9.5. Достижения и новые парадигмы

9.5.1. От открытия к применению: наноструктурный материал МСМ-41

Дж. Дж. Уайз¹

Еще в те времена, когда в химической промышленности широко приме­нялись только аморфные металлооксидные подложки для катализаторов, исследователи фирмы «Мобил ойл» осуществляли долгосрочную программу изучения кристаллических материалов в качестве подложек (рис. 7.4). Эта программа позволила осуществить революционные преобразования многих процессов, связанных с катализом и его применениями .В ее рамках проводилось изучение це­олитов, а также пористых материалов с заданными формой, химическими свойствами поверхности и размером пор менее 1 нм. Полученные цеолиты Y и ZSM-5 сейчас широко используются в разных странах в нескольких важ-

Рис.7.4.

нейших процессах каталитической переработки нефти и нефтепродуктов, что дает миллиарды долларов дополнительной прибыли.

9.5.2. Наночастицы в окружающей среде

А. Навроцки¹

В окружающей среде (включая почву, водную среду и воздух) наночастицы разного типа (оксиды железа, глина и другие коллоиды) выступают в качестве основных переносчиков как загрязняющих агентов, так и питательных ве­ществ. Поэтому изучение механизмов переноса с их участием должно помочь правильно распределять или связывать в среде полезные (или, наоборот, вред­ные) органические и неорганические вещества. Для ускорения или замедления конкретных процессов исследователям необходимо изучить морфологию, аг­ломерацию и покрытия природных наночастиц, а также научиться управлять этими характеристиками. Можно указать следующие примеры использования или активного исследования природных наноструктур: 1) применение цеоли­тов и других пористых пород в качестве так называемых «кондиционеров», особенно в системах регулируемого водоснабжения; 2) использование глины и цеолитов в качестве защитных материалов на проектируемом хранилище раиоактивных отходов в Юкка-Маунтин; 3) регулируемое выделение железа, фосфора и других питательных веществ из неорганических удобрений; 4) вве­дение в пищевые продукты алюмосиликатов в качестве структурирующих агентов (например, для получения диетических, немолочных сливок) или цео­литов в корма для животных (считается, что это способствует быстрому росту свиней); 5) использование цеолитов в качестве ионообменников для очистки воды и с различными детергентами; 6) использование силикагеля и других на-нофазных твердых осушителей (обезвоживающих средств). Многие из указан­ных здесь материалов уже производятся в качестве обычных промышленных товаров, не связанных с высокими технологиями, однако существуют возмож­ности для их модификации, что позволит использовать их для решения более сложных задач (в частности, регулирования переноса лекарственных препара­тов внутри организма, создания систем регенерации на космических станциях и в других замкнутых помещениях).

Разработка методов быстрой идентификации, описания и анализа наноча­стиц (включая анализ состава, содержания следовых элементов, атомной структуры и морфологии) позволит надежнее оценивать их роль как загрязни­телей окружающей среды, а также однозначно определять источники загрязне­ния. Например, существующая методика определения «асбеста» основана иск­лючительно на форме частиц (фактор формы > 10) и нуждается в улучшении, поскольку накоплено много данных, свидетельствующих, что токсичность та­ких частиц сильно зависит от их химического состава. Механизмы токсическо­го действия наночастиц мало изучены, однако можно надеяться, что знания в этой области значительно расширятся после появления наносенсоров и нано-устройств, позволяющих регистрировать малые количества загрязняющих агентов в воздухе и воде.

9.5.3. Нанопористые полимеры и их применение для очистки воды

Д. Лай, Т. К. Лоу¹

Использование циклодекстринов в качестве основных элементов структуры позволило синтезировать [1] совершенно новый класс органических нанопо-ристых полимеров с узким распределением пор по размерам (0,7—1,2 нм). Та­кие высокотехнологичные нанопористые полимеры (рис. 7.5) обладают очень

высокой способностью к «захвату» и переносу органических молекул-гостей на поверхностях раздела вода/твердое тело. Константа связывания органических молекул-гостей такими полимерами на восемь порядков величины превосхо­дит соответствующее значение для молекулярных циклодекстринов в воде, причем описываемый процесс является полностью обратимым в органических растворителях, аналогичных по действию этиловому спирту. Огромное значе­ние этих разработок обусловлено тем, что контакт воды с полимерами подо­бного типа может снизить содержание в ней опасных органических загрязни­телей практически до нуля (до нескольких частей на триллион).

9.5.4. Фотокаталитическая очистка жидкостей

Д. С. Гинли¹

Введение активных агентов в отходы в месте их хранения или образования должно стать одним из основных методов очистки среды. На рис. 7.6 показа-

Рис. 7.6. Использование наноструктур для фотокаталитической очистки жидких от­ходов, а — общая схема процесса; б — неорганический фуллерен MoS; в — однослой­ная углеродная нанотрубка.

ы схема очистки с использованием фотокаталитических систем и две конк­ретные наноструктуры, обладающие фотокаталитической активностью. На рис. 10.3, а представлен принцип использования наноструктурных частиц или пленок при фотокаталитической очистке отходов производства [2]. Процессы такого типа могут также применяться для окисления органических отходов и биологических загрязнителей. В настоящее время они уже проверяются на многих производствах и можно считать доказанным, что введение нанострук­турных материалов в жидкие отходы позволяет связывать загрязняющие ве­щества, в результате чего отходы очищаются до уровня, безопасного для окру­жающей среды.

В таких процессах предполагается использовать два новых материала, пока­занных на рис. 7.6, б и в. На рис. 7.6, б представлена структура неорганиче­ского фуллерена, построенная из атомов Мо и S [3]. Поверхности такой регу­лярной структуры должны быть относительно инертны к ван-дер-ваальсовым взаимодействиям, а ее оптическая запрещенная зона попадает в область види­мого света, что делает такую структуру идеальным агентом для фотоокисления жидких отходов. На рис. 7.6, в показана однослойная углеродная нанотрубка. В гл. 9 указывалось, что такие структуры могут эффективно использоваться для очистки газовых потоков и в качестве среды для аккумулирования водорода [4, 5], адсорбции тяжелых металлов и других примесей. С помощью соответству­ющей модификации указанным неорганическим фуллеренам и углеродным нанотрубкам может быть придана специфическая химическая функциональ­ность и избирательность.

10.5.5. Наноструктуры с иерархической самосборкой для адсорбции атомов тяжелых металлов

Г. Экзаргос, Г. Самара, С. Т. Пикро¹

На рис. 7.7 схематически показано строение функционального мезопористо-го композитного материала, представляющего собой силикатную решетку с цилиндрическими порами, образующими сотообразную структуру с очень вы­сокой удельной поверхностью и наноразмерными порами. Поры действуют как ловушки для захвата молекул заданного размера, а химические функцио­нальные группы обеспечивают образование плотных монослоев на поверхно­сти стенок. Один конец молекулы жестко связывается с керамической подлож­кой, а второй остается свободным и может взаимодействовать с веществами, подлежащими удалению.

Такие нанокомпозиты, образующиеся в результате самосборки монослоев на мезопористых подложках, не только весьма эффективны при очистке сто­ков от ионов тяжелых металлов, но и могут найти многочисленные примене­ния в технологиях, связанных с энергетикой, разделением веществ, катализом и очисткой окружающей среды.