KÖRNYEZETI KOCKÁZATMENEDZSMENT 2016

KÖRNYEZETI KOCKÁZATMENEDZSMENT 2016. Nanoanyagok, nanotechnológiák … Molnár Mónika, Feigl Viktória

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék

NANOTECHNOLÓGIA - definíciók •„…olyan tervezési és építkezési elvek és módszerek összessége, amelyekre az atomi szinten történő építkezés a jellemző…”

http://www.nanotechnology.hu/magyarul/Nanotechnologia.html

 „ …olyan eljárások, amelyek segítségével jellemzően nanométeres méretű objektumokat vagyunk képesek létrehozni…” Page  2

NANOTECHNOLÓGIA - történelem •Alagútmikroszkóp felfedezése  Ez képes az atomi méretű részletek (a nanométer tizedrésze) felbontására is. Segítségével először "pillantott meg" az ember atomokat, és megvizsgálhatta egy szabályos atomi elrendeződésben (kristályban) egyetlen atom hiánya által előidézett változásokat! •Binning és Rohrer 1986-ban Nobel-díj  Az alagútmikroszkóp szondája - egy hegyes tű, amely szerencsés esetben egyetlen atomban végződik 

Page  3

http://www.nanotechnology.hu/magyarul/Al agutmikroszkop.html

NANOANYAGOK - Jellemzők Elemek: Félvezetők: kadmium, tellúr, szilícium Vezetők: arany, ezüst, vas Nem fémek: szén (nanocsövek, fullerén, ipari korom) Vegyületek: Szervetlen: fém-oxidok (szilícium-dioxid (SiO2), titán-dioxid (TiO2), alumínium-oxid (Al2O3), vas-oxid (Fe2O3) vagy (Fe3O4), cink-oxid (ZnO) Szerves: polytetrafluoroetilén (PTFE), korom Biológiai struktúrák Liposzómák, micellák …. (Forrás: Dr. Pándics Tamás (2008) A nanoanyagok környezetegészségügyi hatásainak elemzése. Egészségtudomány. LII. 3.szám) Page  4

NANOANYAGOK - felhasználás

(Forrás: Dr. Pándics Tamás (2008) A nanoanyagok környezetegészségügyi hatásainak elemzése. Egészségtudomány. LII. 3.szám) Page  5

NANOTECHNOLÓGIA, nanoanyagok - jellemzők Nagy felület/térfogat aránnyal rendelkeznek A nanométeres tartományban az anyag fizikai tulajdonságai eltérnek a tömbi fázisú anyagétól

Nanokristályoknak kisebb az olvadáspontja Megszűnhet a ferromágneses és a ferroelektromos tulajdonság Kialakulhat katalitikus hatás pl. arany, ami nanokristályos alakban katalitikusan aktív  Biológiai aktivitás, toxicitás is változik

http://nanocomposix.eu/pages/nanotoxicology-particle-selection Page  6

http://nanoportal.gc.ca/default.asp?lang=En&n=9073BB1A-1&offset=3&toc=hide

NANOANYAGOK - HATÁSOK

(Forrás: Dr. Pándics Tamás (2008) A nanoanyagok környezetegészségügyi hatásainak elemzése. Egészségtudomány. LII. 3.szám) Page  7

NANOANYAGOK A REMEDIÁCIÓBAN

NANOTECHNOLÓGIA - NANOREMEDIÁCIÓ  Nanoanyagok, nanorészecskék felhasználása kockázatcsökkentési céllal  Nanorészecskék: Olyan különálló részecskék, melyek kiterjedése legalább egy irányba kisebb, mint 100 nm

 Nanoméretű zeolitok  Nanoméretű fémoxidok  Szén-alapú nanoanyagok (szén nanoszálas anyagok, szén nanocsövek, dendrimerek)  Ciklodextrinek  Enzimek  Nemesfémek (főleg bimetál nanorészecskék formájában)…  Vízkezelés, talaj és talajvíz remediáció, levegőszennyezés kezelése Page  9

IN SITU NANOREMEDIÁCIÓ ELŐNYEI

Page  10

Forrás: http://crnano.org/whatis.htm

NANORÉSZECSKÉKET ALKALMAZÓ REMEDIÁCIÓS TECHNOLÓGIÁK CSOPORTOSÍTÁSA

Page  11

REMEDIÁCIÓS NANOTECHNOLÓGIÁK ALKALMAZÁSA A VILÁGBAN  http://www.nanotechproject.org/inventories/remediation_map/  Nanotechnológia leltár : termékek, felmérések, remediáció…

 Nanoremediációs technológiák kivitelezése a világban  Kevés országban összpontosul  Területek: olajmezők, ipari területek, katonai területek  nZVI (Európa csak ez)  nZVI, EZVI, BNP, nanoperoxide…

Page  12

http://www.nanotechproject.org/inventories/remediation_map/

Nulla vegyértékű nanovas (nanoscale zerovalentiron, NZVI) alkalmazása 1.  Az NZVI-nak erős az oxidációs hajlama és oxidáció közben a reakciópartnert redukálja

 Nagyfokú reaktivitásának köszönhetően, kizárólag sűrű szuszpenzió formájában kerül beinjektálásra  NZVI kevésbé mobil, néhány méterre terjed csak el a beinjektálás helyszínétől a részecskék aggregálódása miatt.  A csoportosult szemcséket, amik néhány mikrométeresek is lehetnek, könnyű eltávolítani a vízből.

Page  13

Nulla vegyértékű nanovas (nanoscale zerovalentiron, NZVI) alkalmazása 2. NZVI-es eljárást alkalmazó talajvíz és talaj remediálása során történő alkalmazásnak két fajtája jellemző: Reaktív résfalat alkotnak a beinjektált vas szemcsék A vas részecskék polielektrolitos, felületaktív anyagos vagy cellulózos/poliszacharidos bevonattal módosított formában kerülnek beinjektálásra, majd kialakítanak egy reaktív „NZVI-csóvát”, ami a vizes fázisban található szerves szennyezőanyagokat megsemmisíti. Klórozott oldószerek (klórmetán, brómmetán, klórozott éterek, poliklórozott Page  14szénhidrogének) talajvízből való eltávolítása Peszticidek és festékek, policiklikus aromás szénhidrogének

Emulgeált nulla vegyértékű nanovas (Nanoscale emulsified zero valent iron, EZVI) alkalmazása 2. Emulziós cseppek felépítése:  Nulla vegyértékű vas (nanovagy mikroméretű)  Felületaktív anyag  Biodegradálható növényi olaj  Víz

Page  15

Emulgeált nulla vegyértékű nanovas (Nanoscale emulsified zero valent iron, EZVI) alkalmazása 2. Területek: festék gyártók, vegyszer gyártók, gyógyszer gyártók, ragasztó gyártók Szennyezőanyagok (halogénezett oldószerek)  Triklóretilén  Perklóretilén  Etilén-dibromid  Triklóretán  Széntetraklorid Page  16

EPA Nanotechnology: applications for environmental remediation application. https://cluin.org/techfocus/default.focus/sec/nanotechnology:_applications_for_environmental_remediation/cat/application/

SAMMS (Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports)  Adott célnak megfelelően közepes pórusméretű hordozóra egy molekula-réteget viszünk fel  Mind a hordozóhoz, mind a molekularéteghez tudunk molekulákat kötni, amivel specifikálhatjuk a SAMMS-et  Különböző funkciós csoportok köthetők molekularéteg külső részére.

http://availabletechnologies.pnnl.gov/technology.asp?id=169 Page  17

SAMMS (Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports)  A funkciós csoportot tartalmazó felületaktív anyagok egy réteget alkotnak a hordozón.  A kialakult struktúra nagy felületű, 989 m2/g, amely nagy funkciós csoport-sűrűséget eredményez.  Különböző funkciós csoportok nagy szelektivitással képesek adszorbeálni a szennyezőanyagokat Page  18

Különböző SAMMS-fajták és alkalmazásuk

Page  19

PAMAM (poliamidoamin) dendrimer  Innovatív: a dendrimerek és a dendritikus polimerek kulcsfontosságú pozíciókat töltenek be az új technológiai alkalmazások között.  Elágazó 3D szerkezetű molekulák - központi mag  A makromolekulák egy egyszerű magból épülnek fel, erre rakódhat újabb és újabb generáció (G).  Elágazó blokk polimerekből állnak - egy centrumból sugárirányban nőnek ki.  Egyedi tulajdonságaik az egységes méret, belső üregek kialakulása, vízben oldódnak, jól definiált molekulatömegük van.

Page  20

Dendritech – PAMAM Dendrimers. http://www.dendritech.com/pamam.html

PAMAM (poliamidoamin) dendrimer Részeik, felépítésük: - a mag, a reaktív központ, melyhez molekulák tudnak kapcsolódni, - az elágazások (dendronok), amelyek reaktív terminális csoporttal rendelkeznek, ezekhez további molekulák kapcsolódnak, - a terminális csoportok: amin-, hidroxil- vagy karboxil-csoportok. A dendrimerek képesek magukba zárni más molekulákat, ezáltal segítik azok vízben oldódását. Fémekkel kelátot képeznek. Page  21

Etilén-diamin magra épülő 5 generáció

PAMAM (poliamidoamin) dendrimer A dendrimerek nagyon hasonlítanak egymásra:

Hasonló molekulatömeg jellemző rájuk Specifikus méret és alak jellemzi őket Erősen funkcionalizált felszínnel rendelkeznek Ismétlődő lépések sorából áll a gyártási eljárás Minden újabb növesztési lépés a polimer egy újabb generációját adja, ami a molekula átmérőjét növeli

Page  22

PAMAM (poliamidoamin) dendrimer A táblázat a generációk hozzáadása révén bekövetkező tulajdonságbeli változásokat mutatja be

Gyógyszer szállító komplex Környezetvédelemben fémek eltávolítása (Cu2+, Cr3+, Pb2+, Ni2+, Zn2+) Page  23

Ciklodextrinek - szerkezet

Alfa-, béta és gamma- ciklodextrin szerkezete és molekuláris méretei (Szejtli, 1990)

A ciklodextrinek funkcionális szerkezeti sémája (Szejtli, 1990)

Page  24

• A külső felületen - hidroxil-csoportok  kifelé hidrofil sajátságot mutat vízben jól oldódik • A belső üreg felszíne hidrogénatomokból és glikozidos oxigénhidakból áll  gyengén apoláros  hidrofób tulajdonságú molekulák abszorbeálására képes.

Ciklodextrinek - alkalmazás  Gyógyszeripar: az oldékonyság és a felszívódás fokozására, a kellemetlen ízek lefedésére  Kozmetikaipar: a stabilizálásban, az illékonyság csökkentésében, a szabályozott (egyenletes) és hosszantartó aroma-, és illatanyag-leadás  Mezőgazdaság: ciklodextrinnel (CD) komplexált vegyületek -herbicidek, inszekticidek, fungicidek, feromonok, rovarriasztók, növekedésszabályozók. Oldékonyság fokozása a CD szerepe.  Élelmiszeripar: az illékony íz-, illat-, szín- és aromaanyagok védelme, és megfelelő továbbítása a cél.

Page  25

http://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/starchderivatives-market

Ciklodextrinek – alkalmazás Környezetvédelem  Szennyvíztisztítás oPAH, PCB, fenolok, tenzidek megkötése oaz eleven iszap védelme omikro-szennyezőanyagok eltávolítása…

 Levegőtisztítás ooldószergőzök megkötése ojódgőz megkötése ocigaretta füstszűrés…  Ciklodextrinek felhasználása talaj- és talajvízkezelésben o a talajon adszorbeálódott szennyezőanyagok deszorpciájának elősegítése o talajmosási technikákban o extrakciós eljárásokban o bioremediáció intenzifikálása… Page  26

Page  27

www.cyclolab.hu

Page  28

www.cyclolab.hu

Felhasznált irodalom [1] TOXNET http://toxnet.nlm.nih.gov/ (Toxicology Data Network), NLM US, National Library of Medicine [2] 10/2000. (VI.2.) KöM-EüM-FVM-KHVM együttes rendelet, a felszín alatti víz és a földtani közeg minőségi védelméhez szükséges határértékekről [3] http://www.webmineral.com/specimens/picshow.php?id=280#.UIbwZ4bm4VU [4] http://www.zmescience.com/research/studies/lead-lipstick-14022012/ [5] MOKKA http://mokkka.hu/ (Modern Mérnöki Eszköztár Kockázat Alapú Környezetmenedzsmenthez) [6] FRTR http://costperformance.org/search.cfm (Federal Remediation Technologies Roundtable) [7] Liu R. and Lal R. (2012) Nanoenhanced Materials for Reclamation of Mine Lands and Other Degraded Soils: A Review, Journal of Nanotechnology, Volume 2012, Article ID 461468, 18 pages [7]http://www.webmineral.com/specimens/picshow.php?id=1200&target=Vivianite#.UIcQO4bm4VU [8] http://www.gamineral.org/members-photo-db-mixite.htm [9] Xu Y. (2006) Removal of Copper(II) and Lead(II) from Soils by Poly(amidoamine) Dendrimers and Reductive Immobilization of Chromium(VI) by Stabilized Zero-Valent Iron Nanoparticles [10] http://www.dnanotech.com/category_s/20.htm?searching=Y&sort=7&cat=20&show=60&page=1

Page  29

KIEGÉSZÍTÉSEK

BIOTENZIDEK és speciális alkalmazásaik

Hozzáférhetőség növelése A bioremediáció gyakori korlátozó tényezője a szennyezőanyag korlátozott biológiai hozzáférhetősége.

 Hőmérséklet emelése  Tenzidek  Biotenzidek  Ciklodextrinek

Page  32

http://www.mdpi.com/1422-0067/17/3/401/htm

Biotenzidek A biotenzidek csökkentik az olajcseppek felületi feszültségét → mikrocseppek jönnek létre, amiket egy biotenzid réteg vesz körül.

http://www.titanoilrecovery.com/microscopic-photo.html Page  33

34

RHAMNOLIPIDEK ALKALMAZÁSAI  Talajremediáció, szennyvízkezelés  Olajipar  Mezőgazdaság: antibiózis, paraziták ellen, peszticidekben, nedvesítőszerként  Élelmiszeripar: emulziók előállítása  Gyógyszeripar: antibakteriális, antifungális  Kozmetikaipar: emulzifikáló Kamaljeet K. Sekhon Randhawa and Pattanathu K. S. M. Rahman (2014) Rhamnolipid biosurfactants—past, present, and future scenario of global market. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4151382/

Page  34

www.piacesprofit.hu

35

RHAMNOLIPIDEK A TALAJREMEDIÁCIÓBAN  Nehezen oldható, hidrofób anyagok hozzáférhetőségét növeli és biodegradációját elősegíti.  Biofilm kialakulásában segít  Nehézfém megkötés kelátképzéssel  In situ „talajmosás”: talajvíz összegyűjtéssel vagy anélkül  Természetes mikroflórával vagy inokulálással  Hátrány: – Drágább a biológiai előállítása Page  35

http://rhamnolipid.com/

OLAJIPAR Az első és másodlagos technológiák (hagyományos kihozatali technológiák) → a feltárt olajkészletek 5-35 %-a nyerhető ki

Page  36

Forrás: Benkő Mária PhD. Dolgozat (2012) Tenzidek zárványkomplex képződésének vizsgálata folyadékfázisban és adszorpciójuk tanulmányozása szilárd/folyadék határfelületen

37

RHAMNOLIPIDEK ALKALMAZÁSAI MEOR Microbial Enhanced Oil Recovery

Eset: Beatrice Field, Anglia: 25%-os hozamnövekedés

Forrás: www.cell.com Page  37

ISCO

ISCO - BIOREMEDIÁCIÓ  ISCO – BIOREMEDIÁCIÓ

 In situ Technieken - http://www.in-situ.nl/websiteEN/en_home.html  REGENESIS

Page  39

http://regenesis.com/site-remediationsolutions/in-situ-chemical-oxidation-isco/

VIZSGA - témakörök

VIZSGA – témakörök 1.  Környezeti kockázatmenedzsment eszköztára  Környezeti kockázatfelmérés – Kvalitatív és kvantitatív (célok és alkalmazások) – Csoportosítás hatásviselők szerint

– A környezeti kockázatfelmérés lépcsői, metodikája (kvantitatív esetén)  Környezettoxikológia – Célja, integrált metodika, osztályozási lehetőségek – Tesztorganizmusok (követelmények), végpontok, példák

 Környezeti kockázatcsökkentése

– Remediációs technológiák csoportosítása – Szennyezőanyagok sorsa a talajban

Page  41

VIZSGA – témakörök 2.  Környezeti kockázatcsökkentése – Immobilizáción, mobilizáción alapuló technológiák

– Fizikai, kémiai, termikus és biológiai folyamatokon alapuló talajremediáció – Természetes folyamatokon alapuló biodegradáción alapuló technológiák, a mérnöki beavatkozás fokozatai (NA, MNA, ENA, bioremediáció…) – Előkezelés, sztrippelés, termikus eljárások, ISCO, reaktív résfal, nanotechnológiák – Toxikus fémekkel szennyezett talajok remediációs eljárásai  Remediációs technológiák verifikációja – A verifikáció elemei

Page  42

Irodalom - KÖRINFO adatbázis, www.körinfo.hu : E-tanfolyam – Gyakorlati alkalmazás - Talaj és felszín alatti víz környezeti kockázatának csökkentése; http://www.enfo.hu/drupal/hu/node/795 - MOKKA adatbázis, www.mokkka.hu : 457, 458 és az 519. számú adatlap