Экологический менеджмент
..pdfоценивается в 9 млн долл., объединит тысячи нано- и микродатчиков в единую сеть по всей стране. Цели этой сети – обнаружение химического, биологического и радиологического загрязнения и оповещение групп быстрого реагирования. Датчики будут размещаться на многих из 30 тыс. имеющихся в США вышек сотовой связи и будут связаны между собой посредством 100 тыс. базовых радиостанций, образуя национальную наблюдательную сеть. Собираемые данные будет анализировать компьютер, он же будет определять направления распространения облака загрязняющих веществ и предупреждать местные группы быстрого реагирования.
Исследователи Pacific Northwest, Sandia, Oak Ridge и дру-
гих национальных лабораторий работают над нанодатчиками и другими передовыми технологиями для проекта «Сеть датчиков». Между тем неудивительно, что только Национальная лаборатория в Oak Ridge подписала меморандум о взаимопонимании с компанией, которой принадлежит треть всех вышек сотовой связи в США, достигла стратегического партнерства с другой компанией, которая обслуживает световую предупредительную сигнализацию для авиации на вышках сотовой связи.
Мониторинг качества морской воды. Группа ученых из Университета Северной Каролины при поддержке гранта Национального научного фонда США в 1,5 млн долл. разрабатывает сеть плавучих нанодатчиков, способных обнаруживать опасные микроорганизмы в океане и незамедлительно оповещать о них. Например, нанодатчики, несущие антитело, которое соединяется с токсичной водорослью под названием «бурый прилив», могут посылать сигнал в момент присоединения к ним микроорганизма. Сигнал может быть получен другими нанодатчиками, находящимися поблизости, передан остальным нанодатчикам и в конечном счете в Интернет. Полномасштабная рабочая версия океанической сети будет получена по меньшей мере через 10 лет. Она апробировалась в условиях техногенной аварии ВР (Флорида, США).
Мониторинг присутствия тяжелых металлов в пресной
331
воде. Нун-цзянь Tao (Nongjian Tao) из Университета штата Аризона завершает работу над системой на основе нанодатчиков, предназначенной для обнаружения ионов тяжелых металлов в воде. Тесты, имеющиеся в настоящее время, требуют сбора воды из реки или другого водоема и тестирования в лаборатории. Весь процесс может занять более недели, в то время как люди будут продолжать употреблять загрязненную воду. Нанодатчики Тао осуществляют длительный мониторинг качества воды и незамедлительно сигнализируют о присутствии опасных тяжелых металлов.
Мониторинг качества воздуха. Центр по применению тех-
нологий в сфере энергетики и защиты окружающей среды
(Energy&Environmental Technology Applications Center (E2TAC))
Университета Олбани (штат Нью-Йорк) занимается разработкой устройств для точного, длительного отслеживания присутствия газа и частиц химических веществ в воздухе в режиме реального времени. Е2ТАС ведет исследования в данной области в сотрудничестве с программой штата Нью-Йорк «Технология датчиков чистого воздуха для окружающей среды» (Clean Air Sensor Technology for a Livable Environment (CASTLE)), финан-
сируемой из частных и государственных источников. Целью программы является облегчение перехода от разрозненного громоздкого лабораторного оборудования, используемого для химического анализа, к портативным модульным системам, использующим интегрированные матрицы датчиков.
Изготавливаемые по микротехнологии газовые нанодатчики, в которых используется материал с наночастицами оксида металла, находят все большее применение в области мониторинга загрязнения воздуха, присутствия озона и др.
Защита сельскохозяйственных культур. Возможно исполь-
зование нанодатчиков для обнаружения и предупреждения потенциальных угроз состоянию и безопасности сельскохозяйственных культур – болезнетворных микроорганизмов, загрязняющих веществ, негативных факторов окружающей среды (свет/темнота, жара/холод, влажность/засуха), тяжелых метал-
332
лов и частиц аллергенов. В 2003 году Министерство сельского хозяйства США начало национальную исследовательскую программу для разработки систем обнаружения патогенов и загрязняющих веществ в сельском хозяйстве2. Такая система может быть создана за 10–15 лет.
Сверхчувствительные газовые датчики для обнаружения вредных веществ. Некоторые из газовых датчиков, имеющихся в настоящее время на рынке, способны определять газы в наноконцентрациях (<100 частиц на миллиард). Технологии, используемые для нанохимических датчиков, в настоящее время разрабатываются с применением нанотрубок, нанолент, нанопроволок, нанокантилеверов, наночастиц, нанокерамики. К компаниям, разрабатывающим химические и газовые датчики, основанные на углеродных нанотрубках, относятся Molecular Nanosystems, Nanomix и Xintek. Molecular Nanosystems, исполь-
зуя запатентованную технологию химического осаждения из паровой фазы с селективностью к площадкам, синтезирует углеродные нанотрубки на предопределенных местах с желаемой ориентацией на различных подложках, управляет свойствами углеродных нанотрубок путем их функционализации и интегрирует их в датчики и другие электронные устройства.
Компания Nanomix интегрирует элементы датчиков на углеродных нанотрубках с процессом КМОП на кремниевом чипе. Nanomix работает с формами применения, которые имеют преимущества благодаря чрезвычайно низкому потреблению энергии и очень высокой чувствительности. К первичным целевым рынкам относятся детектирование утечек химикатов (например, на нефтеперерабатывающих заводах), медицинский мониторинг, предупреждение о выбросе токсических газов и экологический мониторинг.
Xintek разработала наноразмерные водородные датчики для
2 Nanoscale Science and Engineering for Agriculture and Food Systems – отчет, предоставленный в Министерство сельского хозяйства США по результатам Симпозиума по национальному планированию, проведенного 18–19 ноября 2002 года.
333
использования в мониторинге содержания масел в силовых трансформаторах, которые найдут применение также в водородных транспортных средствах и стационарных водородных генераторах.
Совокупные коммерческие продажи нанохимических датчиков в 2010 году составили 11,2 млн долл. В основном это сверхчувствительные (менее 100 ppb) газовые датчики. Их применение в охране окружающей среды ожидается на рынке только к 2015 году. Продажи прогнозируются на уровне 32 млн долл.
Нанобиодатчики делают возможным селективное чувствительное детектирование широкого перечня биомолекул. Потенциальная форма применения нанобиодатчиков в защите окру-
жающей среды – детектирование влияния загрязнения посредством его влияния на живые клетки. Наиболее близко к коммерциализации использование нанобиодатчиков в анализе почв и поверхностных вод.
Потенциальная форма применения температурных нано-
датчиков в защите окружающей среды – мониторинг температуры модулей контроля над загрязнениями. Компания Nano Products является единственной коммерческой компанией, которая активно работает в области разработки температурных нанодатчиков. Рынок таких датчиков оценивается в 1 млрд долл. в год. Тем не менее после того, как компания Nano Products ушла с рынка датчиков, ни одна компания больше не разрабатывает температурные нанодатчики для применения на автомобильных, авиационных или других потенциальных рынках. С учетом низкого уровня коммерческого интереса к температурным нанодатчикам вряд ли рынок этих устройств будет развиваться быстро в ближайшие 5 лет.
ВРоссии, так же как и на мировом рынке, активно развива-
ется ниша нанодатчиков для мониторинга загрязнения окружающей среды.
ВИнституте проблем химической физики разработан газовый сенсор СО с трансмиттером. Сенсоры СО, использующие
334
новые нанокатализаторы, обладают высокой селективностью и меньшими габаритами (миниатюрны) по сравнению с сенсорами ряда зарубежных фирм. Ожидаемая потребность в новых сенсорах СО на рынке России – 10 тыс. шт. в год, а на рынках Европы и США – около 100 тыс. шт. По оценкам, основными потребителями новых сенсоров СО будут бытовой и промышленный сектор: новые сенсоры СО предназначены для контроля загрязненности воздуха и управления системами очистки воздуха в бытовых и производственных помещениях, гаражах, салоне автомобиля.
В Объединенном институте высоких температур (ОИВТ РАН) разработан метод лазерно-индуцированной инкандесценции для измерения размеров наночастиц. Методы оптической диагностики играют важную роль в исследовании процессов синтеза наночастиц из газовой фазы, в контроле их производства и при мониторинге загрязнения окружающей среды. Традиционные методы, такие как лазерная окстинкция и метод лазерного рассеяния, применяемые для определения объемной концентрации наночастиц, имеют ряд ограничений по сравнению с относительно новым методом лазерно-индуцированной инкандесценции (ЛИИ). Преимущества ЛИИ заключаются в том, что он может быть успешно применен как для измерения очень малых объемных концентраций наночастиц, так и для измерения размеров весьма малых частиц (от нескольких нанометров в диаметре) в широком диапазоне условий окружающей среды. В настоящее время в России измерение размеров наночастиц в газовой фазе на основе метода ЛИИ реализовано только в ОИВТ РАН. Результаты работы могут быть применены для создания диагностического комплекса по мониторингу загрязнений окружающей среды и средств контроля при производстве нанопорошков.
Институтом проблем химической физики (Черноголовка,
ИПХФ) разработан фотокаталитический очиститель воздуха
«Нанолюкс», который реализуется на российском рынке. Он предназначен для очистки воздуха от любых молекулярных ор-
335
ганических загрязнений, бактерий и вирусов в жилых, производственных и общественных помещениях. Работа прибора основана на фотокаталитическом окислении органических примесей на поверхности нанокристаллического диоксида титана под воздействием ультрафиолетового облучения с длиной волны 320–400 нм, что позволяет уничтожать практически любые органические загрязнители, в том числе те, которые не могут быть уничтожены другими методами очистки. Очиститель воздуха доведен до мелкосерийного производства.
Очиститель воды, разработанный Институтом, эффективно уничтожает токсичные органические примеси и патогенные микроорганизмы. Работа приборов основана на полном окислении молекул загрязнителя кислородом на поверхности нанокристаллического катализатора под действием ультрафиолетового излучения. В отличие от распространенных приборов адсорбционного типа фотокаталитические устройства не накапливают вредные примеси и не требуют их последующей утилизации. Используемый в устройствах фотокаталитический элемент отличается высокой эффективностью и долговечностью. Его конструкция и способ изготовления защищены патентами РФ. Очиститель воды находится в стадии опытного образца.
В Институте кристаллографии им. А.В. Шубникова (ИКАН) разработан монофотонный прибор «Биотокс-К» – при-
бор экспресс-оценки экологической обстановки. Принцип дейст-
вия устройства основан на использовании нанобиосенсора «Эколюм» – генетически модифицированной кишечной палочки, которая обладает люминесцентным свечением в видимом диапазоне. По интенсивности свечения определяется численность палочки в образце. При воздействии отравляющих веществ происходит гибель биосенсора и снижается интенсивность люминесцентного свечения. Излучение в приборе регистрируется фотоэлектронным умножителем с двумя микроканальными пластинами, что позволяет регистрировать слабое излучение биосенсора на уровне отдельных фотонов, т.е. реализовывать монофотонные измерения, которые являются
336
аналогом нанотехнологий в фотонике. Белок, который люминесцирует в бактерии модифицированной кишечной палочки, представляет собой нанообъект, излучение которого регистрирует прибор.
Институтом химии силикатов им. И.В. Гребенщикова (ИХС) созданы сенсоры озона, которые целесообразно использовать в технологических установках для определения предельно допустимых концентраций газа с целью оптимизации технологических процессов и охраны окружающей среды: в централизованных системах подготовки питьевой воды, очистки газовых выбросов, органического синтеза, в медицине при озонотерапии и санации воздуха.
В России активно развивается ниша нанофильтрации на основе нановолокон для микробиологической очистки воды
AquaVallis – новое поколение фильтровальных материалов на основе нановолокон оксидно-гидроксидных фаз алюминия, предназначенных для тонкой скоростной очистки водных сред от микробиологических загрязнений, коллоидных частиц, гуминовых кислот. Фильтровальный материал, изготовленный на основе нанотехнологий, обеспечивает удаление вирусов и бактерий из водных сред с эффективностью 99,999 999–100 % при скоростях фильтрации, характерных для обычного нетканого материала. В отличие от отечественных и зарубежных материалов, используемых для очистки воды, он позволяет гарантированно фильтровать воду даже в бытовых условиях (эффективность очистки от вирусов на шесть порядков выше существующих аналогов), а также обладает высокой сорбционной емкостью (около 4·1012 частиц/см2 материала). Для создания материала впервые предложен и реализован способ синтеза нановолокон в объеме полимерного микроволокна. Материал предназначен для изготовления картриджей для очистки воды в бытовых условиях и в промышленности.
Перспективными разработками в области экологии являются разработки, связанные с нанокомпозитами и нановолокнами. В Институте прикладной механики создан бактерицидный на-
337
нокомпозит на основе шунгита и серебра (нано-ШСБ), наполнитель для строительных материалов, применяемых в медицинских, детских и других учреждениях, связанных с потенциальной опасностью бактериального заражения и обсеменения пищи. Нанокомпозит обладает бактерицидным действием благодаря синергидному действию шунгитовых фуллеренов, частиц наносеребра и ионов серебра, растворяющихся в микрокаплях воды, конденсирующихся на поверхностях помещений. Нано-ШСБ может использоваться для изготовления ламинатов, лаков и красок, керамической плитки, линолеума, ковролина, бумажных и полимерных обоев, пенопластовых плит и других отделочных материалов.
ВИнституте химии разработана ресурсосберегающая механохимическая технология нанобиокомпозиционных материалов функционального назначения, отличающаяся компактностью, гибкостью, низким удельным энергопотреблением. Технология позволяет получать экологически чистые функциональные компо-
зиты на основе природных полисахаридов для различных отраслей промышленности (медицинской, нефтегазодобывающей, строительной, текстильной и др.).
ВСО РАН разработали нанографит для инженерной эко-
логии и медицины. Преимущества нанографита как сорбента: высокая сорбционная емкость, термическая и химическая устойчивость, экологическая безопасность, возможность оперативного получения нанографита на месте катастрофы, что решает проблему хранения и перевозки больших объемов малоплотного сорбента, а также проблему старения сорбентов.
Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов (ИПТМ) разработал сорбенты на основе углеродных нанотрубок для спектроскопических методов анализа и извлечения токсичных элементов из бытовых и природных вод. Согласно данным Института, сорбционные материалы изготовлены из многостенных углеродных нанотрубок, полученных методом каталитического пиролиза паров этанола. Новизна технологии заключается в том, что предварительно проведенные иссле-
338
дования выявили сильную зависимость сорбционных свойств материала от условий синтеза и последующей обработки. На основании полученных результатов выбраны оптимальные условия, позволяющие создавать материалы с улучшенными характеристиками. В результате на 1,5–2,0 порядка увеличивается чувствительность спектроскопических методов анализа и степень извлечения токсичных элементов из бытовых и природных вод по сравнению с другими углеродными сорбентами.
Особо необходимо отметить проект «Русские мембраны», реализуемый ЗАО НТЦ «Владипор». Продукция проекта – мембранное полотно и мембранные рулонные модули, которые ис-
пользуются в процессе фильтрации и обратного осмоса. Со-
гласно данным ОАО «РОСНАНО», прямыми покупателями продукции могут быть инжиниринговые компании, которые производят установки по очистке воды для конечного пользователя. В настоящее время в России работает около 150 российских и зарубежных компаний, использующих преимущественно импортные мембраны. Наибольший спрос на мембранные модули демонстрируют предприятия энергетики, машиностроения, химической промышленности, электроники (в совокупности 20 %), фармацевтики и медицины (24 %), пищевой промышлен-
ности (20 %).
11.4. Нанобиокомпозиты и нановолокна
Коммерциализация нанобиокомпозитов, как полагают специалисты, началась в 2011 году с появлением на рынке «зеленых» (биологически разлагаемых) автомобильных комплектующих. На комплектующие для автомобилей будет приходиться почти 55 % (6 млн долл.) прогнозируемого в 2015 году рынка нанобиокомпозитов (нанокомпозиты на PVOH-целлюлозе), а оставшуюся часть будет составлять текстильное применение – 4,5 млн долл. (нанокомпозиты на хлопке/глине).
Для производства биологически разлагаемых деталей эко-
логичных автомобилей необходимо разработать процессы производства нанокомпозитов в коммерческих масштабах и убе-
339
дить автомобильных производителей в целесообразности использования новой технологии. Крупные автомобильные производители, использующие в качестве своих конкурентных преимуществ экологичность (например, Volvo), будут использовать нанокомпозитные части в начале второго десятилетия.
В настоящее время сложно оценить фактические продажи к этому моменту, но, используя короткую кривую освоения для автомобильных комплектующих на основе глиняных нанокомпозитов в качестве опорной точки, разработчики полагают, что к 2015 году автомобильный рынок нанобиокомпозитов (нанокомпозитов на PVOH-целлюлозе) может составить 500 метрических тонн стоимостью 5 млн долл.
Укрепленные нановолокнами биопластики из целлюлозы в перспективе будут широко использоваться в различных областях автомобильных деталей. К другим возможным формам применения этого материала относится производство дешевых одноразовых устройств для очистки и фильтрации воды, которые будут способны удалять токсические металлы и другие соединения из загрязненной воды благодаря химически модифицированному низкосортному хлопку.
Опреснение жесткой и морской воды. Всего 1 % мировой воды может называться пресной. Основная же часть мировых водных ресурсов (97 %) находится в соленых океанах. Оставшиеся 2 % заморожены в полярных регионах. Поскольку потребление воды для промышленного, человеческого и сельскохозяйственного использования продолжает расти, жесткая и морская вода привлекает все большее внимание для использования в качестве источников питьевой воды. Решению этой проблемы способствует нанофильтрация. Процесс опреснения морской воды, основанный на двухэтапной нанофильтрации, который приводит к получению питьевой воды, соответствующей стандартам, предлагается Long Beach Water Department (Long Beach, СА).
Промышленное повторное использование сточных вод.
Технология нанофильтрации становится жизнеспособной альтернативой для фильтрации и повторного использования про-
340