Nanočástice v životním prostředí
J. Filip Regionální Centrum Pokročilých Technologií a Materiálů Univerzita Palackého, 17. listopadu 11, Olomouc
Životní prostředí
„Soubor veškerých činitelů, se kterými přichází do styku živý subjekt (organismus, populace, člověk, lidská společnost) a podmínek, kterými je obklopen, tj. vše, co na subjekt přímo i nepřímo působí. Obsah pojmu ž.p. se velmi často zužuje na životní prostředí člověka, lidské společnosti“ (Máchal et. al.: Malý ekologický a environmentální slovníček; 1997).
„Životním prostředím je vše, co vytváří přirozené podmínky existence organismů včetně člověka a je předpokladem jejich dalšího vývoje. Jeho složkami jsou zejména ovzduší, voda, horniny, půda, organismy, ekosystémy a energie“ (§ 2 zákona č. 17/92 o životním prostředí).
Výskyt nanočástic v životním prostředí Atmosféra Hydrosféra (koloidy – významná role při transportu látek) Litosféra (půdy, nukleační zárodky tuhé fáze, reakční lemy, nanolamely a domény v krystalických látkách) Biosféra (i člověk)
Vznik zejména na fázovém rozhraní
Typy nanočástic v životním prostředí
Přírodní nanočástice – přirozený výskyt (dříve je nebylo možné studovat dostupnými technikami) Antropogenně vzniklé nanočástice
nanočástice neřízeně uvolňované do ŽP a vznikající výsledkem určitých reakcí a procesů s negativním vlivem na ŽP bez prokázaného negativního vlivu na ŽP
nanočástice cíleně vpravované do ŽP
Analogie v organismech
přirozené nežádoucí cílené
Nanočástice v ovzduší
Nanočástice jako složka aerosolů v oblastech nezatížených zvýšenou prašností
Nanočástice jako složka aerosolů v oblastech zatížených zvýšenou prašností
Nanočástice v pracovním ovzduší
(Nano)částice v ovzduší – z biomasy
(Nano)částice v ovzduší – z vulkanické činnosti Vulkán Eyjafjallajökull
Cca 6 Tg/rok
(Nano)částice z vulkanické činnosti - další příklady
Další přirozené zdroje (nano)částice v ovzduší Meziplanetární prach
ročně 20 – 40 tis. tun
(Nano)částice v ovzduší – z eolické činnosti
Antropogenní zdroje nanočástic v ovzduší Saze z dieselových motorů
Filtr pevných částic
Hloubka (cm)
Mapa magnetické susceptibility půd v Polsku
0
0
10
10
20
20
30
30 t
40
40
50
50
Půdní profil
0 200 400
Susceptibilita
Další antropogenní zdroje (nano)částic - teroristické aktivity, demolice
Další antropogenní zdroje (nano)částic Laserové tiskárny Opalovací krémy
Grilování masa
Sušičky prádla
Vláknité (nano)materiály v ovzduší azbesty
asbestová vlákna se vyznačují vysokou pevností v tahu ve směru podélné osy vlákna (nelámou se při ohýbání), jsou chemicky inertní, nerozpustné v HCl nehořlavé, tepelně odolné.
NANOČÁSTICE V ORGANISMECH - rozmanité chemické složení a krystalická forma
- odlišný význam pro organismus
MIKROORGANISMY HMYZ
HOUBY, ŘASY
BAKTERIE
Včela medonosná Magnetospirillum gryphiswaldense
Fusarium oxysporum
Verticillium sp.
ĆLOVĚK
Holub poštovní PTÁCI, SAVCI
Pstruh duhový
Delfín skákavý
Nanočástice oxidů a oxyhydroxidů Fe v organismech
Mikrobiální biomineralizace Biogenní minerály jsou výsledkem dvou odlišných procesů: BIM – biologicky indukované mineralizace (biologically induced mineralization) minerály jsou produkovány extracelulárně BCM – biologicky kontrolované mineralizace (biologically controled mineralization) minerály jsou produkovány intracelulárně
BCM – biologicky kontrolované mineralizace magnetotaktické bakterie Magnetospirillum gryphiwaldense Fe3O4
0,5 m
MTB izolované z přírodního prostředí
BIM - biologicky indukované mineralizace Bakterie způsobují tvorbu nanočástic ovlivněním vnějšího prostředí BIM – nanočástice vytvářeny extracelulárně špatně krystalické nepravidelný tvar a poměrně široká velikostní distribuce nanočástic nedefinovaná morfologie
Gallionella ferruginea
Leptothrix ochracea
„todorokit“
Nanočástice oxidů železitých ve vodách a půdách
Přírodní ferrihydrit Fe5HO8 · 4H2O
~15 t/rok čistého ferrihydritu
~2300 t/rok: směs ferrihydrit + CaCO3
Jímací nádrže – Zlaté Hory
Další příklady nanočástic oxidů Fe ve vodách a půdách Cambishi, Zambie
0 10 20 30 40 50
depth (cm)
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 0.00
500.00
1000.00
1500.00
Fe (ppm) - excavation
As-schwertmannit
Fe (ppm) - outcrop
0 10 20 30 40 50 depth (cm)
60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
As (ppm) - excavation As (ppm) - outcrop
0.50
0.60
Nanotechnologie pro čištění vod
Environmentální aplikace přírodního ferrihydritu Katalytický rozklad H2O2
Residual As (mg/L
Sorpce AsIII a AsV
Residual concentration (mg/L)
VI V
Použití nanočástic biogenních oxidů železa pro odstraňování xenobiotik
Type of dye
Mass adsorption capacity (mg/g)
Bismarck brown
97.8
Malachite green
62.9
Acridine orange
49.3
Crystal violet
36.7
Safranin O
34.3
Použití syntetických nanočástic oxidů železa pro odstraňování As
Nanočástice elementárního železa
redukce: (Zhang 2003, J Nanopart Res)
oxidace
(Keenan et al. 2008, EST)
sorpce precipitace na površích katalýza
7700 m2
Compounds Tested and Treatable using commercial Fe0 Methanes: Carbon tetrachloride (CT) Chloroform Bromoform Ethanes: Hexachloroethane 1,1,1-Trichloroethane (TCA) 1,1,2,2-Trichloroethane 1,1,2,2-Tetrachloroethane 1,1,1,2-Tetrachloroethane 1,1-Dichloroethane (DCA)
Ethenes: Tetrachloroethene (PCE) Trichloroethene (TCE) 1,1-Dichloroethene trans-1,2-Dichloroethene cis-1,2-Dichloroethene Vinyl chloride
Other Organics: 1,1,2-Trichlorotrifluoroethane (Freon 113) Trichloroflouromethane (Freon 11) 1,2,3-Trichloropropane 1,2-Dichloropropane 1,2-Dibromo-3-chloropropane 1,2-Dibromoethane n-Nitrosodimethylamine (NDMA) Nitrobenzene
Inorganics: Chromium, nickel Lead, Copper, Zinc Nitrate, Arsenic
http://www.hepure.com/zero_valent_iron_treated_contaminants.html
Laboratoní testování nanočástic železa tetrachloroethene
trichloroethene
1,1-dichloroethene
1,2-dichloroethene
Treatment of selected metals using of nZVI
1.00%
10.00%
100.00%
1000.00%
U Zn V Pb Ni Cu Mn Cd Cr Be Ba As
Další aplikace nanočástic elementárního železa Odbourávání estrognů z povrchových a odpadních vod
Degradace yperitu 100
% estrogens removal
E2 75
EE2
EEQ
17β-estradiol (E2) 17α-ethinylestradiol (EE2)
50
25
0 0h 0 g/L
1h
3h
5h
0 g/L
1h
3h
5h
2 g/L
1h
3h
5h
4 g/L
1h
3h
5h
6g/L
samples
Military Institute
+ další mikropolutanty – léčiva (např. ibuprofen), pesticidy, herbicidy apod.
Pilotní testy s nanočásticemi železa Spolchemie Kuřívody Kara Trutnov Uherský Brod Františkovy Lázně Rožmitál p. Třemšínem
Svratka (MARS)
Pilotní aplikace nanočástic elementárního železa
Sum of chlorinated ethenes
Prior application One week after application
Concentration [ g/L]
12 000.00 10 000.00 8 000.00
HP-4
HP-5 1.5 m
6 000.00
HP-6 2.0 m
4 000.00
Direction of groundwater flow
2 000.00 0.00 HP - 4
HP - 5
HP - 6
9m
Pilotní aplikace nanočástic elementárního železa metodou direct push
Reaktivní plocha povrchu používaných nanočástic železa V pilotním měřítku používáno X až X00 kg nanočástic železa V konkrétní aplikaci použito 200 kg: Porovnání s makroskopickou formou železa:
<5
m2
~ 5 000 000 m2 Plocha přibližně 2.5 x 2.5 km
Geochemická bariéra využívající nanočástic železa
• zóna s odlišnými fyzikálněchemickými podmínkami - (pH, redox-potenciál, sorpční kapacita, biogenní pochody) • vyskytuje se relativně běžně v přírodě - faciální změny sedimentace - vertikální zonalita • možno generovat uměle - uměle vytvořená linie v horninovém prostředí, kde řízeně probíhají geochemické reakce mezi horninovým prostředím, podzemní vodou a dodávanými reagenty - neklade hydraulický odpor podzemí vodě
Geochemická bariéra využívající nanočástic železa Obsah ClE bariera C - listopad 2012 DBC-10
2142
DBC-7 DBC-9
2385 DBC-5
2412
2547 DBC-3
DBC-6
DBC-8
2625
DBC-4
2437
2958
2451 DBC-2
DBC-1
2722
DfB-4
1648
2236
HV 12
1798
A-4
2568 2m
Obsah ClE bariera C duben 2013 DBC-10
54,6
DBC-7 DBC-9
301
362
DBC-5
277 DBC-3
DBC-6
237
DBC-4
218
53 DBC-2
829
DfB-4
DBC-8
2533 DBC-1
164
621
HV 12
126
Vysvětlivky: monitorovací vrty vrty difúzní bariery vrty s anodou 2m
izolinie ClE (ug/l)
A-4
325
Odstraňování sinic z povrchových vod pomocí nanočástic kovového železa Vysoká a selektivní toxicita nanočástic kovového železa vůči cyanobakteriím. Toxicita vůči dafniím, vodním rostlinám a rybám je o 2-3 řády nižší!
Deformation of cells Original cells
Cell destruction
B. Maršálek et al. EST 46, 2316, 2012; R. Zbořil et. al. PCT/CZ2011/0075
