Вода и нанотехнологии реферат

Обновлено: 05.07.2024

Вода — ценнейший природный ресурс. Она играет исключительную роль в процессах обмена веществ, составляющих основу жизни. Огромное значение вода имеет в промышленном и сельскохозяйственном производстве. Общеизвестна необходимость ее для бытовых потребностей человека, всех растений и животных. Для многих живых существ она служит средой обитания.

Содержание работы

Методы очистки сточных вод 4
Электрохимические установки для очистки питьевой воды 7
Технологический процесс очистки воды 16
Использование нанотехнологий при очистке воды 19
Метод обеззараживания воды с помощью наноструктур 22
Нанотехнологии на службе опреснения морской воды 24
Заключение 27
Список использованных источников 27

Содержимое работы - 1 файл

Записка.doc

Рост городов, бурное развитие промышленности, интенсификация сельского хозяйства, значительное расширение площадей орошаемых земель, улучшение культурно-бытовых условий и ряд других факторов все больше усложняет проблемы обеспечения водой.

Много воды потребляют химическая и целлюлозно-бумажная промышленность, черная и цветная металлургия. Развитие энергетики также приводит к резкому увеличению потребности в воде. Значительное кол-во воды расходуется для потребностей отрасли животноводства, а также на бытовые потребности населения. Большая часть воды после ее использования для хозяйственно-бытовых нужд возвращается в реки в виде сточных вод.

Дефицит пресной воды уже сейчас становится мировой проблемой. Все более возрастающие потребности промышленности и сельского хозяйства в воде заставляют все страны, ученых мира искать разнообразные средства для решения этой проблемы.

На современном этапе определяются такие направления рационального использования водных ресурсов: более полное использование и расширенное воспроизводство ресурсов пресных вод; разработка новых технологических процессов, позволяющих предотвратить загрязнение водоемов и свести к минимуму потребление свежей воды.

В реках и других водоемах происходит естественный процесс самоочищения воды. Однако он протекает медленно. Пока промышленно- бытовые сбросы были невелики, реки сами справлялись с ними. В наш индустриальный век в связи с резким увеличением отходов водоемы уже не справляются со столь значительным загрязнением. Возникла необходимость обезвреживать, очищать сточные воды и утилизировать их.

Очистка сточных вод - обработка сточных вод с целью разрушения или удаления из них вредных веществ. Освобождение сточных вод от загрязнения- сложное производство. В нем, как и в любом другом производстве имеется сырье (сточные воды) и готовая продукция (очищенная вода)

Методы очистки сточных вод можно разделить на механические, химические, физико-химические и биологические, когда же они применяются вместе, то метод очистки и обезвреживания сточных вод называется комбинированным. Применение того или иного метода в каждом конкретном случае определяется характером загрязнения и степенью вредности примесей.

Сущность механического метода состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы в зависимости от размеров улавливаются решетками, ситами, песколовками, септиками, навозоуловителями различных конструкций, а поверхностные загрязнения - нефтеловушками, бензомаслоуловителями, отстойниками и др. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60-75% нерастворимых примесей, а из промышленных до 95%, многие из которых как ценные примеси, используются в производстве.

Химический метод заключается в том, что в сточные воды добавляют различные химические реагенты, которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химической очисткой достигается уменьшение нерастворимых примесей до 95% и растворимых до 25%

При физико-химическом методе обработки из сточных вод удаляются тонко дисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические и плохо окисляемые вещества, чаще всего из физико-химических методов применяется коагуляция, окисление, сорбция, экстракция и т.д. Широкое применение находит также электролиз. Он заключается в разрушении органических веществ в сточных водах и извлечении металлов, кислот и других неорганических веществ. Электролитическая очистка осуществляется в особых сооружениях - электролизерах. Очистка сточных вод с помощью электролиза эффективна на свинцовых и медных предприятиях, в лакокрасочной и некоторых других областях промышленности.

Загрязненные сточные воды очищают также с помощью ультразвука, озона, ионообменных смол и высокого давления, хорошо зарекомендовала себя очистка путем хлорирования.

Среди методов очистки сточных вод большую роль должен сыграть биологический метод, основанный на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Есть несколько типов биологических устройств по очистке сточных вод: биофильтры, биологические пруды и аэротен0ки.

В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой. Благодаря этой пленке интенсивно протекают процессы биологического окисления. Именно она служит действующим началом в биофильтрах.

В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоем.

Аэротенки - огромные резервуары из железобетона. Здесь очищающее начало - активный ил из бактерий и микроскопических животных. Все эти живые существа бурно развиваются в аэротенках, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего в сооружение потоком подаваемого воздуха. Бактерии склеиваются в хлопья и выделяют ферменты, минерализующие органические загрязнения. Ил с хлопьями быстро оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутиковые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожирая бактерии, неслипающиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила.

Сточные воды перед биологической очисткой подвергают механической, а после нее для удаления болезнетворных бактерий и химической очистке, хлорированию жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также другие физико-химические приемы (ультразвук, электролиз, озонирование и др.)

Биологический метод дает большие результаты при очистке коммунально-бытовых стоков. Он применяется также и при очистке отходов предприятий нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, производстве искусственного волокна.

В настоящее время на мировом рынке продается более тридцати тысяч разновидностей бытовых систем очистки питьевой воды. Основными методами очистки воды в бытовых устройствах являются сорбция (преимущественно с использованием активированного угля), фильтрация (микрофильтрация, ультрафильтрация, обратный осмос), ионный обмен, ультрафиолетовое облучение, серебрение.

Широко применяется комбинирование этих методов.

Сравнительно недавно появились установки нового поколения "Изумруд", в которых очистка воды производится электрохимическим и каталитическим способами. Эти установки уникальны и не имеют прямых аналогов. Вопрос о преимуществах и недостатках различных моделей бытовых водоочистителей в конечном итоге будет решен потребителем и соответствующими медико-биологическими и гигиеническими службами. Идеальных установок для очистки питьевой воды не существует. Неизвестно также, какая вода в пределах характеристик, регламентированных ГОСТ, является наилучшей для организма каждого конкретного человека. Здесь излагается точка зрения разработчиков установок "Изумруд", основанная на собственных наблюдениях и на данных испытаний, проведенных независимыми лабораториями и научными центрами. 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.

Установки "Изумруд" свободны от указанного недостатка , поскольку даже при сверхвысоком содержании в исходной воде бактериальных и вирусных тел 106 - 108 в одном миллилитре (мл) после очистки в установках "Изумруд" количество микроорганизмов в воде уменьшается до 10 - 102 на мл (на пять-шесть порядков). Соответствующие данные получены при проведении анализов в лабораториях Беркширской и Оклендской микробиологических служб (Великобритания). Кроме того, в момент электрохимической обработки вода приобретает бактериостатические характеристики, аналогичные свойствам родниковых вод. Вследствие этого выходные магистрали электрохимических водоочистителей не подвергаются инфицированию. В процессе длительного хранения вода, очищенная в установках "Изумруд", может утратить бактериостатические свойства. Бактерицидные вещества, образующиеся в анодной камере электрохимического реактора, обладают очень высокими антимикробными свойствами, намного превосходящими по эффективности обычные антисептики (хлорамин и др.). Эти вещества, присутствующие в воде в пропорции 1: 1000, обеззараживают ее даже в случае интенсивного микробного обсеменения. При этом погибают не только возбудители типичных желудочно-кишечных инфекций (возбудители дизентерии, сальмонеллеза, холерный вибрион), но и экзотические патогенные микроорганизмы тропических стран. Этот факт подтвержден наблюдениями сотрудников Британской компании Enigma во время Руандийского кризиса, а также данными по обеззараживанию воды плавательных бассейнов в Москве и в г. Лас-Вегас, Невада, США. В последнем случае успешно подавлялся рост "черных водорослей" (Black Algae).

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 установки "Изумруд" 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. Эффективность удаления активного хлора и хлор содержащих окислителей в установках "Изумруд" не менее 90 %.

Некоторые покупатели жалуются на присутствие запаха хлора в воде, прошедшей через установку. На самом деле это запах летучих сильных окислителей, который воспринимается как запах хлора. Период жизни этих соединений не превышает нескольких десятков минут, а концентрация их очень мала и не создает токсикологического риска. Водоочистители "Изумруд" не всегда устраняют присутствующие в воде запахи. Однако в этих случаях интенсивность запаха свидетельствует, что постороннее газообразное вещество улетучивается. Достаточно подвергнуть очищенную воду выстраиванию в обычной посуде в течение нескольких часов и посторонние запахи исчезнут. 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%.

Известно, что более половины всех болезней людей связано с употреблением некачественной питьевой воды. Сейчас на Земле практически не осталось мест, где можно найти чистую природную воду, пригодную для питья. Горные ледники, некоторые подземные озера, ключи и родники, Байкал, Антарктида и Арктика — вот, пожалуй, и все. Что из этого доступно современному городскому жителю? Большие реки испорчены промышленными стоками, дождевая вода содержит растворенные газообразные выбросы, вода из лесного озера или речки содержит огромное количество органики. Ученые считают, что питьевая вода хорошего качества увеличила бы среднюю продолжительность жизни современного человечества на 20-25 лет, поэтому проблема чистой питьевой воды стала в последнее время одной из актуальных.

Цели и задачи проекта:

Установить влияние воды на здоровье человека.
Изучить современные способы очистки воды.
Рассмотреть современные нанотехнологии для очистки воды.
Изучить очистки воды в Каневском районе.

На сегодняшний день в России применяются системы и фильтры очистки питьевой воды, которые не совсем соответствуют стандартам. В воде остаются хлор, алюминий, свинец, ржавчина, которые отрицательно воздействуют на организм человека. Обратный осмос – наоборот, полностью очищает воду, делая ее дистиллированной, в ней не остается полезных веществ, что наносит еще больший вред, чем неочищенная вода. Угольные фильтры не очищают горячую воду вообще.

Наиболее качественно очистить воду могут фильтры нового поколения (нанофильтры). В воде очищенной через графеновый сорбент не содержится вирусы, бактерии, он удерживает даже самые мелкие взвеси, но остаются полезные вещества. Очищает воду от нефтяных загрязнений, улучшает цветность (удаляет из воды гуминовые кислоты), понижает жесткость.

В Каневском районе в настоящее время разрабатывается программа качественной очистки питьевой воды, применение нанотехнологий могло бы решить эту проблему.

Одной из наиболее важных глобальных задач, если не самой важной, является обеспечение жителей нашей планеты качественной питьевой водой.

Для решения этой задачи широко используются мембранные методы. (О мембранной технологии и мембранах различного типа подробно рассказано в статье [1]).

Микрофильтрационные мембраны с размером пор 0,5-10 мкм задерживают взвеси, коллоидные примеси, водоросли, крупные бактерии. Ультрафильтрационные мембраны (поры 10-500 нм) очищают воду от вирусов, бактерий, крупных макромолекул. Обратноосмотические мембраны имеют самые маленькие поры, 1-10 нм (по другой классификации менее 1 нм), и позволяют удалять из растворов различные молекулы и ионы, включая одновалентные.

Нанотехнологии для очистки воды

Нанотехнология определяется как совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм (хотя бы в одном измерении) и в результате этого приобретающие принципиально новые качества. 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).

Для дезинфекции воды в местах потребления и для снижения биообрастания мембран используют наночастицы серебра. Нано-TiO2 отличается высокой фотокаталитической активностью; на его основе разработаны коммерческие продукты для очистки сточных вод от органических примесей.

Для мониторинга качества воды предлагаются сенсоры, использующие магнитные, оптические, электронные свойства наночастиц (нано-Au, -SiO2, -CdSe и др.) и нанокомпозитов (имеются коммерческие продукты). Все эти наноматериалы невозможно рассмотреть в рамках одной статьи. Здесь будет представлены две аллотропные модификации углерода - перспективные для создания мембран и фильтров нового поколения нанотрубки и графен, обладающие принципиально новыми качествами.

Графен - двумерный кристалл, состоящий из одиночного слоя атомов углерода. Его можно представить как одну плоскость графита, отделенную от кристалла. Углеродные нанотрубки (УНТ) - бесшовные цилиндры из одного или нескольких графеновых слоев диаметром от 0,7 нм до 100 нм и длиной до нескольких сантиметров с открытыми или закрытыми концами (риc. 2).

Углеродные нанотрубки для водоочистки и дезинфекции

Необычное поведение газов и жидкостей внутри углеродных нанотрубок уже давно привлекло внимание ученых. Сначала теоретики показали, что транспорт молекул через УНТ может быть на порядки величин больше, чем через другие известные материалы с порами тех же размеров [9]. Затем эти предсказания были подтверждены экспериментально на мембранах из вертикальных нанотрубок, помещенных в плотную пленку из полимеров или нитрида кремния 12.

Скорость потока воды через мембрану из плотноупакованных нанотрубок диаметром 99% E.Coli было удалено из водных суспензий.

Мембраны из прямых открытых нанотрубок в плотной матрице

Мембраны, состоящие из прямых открытых вертикальных нанотрубок в плотной матрице, позволяют использовать уникальные транспортные свойства этих углеродных наноматериалов.

О первых работах по синтезу плоских мембран из УНТ в плотной пленке из полимеров, нитрида кремния уже говорилось выше 10. Исследования активно продолжаются. Обычно нанотрубки выращивают на какой-либо подложке, например, используя метод химического парофазного осаждения (CVD), затем промежутки между ними заполняют так, чтобы поток воды проходил только по каналам нанотрубок. Иногда УНТ синтезируют в макропорах подложки (например, из оксида алюминия). Используются также подходы самосборки. По оценкам, сделанным авторами [15], мембраны с 0,03% нанотрубок в плотной матрице могут быть эффективнее всех существующих систем обратного осмоса для опреснения морской воды. Сольватированные ионы, размер которых больше внутреннего диаметра нанотрубки, останутся в морской воде. Прохождение меньших ионов можно предотвратить путем функционализации УНТ. Например, мембраны из нанотрубок диаметром около 2 нм в нитриде кремния, синтезированные авторами [28], благодаря функционализации УНТ при фильтрации раствора не пропустили 91% ионов размером 0,95 нм. Расчеты методами молекулярной динамики подтверждают эффективность использования УНТ для опреснения морской воды [29].

Авторы одной из недавних работ [30] считают, что мембраны с вертикальными УНТ в плотной матрице интересны не только для селективного пропускания ионов, но могут быть более эффективно использованы там, где сейчас применяются ультрафильтрационные (УФ) мембраны. Это новое поколение мембран для очистки воды. Исследователи [30] сравнили характеристики синтезированных ими мембран (диаметр пор 4,8 нм, плотность пор 6,8х1010 см-2) с коммерческими УФ-мембранами (диаметр пор - 5,7 нм, плотность пор - 8,8х1010 см-2). Скорость потока через УНТ в плотной матрице из эпоксидной смолы оказалась в три раза больше, степень задержания такая же, а стойкость к биообрастанию заметно выше.

Заметим, что уникальные свойства углеродных нанотрубок позволяют также создавать эффективные сорбенты и простые, недорогие, но чувствительные и быстродействующие сенсоры для детектирования многих токсинов в воде [36].

Мембраны из графена

Второй углеродный наноматериал, перспективный для создания мембран для очистки/дезинфекции/обессоливания воды, - графен.

Авторы работы [37] с помощью ионной бомбардировки и последующего травления создали в графене поры диаметром 0,4 нм (плотность пор 1012/см2) и впервые продемонстрировали селективный быстрый ионный транспорт в мембране одноатомной толщины. Проницаемость в 50 раз больше, чем у обычных мембран, применяемых для обессоливания. Авторы считают, что их мембраны особенно перспективны для биомедицины, т.к. для процессов нанофильтрации или обессоливания нужны мембраны больших размеров. Проблему масштабирования можно решить, если вместо графена использовать так называемый оксид графена, который легко получается при расслаивании предварительно окисленного графита на отдельные листы.

Авторы [38] создали мембрану микронной толщины, состоящую из слоев оксида графена, связанных между собой подобно многослойной структуре перламутра. Такая мембрана непроницаема для всех газов, паров и жидкостей, но вода проходит через нее беспрепятственно. Исследователи объясняют это формированием сетки графеновых нанокапилляров внутри слоев оксида графена. Диффузия других молекул блокируется сужением капилляров при низкой влажности и/или заполнением их водой. В новой работе [39] продемонстрировано, что такая мембрана отличается не только высокой скоростью пропускания воды, но и исключительной селективностью. Через нее не могут проникнуть гидратированные ионы, радиус которых превышает 0,45 нм, а ионы меньшего размера всасываются в капилляры с очень высокой эффективностью (по оценкам авторов [39] явления соответствуют давлению на ионы > 50 атм). Дальнейшая задача исследователей - уменьшить размеры капилляров, чтобы можно было использовать такие мембраны для обессоливания морской воды.

Композитные мембраны графен/полимер

С помощью графена можно создавать композитные мембраны с сильными противомикробными свойствами. Авторами работы [40] синтезированы полиамидные мембраны с нанопластинками графена на поверхности (связь обеспечена взаимодействием гидроксильных групп оксида графена с гидроксильными группами полиамидного активного слоя). Эксперименты показали, что в течение 1 часа на поверхности погибает 65% бактерий, при этом транспортные свойства мембраны не ухудшаются.

Такие композитные мембраны, так же как и многослойные графеновые, можно производить в промышленных масштабах, т.к. оксидированную форму графена получают, используя хорошо известные относительно недорогие методы химического окисления графита.

Проблемы и перспективы

На стадии пилотных испытаний пока находится лишь малая часть мембран и фильтров с УНТ и графеном. Информации о коммерческом использовании практически нет. Одно из немногих исключений - фильтры Seldon NanomeshTM. По данным производителей, материал фильтров включает углеродные нанотрубки, активированный уголь и волокна. Фильтры удаляют 99,999% бактерий, 99,99% вирусов, красители, свинец и кадмий, пестициды и гербициды, Се137 и др. Используются для очистки воды в местах проживания и в портативных устройствах для армии или оказания гуманитарной помощи.

Компания Lockheed Martin Corp. представила мембрану PerforeneTM для использования в опреснителях морской воды (и не только). PerforeneTM изготавливается из графена с нанометровыми отверстиями, пропускающими воду и задерживающими ионы натрия, хлора и др. PerforeneTM позволяет в пять раз повысить пропускную способность, снизить энергозатраты на 10- 20%, подавить биообрастание на 80%. Поскольку производство УНТ- и графеновых мембран больших размеров остается сложным и дорогим, можно предположить, что в ближайшее время будут предложены устройства для индивидуального потребления. Тем не менее, и ученые, и технологи настроены оптимистично. Достаточно посмотреть, как в последние несколько лет стремительно развиваются технологии массового производства графена и растут предложения по коммерческому использованию.

В 2011 году в США для производства графена была образована компания Bluestone Global Tech. Сейчас ее производственные мощности составляют 20-200 м2 графена в день. В 2013 году Bluestone Global Tech. приняла решение открыть завод, производящий графен, в Великобритании. Польша надеется занять 30-40% мирового рынка графена - в конце 2013 году здесь запущен завод по производству этого материала. Коммерциализацией графена активно занимаются компании и университеты Китая, Японии, Южной Кореи (в особенности Samsung). Конечно, в основном речь идет о применении в электронике, но, безусловно, в ближайшем будущем интерес проявят компании, занимающиеся очисткой и обессоливанием воды.

К сожалению, приходится признать, что в России, несмотря на замечательные научные достижения, производство графена, УНТ и новых материалов на их основе очень ограничено, и говорить о внедрении мембран нового поколения рано.

Причиной являются и технические трудности, и высокая стоимость. Но это временные преграды - достаточно вспомнить историю развития полимерных мембран, первые лабораторные образцы которых появились в нашей стране около 50 лет назад. Уже через несколько лет расширился ассортимент мембран и мембранных элементов, и благодаря целенаправленным и согласованным действиям ученых, технологов и государственных органов началось бурное развитие мембранных технологий. Хочется верить, что так будет и с мембранными нанотехнологиями. При этом нельзя забывать о важных вопросах, связанных с безопасностью применения наноматериалов. Конечно, вероятность того, что углеродные нанотрубки или нанопластинки графена при использовании мембран попадут в окружающую среду, чрезвычайно мала, но это может произойти при производстве, обработке, перевозке, утилизации. Необходимо использовать уникальные качества синтезированных наноматериалов так, чтобы избежать возможных токсичных эффектов.

Ольга Алексеева, кандидат физико-математических наук,

Известно, что более половины всех болезней людей связано с употреблением некачественной питьевой воды. Сейчас на Земле практически не осталось мест, где можно найти чистую природную воду, пригодную для питья. Горные ледники, некоторые подземные озера, ключи и родники, Байкал, Антарктида и Арктика — вот, пожалуй, и все. Что из этого доступно современному городскому жителю? Большие реки испорчены промышленными стоками, дождевая вода содержит растворенные газообразные выбросы, вода из лесного озера или речки содержит огромное количество органики. Ученые считают, что питьевая вода хорошего качества увеличила бы среднюю продолжительность жизни современного человечества на 20-25 лет. Все больше людей в Украине понимают это, и поэтому не употребляют в пищу воду из-под крана, а либо покупают фильтры для воды, либо пользуются бутилированной водой.

Правда о бутилированной воде

^ На самом деле дистиллированная вода — это сильнейший яд.

Человек может годами пить грязную воду с многократным превышением ПДК по меди, железу, даже ртути (посадить печень не так-то просто!), но с гарантией умирает в течение недели, если будет пить дистиллированную воду. Почему? Потому что вода, лишенная всех растворенных веществ, крайне активно начинает их вымывать из организма.

^ Дистиллированная вода является не питьевой, а технической.

Для того, чтобы ее можно было пить, дистиллят минерализуют, иначе говоря, добавляют некоторые полезные соли: кальция, магния, натрия. Но и при этом, обогащенная несколькими необходимыми для организма солями, минерализованная дистиллированная вода резко отличается от природной, в которой тысячи растворенных веществ и микроэлементов.

^ Фильтры для очистки питьевой воды

Производители угольных фильтров дают настолько недостоверную информацию об их возможностях, что порой кажется, что они стремятся превзойти самого барона Мюнхаузена. — Зачем Вы говорите неправду о возможностях активированного угля? — спросили как-то у руководителя одной из крупных российских фирм-производителей фильтров. — Мои конкуренты врут, и я вру, — таков был честный ответ.

Так, в рекламе некоторых известных фильтров, указывается, что угольный фильтр способен в 100 раз уменьшить содержание в воде органических примесей. А на самом деле, новый угольный фильтр способен уменьшить содержание такого рода примесей только в два раза. Мельчайшую ржавчину (коллоидное трехвалентное железо) и остаточный алюминий активированный уголь не сорбирует, но об этом умалчивается. Горячую воду уголь не очищает вообще. Старый, долго использовавшийся, угольный фильтр начинает не очищать, а загрязнять воду: на входе вода лучше, чем на выходе. Так происходит потому, что из угольной массы начинает вымываться ранее скопившаяся в ней грязь.

^ Получается парадоксальная ситуация: обилие разного рода
фильтров и множество видов бутилированной воды не решают проблему
чистой питьевой воды.

Как известно, углерод является самым распространённым элементом на Земле. Различия между углем, ГС и алмазом (всё это — один и тот же химический элемент — углерод) определяются их принципиально различной внутренней структурой. Перестраивая внутреннюю структуру, из одной модификации углерода можно получить другую. Если мы к частице графита применим давление в 80 тысяч атмосфер и нагреем её до температуры в 1600 °С, то атомы углерода перестроятся из графитовой гексагональной плоскостной структуры в кубическую алмазную, т.е. мы получим настоящий алмаз. И наоборот, если мы нагреем в вакууме алмаз до температуры 1600 °С, то он превратится в кусочек обыкновенного графита.

^ Метод получения Графенового сорбента из слоистых углеродных соединений (СУС).

Строение графита очень похоже на хорошо известный нам предмет, а именно — на обыкновенную настольную книгу, только страницами в случае графита являются графены. Атомы углерода в графенах расположены в виде шестиугольников (гексагоналов), поэтому и говорят, что графены имеют гексагональную структуру. Связи между графенами — слабые (когда мы пишем карандашом, то разрываем эти связи), их называют ван-дер-ваальсовыми связями. Связи между атомами в гексагоналах — сильные. Физики долгое время не верили, что получится разорвать межатомарные (или, как их называют, ковалентные) связи, т.к. считалось, что они реально могут быть разорваны только в эпицентре ядерного взрыва. Однако было синтезировано химическое соединение, способное к взрывообразному разложению. Это соединение способно проникать путем обычного смачивания в межслоевые пространства графита (СУС) и находиться в таком состоянии сколь угодно долго, никак себя не проявляя. Поэтому, достаточно взорвать некоторое критическое количество молекул этого соединения, и начнется настоящая цепная реакция. Запустить такую реакцию автокаталитического распада соединения можно, например, механическим воздействием, т.е. простым ударом, химическим воздействием, нагреванием до 150–200 °С, даже направленным мощным звуком. И при каждом взрыве заложенной молекулы от общей массы графита (СУС) отделяется один атомарный углеродный слой — графен.

Выглядит фантастически, когда в результате неуправляемой (!) холодной (!)
цепной реакции происходит радикальная деструкция СУС, и объем СУС (графита) увеличивается в 500 раз.

^ Фуллерены и наноструктуры ГС

Углеродные наноструктуры были открыты в процессе изучения свойств фуллеренов. Спустя шесть лет после открытия фуллеренов японский ученый Иджима, исследуя осадки, образующиеся на катоде при испарении углерода в электрической дуге, обнаружил новые углеродные каркасные формы — нанотрубки. Открытие было настолько значимым, что Иджима до сих пор остается одним из наиболее цитируемых специалистов в области физики материалов.

^ В зависимости от чистоты, нанотрубки, полученные этим
или другими известными методами, стоят от $300 до $1000 за грамм.

Обладая уникальными электрическими, химическими и механическими свойствами, нанотрубки создали целые направления в материаловедении, наноэлектронике, прикладной химии. В научной литературе приводятся наглядные примеры некоторых экзотических свойств нанотрубок. Например, нанотрубка в 50-100 тысяч раз тоньше человеческого волоса, и при этом, как показывают расчеты, канат из нанотрубок, протянутый от Земли до Луны, мог бы обеспечить прочностные характеристики для того, чтобы его использовать в качестве кабеля пассажирского лифта. А кабель от Земли до Луны из одиночной нанотрубки можно намотать на маковое зернышко! Однако при вышеуказанной стоимости нанотрубок, возможность, скажем, призводства бронежилетов весом в десяток грамм, кажется бесперспективной. Именно поэтому такое значение имеет описанный выше принципиальной новый способ производства наноуглеродных структур. Только этот способ на сегодняшний день по ценовым и количественным характеристикам является промышленным.

^ Основные физико-химические свойства ГС

Сравнительный анализ сорбционных свойств ГС и ТРГ (см. табл.1), по данным такого анализа сделал вывод, что

Таблица 1.
Сравнительный анализ сорбционных свойств ГС
и терморасширенного графита (СТРГ — сорбент терморасширенный графит).

^ Сорбционные свойства ГС

Научно-исследовательский институт физики фуллеренов и новых материалов получил следующие данные:

Таблица 2.
Сорбционная емкость материала ГС по жидкой фазе горючих и ядовитых веществ.

В 2004 году лаборатория ^ Sierra Analytical Labs, Inc. (США, Калифорния) провела сравнительный анализ сорбционной емкости ГС и лучшего вида кокосового гранулированного активированного угля (ГАУ) из активированных углей, представленных на американском рынке (см. табл.3).

^ Из табл.3 видно, что 1 грамм ГС превосходит 5 граммов ГАУ
по сорбционной емкости в среднем более, чем в 30 раз!

Графеновый сорбент как фильтр

^ Уникальные возможности Графенового сорбента

ГС в качестве и сорбента, и фильтра наголову превосходит все известное в мире в области водоочистки.

При однократной фильтрации питьевой воды мутность уменьшается в 25-60 раз, количество взвешенных частиц — в 10-30 раз, достигается высокая степень удаления сульфатов, сульфидов, фторидов, хлоридов, нитритов, аммонийного азота, железа, цинка, меди, алюминия, марганца, свинца, молибдена, свободного хлора.

^ В ряде случаев превосходство
ГС-фильтров над другими видами
фильтров является даже не кратным, а абсолютным.

Так, например, ни один в мире фильтр не в состоянии полностью очистить воду от гумуса. ГС-фильтр может, а другие фильтры не могут сделать питьевой гумусовую (болотную) воду — преимущество абсолютно. При очистке ГС-фильтрами промышленных стоков было установлено, что они поглощают нефтепродукты и эфирорастворимые вещества до уровней, ниже, чем уровень ПДК (кратность очистки более 1000). ГС эффективно удаляет многие катионы, в том числе меди (в 30 раз), железа (в 3 раза), аммония (в 2-3 раза), ванадия (в 5 раз), марганца (в 2 раза), фосфатов (в 35 раз), органические и неорганические анионы, в том числе сульфиды (в 6 раз), фториды (в 5 раз), нитраты (в 3 раза), уменьшает концентрацию взвешенных частиц более чем в 100 раз. Только очень немногие комплексные промышленные фильтрующие агрегаты (состоящие из трех и более различных фильтров) обладают такой универсальной способностью — одновременно очищать сточные воды от анионов, катионов и органических веществ. ГС хорошо очищает воду от нерастворенных примесей и плохо — от растворенных. Если бы ГС хорошо удаляла из воды и истинные растворы, то ее нельзя было бы использовать для очистки питьевой воды: в результате получился бы дистиллят. Суть в том, что в воде, прошедшей ГС-фильтрацию, сохраняются натуральные соли и микроэлементы. То, что растворено в воде, обычно проскакивает через ГС-фильтр (за рядом исключений, например, ГС частично задерживает растворенные в воде крупные молекулы органики). Но в воде есть и вредные растворенные примеси. Для того, чтобы очистить воду от растворенных в ней примесей, их, перед пропусканием воды через ГС-фильтр, следует перевести в нерастворенную форму. Например, для понижения содержания в воде солей кальция и магния (жесткости), а также — двухвалентного (растворенного) железа, можно предварительно использовать фильтр с ионно-обменными смолами, т.е. поступить так же, как это и делается во всем мире.

ГС-фильтры обеспечивают
принципиально новый уровень водоочистки,
при котором вода становится не только кристально чистой,
но и приобретает целебные свойства.

Доказано, что ГС оказывает лечебное воздействие не только при нанесении на раны, ожоги, трофические язвы, но и при приеме внутрь. Исследования проводили ученые Военно-медицинской академии (СПб), института Скорой помощи им. Джанелидзе (СПб), ФГУП «Центр экстремальной медицины (Москва). В Российском кардиологическом центре Министерства здравоохранения РФ были проведены испытания сорбционных свойств ГС в процессе очистки плазмы крови. Установлена эффективность ГС в сорбировании из плазмы мочевой кислоты (уровень снижения показателей — более 50%). Отмечена тенденция к снижению уровня креатинина (метаболита азотистого обмена). Ранозаживляющий эффект порошка ГС приводит к значительному снижению летальных исходов, к сокращению сроков острого воспаления, к созданию раневой среды, неблагоприятной для активной вегетации микробной флоры. Есть все основания полагать, и исследования в этом направлении продолжаются, что аналогичное воздействие оказывает и вода, прошедшая через ГС-фильтр.

Люди, систематически принимающие обычную водопроводную воду после ГС-фильтрации, практически перестают болеть гриппом и другими инфекционными заболеваниями (следствие повышения иммунитета), у них нормализуется давление. У некоторых людей даже — пока не известно, почему — улучшается слух и зрение!

^ Букет цветов в ГС-отфильтрованной воде
стоит в несколько раз дольше, чем в любой другой воде.

В пользу ГС-отфильтрованной воды говорят такие объективные свидетели, как кошки и собаки. Если животному предложить на выбор несколько чашек, в которые налита водопроводная, любая бутилированная и ГС-вода, то оно безошибочно выберет последнюю. Чашки можно поменять, налив, например, ГС-воду в ту чашку, где раньше была бутилированная вода, но результат не изменится: имея выбор, животное будет пить только ГС-воду.

Известно, что аквариумную воду надо менять раз в неделю. Для этого водопроводную воду нужно отстаивать несколько дней в отдельной емкости. Замечено, что аквариумные рыбы (и маленькие, и большие) замечательно себя чувствуют в воде, отфильтрованной через ГРАФЕНОВЫЙ СОРБЕНТ (отстаивать ее для этого не требуется), и менять воду можно в 2 раза реже!

ГС-фильтрация изменяет внутреннюю структуру воды и в более глубоком смысле (это изменение не сводится только к разбиванию водных кластеров). Известно, что молекула воды имеет следующую структуру:

^ Поразительно, но ГС-фильтрация воды делает угол α равным именно 108°!

Видимо, именно поэтому вода после ГС-фильтрации приобретает характерный голубой цвет (даже если исходная была желтой и ржавой). Именно такой цвет у талой воды чистых горных ледников. Отметим в скобках, что дистиллированная вода — бесцветна.

^ Реальные конструктивные исполнения фильтров, работающих на основе углеродных наноструктур.

Удобный металлический носик (гусак), имеющий две степени свободы, позволяет наполнить водой как высокий чайник или графин, так и чашку или стакан.

Читайте также: