvá terénna aplikácia nanoželeza – pilotný test – sa uskutočnila v USA v roku 2000 (Watlington, 2005). Prvá terénna aplikácia v Európe sa uskutočnila v roku 2004 (Černík, 2010). Masciangioli a Zhang (2003) rozdeľujú vplyv nanotechnológií v environmentálnej problematike na tri oblasti: sanácie, monitorovanie a prevencia znečistenia. Nanotechnológia teda nachádza využitie v meraní, monitorovaní, riadení a minimalizácii znečistenia životného prostredia. V rámci nanotechnológií boli vyvinuté účinné a finančne efektívne metódy sanácie hornín a vody s minimalizáciou vplyvu tejto technológie na životné prostredie a ľudské zdravie (US EPA, 2007). Nanofiltračné metódy selektívne odstraňujú toxíny z kontaminovanej zeminy, vody a vzduchu. Ponúkajú aj možnosť kombinácie monitorovania a spätnej väzby na meranie rozsahu znečistenia v rôznych zložkách životného prostredia. Na zlepšenie hodnotenia a sanácie kontaminovaných lokalít sa vyvíjajú biosenzory, ktoré by mohli poskytnúť systém včasného varovania, ak je koncentrácia znečisťujúcich látok prekročená, alebo iniciovať okamžité sanačné opatrenia, ako je čerpanie podzemných vôd s napojením na čistiace jednotky.
Mimoriadne alebo všestranné sanačné schopnosti nanočastíc sú založené na týchto základných faktoroch:
• extrémne malá veľkosť častíc v rozsahu od 1 do 100 nm,
• veľký merný povrch vzhľadom na objem a zvýšená chemická a biologická reaktivita,
• nanočastice sa môžu vďaka svojim rozmerom efektívne transportovať povrchovou a podzemnou vodou.
Vďaka týmto vlastnostiam sa môžu nanočasticové kalové vody napríklad injektovať pod tlakom alebo gravitačne do kontaminovaného rezervoáru, ktorý je potrebné dekontaminovať alebo vylepšiť jeho samočistiace vlastnosti. Nanočastice zotrvávajú v suspenzii celý čas potrebný na prechod cez sanačnú zónu. To zvyšuje ich flexibilitu v technológiách in situ aj ex situ. Môžu sa použiť v kalových reaktoroch na čistenie kontaminovanej pôdy, sedimentov a pevného odpadu. Druhou možnosťou je ich aplikácia na povrch iného pevného nosiča, napríklad aktívneho uhlia alebo zeolitov. Zvýši sa tým efektívnosť dekontaminácie vôd, zemín alebo plynov.
Vo všeobecnosti sú nanomateriály rozdelené na štyri skupiny:
• Nanočastice na báze uhlíka. – Sú to nanomateriály zložené prevažne z uhlíka, najčastejšie sa vyskytujúce vo forme fullerénov (guľovité a elipsoidné uhlíkové nanomateriály) a nanotrubíc (cylindrické – valcovité – uhlíkové nanomateriály).
• Nanočastce na báze kovu. – Patria sem napríklad nanočastice elementárneho železa, nanozlato, nanostriebro, nanočastice oxidov zinku alebo titánu alebo bimetalické nanočastice.
• Dendriméry. – Ide o syntetické makromolekuly s presne definovanou veľkosťou a dendritickou (stromovitou) štruktúrou.
• Kompozity. – Ide o kombináciu nanočastice s inými nanočasticami alebo s väčšími časticami.
Zo súčasne vyrábaných nanočastíc sú na sanáciu environmentálnych záťaží najvhodnejšie a najpoužívanejšie nanočastice elementárneho železa (nZVI). Výskumy, pilotné projekty a prípravné práce sa realizujú aj s ďalšími nanočasticami (US EPA, 2008). Výskumné práce sú v súčasnosti zamerané najmä na pochopenie transportu a spôsobu existencie nanočastíc v životnom prostredí a ich vplyv na biologické systémy (US EPA, 2007), teda riziko, ktoré môžu predstavovať najmä pre ľudské zdravie.
© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží
Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,
Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,
ISBN 978-80-89343-39-3
Použitie bimetalických nanočastíc na báze
železa
Použitie nanočastíc na báze uhlíka