Nano zero Vilent Iron
Nano zero Vilent Iron mają wiele zastosowań, począwszy od filtrów do elektrody do okopów. Jednym z zastosowań dla wschodzących rekultywacji Zvi jest ściana żelazo. Ta technologia wykorzystuje ZVIs, tworząc przepuszczalną reaktywnej bariery (PRB), który filtruje się zanieczyszczeń w wodach gruntowych, pozostawiając tylko odkażone gruntowych oraz rozpuszczonego żelaza z drugiej strony PRB.
W ciągu ostatnich 15 lat, metaliczne żelazo w nanoskali (nZVI) badano jako nowe narzędzie w leczeniu zakażonej wody i gleby. Technologia osiągnęła stan handlowy w wielu krajach na całym świecie, jednak nie jest jeszcze zyskać powszechną akceptację. Ta recenzja podsumowuje naszą współczesną wiedzę nZVI wodnej na korozję, produkcji i wdrażania, wraz z metodami w celu zwiększenia reaktywności cząsteczek, stabilność i mobilność podpowierzchniowych. Przyczyny braku powszechnej akceptacji są również badane. Kluczowe czynniki to: obawy o los długoterminowego, transformacji i ekotoksyczności nZVI w systemach ochrony środowiska, a na brak porównywalnych badań dla różnych materiałów nZVI oraz strategie wdrażania. Podkreślono, że jest kilka badań do tej pory systemy bezpośrednio analogiczne do chemii, biologii i architektury środowiska lądowego zbadane. Takie badania wykazały wschodzących nowych problemów, w tym poszukiwanie ponowna mobilizacja metali ciężkich i radionuklidów w dłuższym okresie. Fundamentalne znaczenie jest w stanie dokładnie przewidzieć długoterminowych fizyczne, chemiczne i biologiczne los po leczeniu miejsc skażonych podkreśla i nZVI, w ramach tego, uniwersalny ramach testów empirycznych dla nZVI sugeruje.
Ze względu na ich wielkość, nanomateriały Wykazano, że posiada charakterystyczny chemiczną,, elektroniczny, właściwości magnetyczne, mechaniczne i optyczne katalityczne [1]. W ciągu nieco ponad 15 lat, wielodyscyplinarny nano "Boom" doprowadził do rozwoju szerokiego zakresu nowych technologii dla zastosowań zarówno domowych i przemysłowych; począwszy od zwiększonej dostarczania leku dla nowych metod leczenia zanieczyszczonej wody.
Jak rozmiar cząstek zmniejsza się, udział atomów znajdujących się na powierzchni zwiększa się, co zwiększa jego skłonność do adsorpcji, interakcji i reaguje z innymi atomami, cząsteczkami i kompleksów w celu osiągnięcia stabilizacji ładunku. Dodatkowo, ich wielkość umożliwia miniscule nanocząstki jako włączone do wodnych zawiesin i zachowują się jak koloid. Takie unikalne właściwości zostały pokazane jako korzystne dla różnych zastosowań. Na przykład, w skali makro srebra uważany jest za chemicznie obojętne, a w nanoskali, srebro jest używany w szerokim zakresie zastosowań, takich jak przeciwbakteryjne sterylizacji, absorpcję energii słonecznej, jako katalizator dla wielu reakcji chemicznych, [2]. Dziś nanomateriałów są w wielu produktach, które stosujemy na co dzień. W Woodrow Wilson nanotechnologia konsumpcyjnych listy zapasów produktów ponad 1000 przedmiotów codziennego użytku [3]. Na przykład, nanorurki węglowe są wykorzystywane w celu zwiększenia wytrzymałości sprzętu sportowego i materiałów budowlanych, nanocząstki dwutlenku tytanu są wykorzystywane do powierzchni "samooczyszczające" i zwiększonej ochrony przed promieniowaniem UV, podczas gdy nano-krzem jest stosowany w celu zwiększenia szybkości i wydajności procesorów komputerowych.
W jednym aspekcie globalnym nano-rewolucji, potencjalnego zastosowania nanomateriałów w leczeniu zanieczyszczonych wodach wywołał ogromne zainteresowanie. W porównaniu z konwencjonalnymi materiałami makroskali nanomateriały wykazują znaczące poprawę powierzchni w funkcji masy. Używając mniejszej masy materiału do osiągnięcia tego samego celu, zarówno surowców i energii może teoretycznie być konserwowane [4] i towarzyszących temu istotnych oszczędności kosztów. Dodatkowo (i znacznie) ich koloidalna rozmiar pozwala wdrażanie podpowierzchniowe przez wstrzyknięcie z szybkim leczeniu wodnych zanieczyszczeń w prawie każdym miejscu i głębi w systemach wód lądowych.
Koncepcyjnie, najważniejsze właściwości wymagane do korzystania z jakiegokolwiek inżynierii nanocząstki w rekultywacji zanieczyszczonych wód gruntowych in situ są: (i) o wysokiej reaktywności do usuwania zanieczyszczeń; (ii) wystarczającą mobilność w ośrodkach porowatych; (iii) wystarczającą reaktywne długowieczność; oraz (iv) niska toksyczność. Te właściwości są sterowniki pracy, ale w tym samym czasie, materiał musi być wytwarzane i stosowane w których wartość jest konkurencyjny w stosunku do innych istniejących technologii. Nie wielu inżynierii nanocząstki spełniają wyżej wymienione wymagania. Przykładowo nanocząstki srebra są dobrze znane z ich reaktywnością wodnych zanieczyszczeń, a także ich stabilności zawiesin koloidalnych [2]. Jednak do oczyszczania wód podziemnych, koszt materiału dla ilości kilogramów, oprócz dobrze znanych problemów toksyczności środowiska, pozwala na ich zastosowanie [5]. Ze względu na jej niski koszt, kompatybilność środowiska i wysokiej reaktywności najszerzej badanych nanomateriał do oczyszczania wody jest metaliczne żelazo (zwany dalej nZVI) [6].
Z prostej widzenia, korozji degradacja materiału spowodowanego przez środowisko, w którym się ona znajduje. Produkcja wszystkich metali z tlenku wymaga nakładu energii iw rezultacie materiał ma silną termodynamicznej siły napędowej, aby powrócić do stanu natywnej niskoenergetycznego. Ten proces rewersji jest powszechnie określany jako korozji; nieunikniony sposób, ale taki, który może być sterowany za pomocą różnych metod. Metaliczne żelazo (Fe0), określane również jako zero-walentnej żelaza, jest dobrze znana jako bardzo podatne na korozję w środowisku wodnym. Jego korozji uważane występuje głównie w wyniku procesu elektrochemicznego z anodowych i katodowych składników. Reakcja anodowy obejmuje rozpuszczanie Fe0 (tworząc produkty rozpuszczalne lub nierozpuszczalne jonowe tlenku / wodorotlenku) i jest połączona z redukcją redoks gatunków nadających się na katodzie. W wodach naturalnych, podstawowe elementy dostępne dla reakcji korozyjnych rozpuszczonego tlenu (DO) i wody, przy czym ten pierwszy jest termodynamicznie uprzywilejowane (równań. (1) i (2)).
1.3. Reaktywność środowiska: metaliczne żelazo lub tlenek żelaza?
Podczas korozji wodnej zarówno Fe0 i Fe2 + jest aktywnym źródłem Fe3 + (aq), H2 i różnych osadów, takich jak Fe (OH) 2, Fe (OH) 3, Fe3O4, Fe2O3 FeOOH, Fe5HO8 · 4H2O i zielone rdzy. To właśnie te reakcje korozji i produkt (sole), które są odpowiedzialne za redukcyjnego przekształcania i / lub usuwania fizycznej (sorpcji lub enmeshment) narażonych związków chemicznych. Jako powierzchnia wytrąca się tlenek żelaza / wodorotlenek początkowo porowaty materiał można opracować "core-shell" struktury podczas wczesnych etapów reakcji zarówno z sorpcji (na tlenku / wodorotlenku) i redukcji chemicznej (na metaliczny tlenek żelaza / wodorotlenku interfejsu ), który może pojawić się równocześnie. Jednak w miarę postępu reakcji, zwiększenie ilości produktu (-ów), na korozję i obniżenie współmierne z porowatości materiału może znacznie ograniczać bezpośrednie Fe0-H2O / O2 i Fe0-zanieczyszczających oddziaływania [7]. Należy także zauważyć, że w tym etapie, ze względu na kinetykę początkowych etapach utleniania Fe0 są tak szybkie, korozja będzie postępować również w bardzo kontrolowanych warunkach. W związku z tym, Fe0, że wprowadza się do systemu, środowiska (czy to w postaci granulatu lub nZVI) zostanie już warstwę tlenku na powierzchni nabyte bezpośrednio po syntezie. Dlatego, od samego początku, to należy rozumieć, że aczkolwiek nanomateriał jest określany jako metaliczny każda cząstka występuje w naturalnych warunkach z cienkie otaczającej warstwy tlenku na powierzchni [8] i [9].
Tu lepsze:
Nanocząstki są w wielu produktów, które używamy na co dzień i są potajemnie wprowadzanych do środowiska, w coraz większych ilościach. Chociaż obecny bilans masy dla nanocząstek w systemie środowiska jest obecnie nieokreślone nie można wykluczyć, że duża ilość antropogenicznych nanocząstek, z rosnącej różnych źródeł, może znaleźć drogę do systemów wodnych [120], atmosfery i gleby.
Przez stowarzyszenie, pojęcie celowo wstrzyknięcie zmodyfikowanych nanocząstek do systemów wodnych na środowisko, choć jako środków naprawczych, konsekwencji cieszy kontroli i zaniepokojenie zarówno władz akademickich i środowiskowych. Te same właściwości, które sprawiają, nZVI potencjalnie przydatne do rekultywacji środowiska naturalnego, w szczególności ich niewielki rozmiar i wysoka reaktywność redoks, również ich potencjalnie szkodliwe dla organizmów żywych [121]. Do tej pory, ograniczoną liczbę badań podano toksyczność udowodnić na komórki o różnych typach [122], [123], [124], [125], [126], [127] i [128].
Keenan et al. [128] wykazały, że nZVI mogą szybko reagować z tlenem i powodują śmierć komórki płuc podczas Pisanic et al. [125] stwierdzili, ograniczony wzrost i uszkodzenia w komórkach nerwowych narażonych na nZVI. Głównym mechanizmem uszkodzenia komórek uważa się za związane z nZVI reakcji utleniania, gdzie redox cycling i wytwarzanie reaktywnych form tlenu (ROS), zmniejszonego żelaza w komórce może spowodować peroksydacji lipidów i uszkodzenia struktur wewnętrznych, takich jak DNA, [129] [130] i [131]. Dowody wskazują również nZVI mieć większą ekotoksyczności niż nanoskali magnetytu [127], podkreślając znaczącą rolę zredukowanego żelaza (Fe2 + lub Fe0) w powstawaniu efektów toksycznych. Wynik ten sugeruje, że tlenki żelaza / wodorotlenki wytwarzane przez korozję nZVI powodują znacznie mniejsze zagrożenie, ponieważ ich nieodłącznie nano-toksyczność jest niższa, a wzrost ich objętości (w skali makro) znacznie zmniejsza prawdopodobieństwo wychwytu komórkowego.
Badanie przeprowadzone przez Pisanic et al. [125] wykazały, że nZVI powłokami stabilizujących, takich jak kwas akrylowy, w wyniku dalszych uszkodzeń komórkowego ponieważ cząstki istniało przez dłuższy okres czasu bez rozkładu. Kształt i wielkość cząstek jest również połączony do osadzenia i toksykologii nanocząstek, przy coraz mniejszych cząstek wykazujących toksyczność wzmacniającym.
Jak dotąd, laboratorium "in vitro" testy wykazały toksyczność nZVI na pojedyncze kultury komórek i organizmów testowych w sterylnej dejonizowanej wodzie lub roztworze soli zbuforowanym fosforanem (PBS) w ciągu stosunkowo krótkiego przedziały czasowe (<1 h), a badania przy użyciu "prawdziwych" próbki i środowiska odpowiednie ramy czasowe są bardzo ograniczone [132]. Może się okazać, że nanocząstki w środowisku naturalnym będzie mniej toksyczne niż wskazany przez eksperymenty laboratoryjne z wykorzystaniem parametrów syntezy. Na przykład, w badaniu przeprowadzonym przez Dong et al. [133] fulereny C60, które w laboratorium zniszczyć drobnoustroje, nie zaobserwowano poważne uszkodzenie kultur bakterii obecnych w glebie po ekspozycji na 30 dni.
Ponieważ reakcje, które decydują o losie Fe0 są dobrze poznane, los nZVI podpowierzchniowych oraz w środowiskach wodnych mogą być dość dobrze przewidział [134]. Ostre czułość redox nZVI, który napędza wysokie wskaźniki zanieczyszczeń i korozji obserwowanej reakcji, mówi, że ich trwałość w środowiskach podpowierzchniowych będzie ograniczona. Bez zasadniczej zmiany w składzie i strukturze nZVI możliwe jest, że nawet najbardziej skuteczne stabilizowane i inżynierii nZVI może być unieruchomiony w górotworze poprzez agregację, sorpcji mineralnego lub degradacji oksydacyjnej, w ciągu czasowych rzędu kilku dni do kilku tygodni. Resultantly, nZVI w wodach gruntowych jest bardzo mało prawdopodobne, aby go do ludzi i innych ssaków, jak będą się w podziale na długo przed kontaktem.
Największe ryzyko, że nZVI stanowią dla ludzi jest w oczywisty podczas przenoszenia, na drodze inhalacji, a nie gdy znajduje się w ziemi. Odpowiednia pielęgnacja i środki ostrożności powinny być podjęte w oczywisty sposób podczas pracy luźne, suche nZVI ale przy użyciu materiału w sposób, w jaki są przeznaczone czyli w ciekłej zawiesiny, jakiekolwiek bezpośrednie zagrożenie ludzkiego jest usuwany.x
Niezależnie od realizacji nZVI do oczyszczania środowiska skażone polegać na bioremediacją jako proces równoczesnego lub zacisku i zapobiega metalu i / lub niemetalu zanieczyszczeń ponowne uwolnienie [135]. Mikrobiologicznie pośredniczy reakcje z Fe może zarówno pomoc i utrudniają reakcje usuwania zanieczyszczeń wodnych. Na przykład, Fe3 + -reducing mikroorganizmy można zmniejszyć i osad szeroki zakres metali zanieczyszczających wysokiej wartościowości (takich jak U, Cr i Tc) do bezpośredniej redukcji enzymatycznej i przez redukcję pośredniego katalizowanej biogennych Fe2 +, ale również wykazano uwolnienia szeroki zakres metali śladowych wcześniej związany z fazy Fe3 +, [136].
Wstępne badania z zastosowaniem nZVI zgłaszali różne wyniki w zależności od wybranych parametrów doświadczalnych. Jednak większość badań za pomocą "prawdziwych" próbek w niskich stężeniach nanocząstek zgłaszali minimalne niekorzystny wpływ na funkcjonowanie roślin, mikroorganizmów i gleb [137] i [138]. Choć warunki chemicznie redukujące nasycony przez zastosowanie nZVI jest porównywalny do warunków, w których rozwijają się bakterie beztlenowe i proliferacji, zdolność mikroorganizmów do przetrwania w warunkach silnie redukujących (np -500 do -600 mV) wymaga dodatkowej dokumentacji. Ponadto łagodne warunki redukujące (np -100 -300 mV do) okazały się podatne na niektórych beztlenowych mikroorganizmów, takich jak methanogens, ale konieczne są dalsze badania do określenia podstawowych szlaków metabolicznych związanych, w tym, czy zmiany gleby, takich jak mleczan w glebach o niewystarczających donorów elektronów i / lub całkowitego węgla organicznego (TOC) są wymagane [139].
Jak wyjaśniono w rozdziale 3, potencjalnego reedycji metalu i / lub metaloidów zanieczyszczeń po okresie pozornej rekultywacji jest kwestią, która może znacznie ograniczyć zakres, w jakim ta technologia jest opracowany i wdrożony. Istnieje zasadnicza potrzeba zbadania odwracalny charakter takiej chemicznej i / lub szlaków biologicznych w celu określenia odpowiedniego nZVI fizykochemicznych kompozycji, bezpłatne materiały / substancje chemiczne, które mogą być stosowane w połączeniu z nZVI i procedury do iniekcji, które są synergistyczne w długim okresie chemii i biologii zanieczyszczonej miejscu.
Nanoscale
Oprócz korzystania z "typowy" żelazo skalę w prbs, nanocząstki (1-100 nm średnicy) zawierającego żelazo (nZVI zerowartościowe) mogą być używane. Istnieje niepewność co do cech tej technologii, które sprawiły, że trudno jest zaprojektować aplikacje dla optymalnej wydajności lub w celu oceny ryzyka dla zdrowia ludzi lub ekologicznej.
Jednak kilka kluczowych faktów zidentyfikowano związane nZVIs których zignorowanie może prowadzić do nieporozumień technologii.
Są one następujące: 1) nZVIs stosowane w oczyszczania wód są większe niż cząstki, które wykazują "prawdziwych" efekty nano-rozmiarze 2) wysoka reaktywność nZVI głównie ze względu na duży specyficzny obszar powierzchni i 3) ruchliwość cząstek nZVI będzie, w niemal wszystkich istotnych scenariuszy, może być mniejsza niż kilka metrów (jeden implikacją tej ograniczonej mobilności jest to, że narażenie człowieka na skutek wniosków naprawczych z nZVI jest prawdopodobnie minimalny). Jednak nadal istnieje wiele cech tej technologii, o których niewiele wiadomo: na przykład, jak szybko nZVI zostaną przekształcone i do tego, co produkty, czy to reszta będzie wykrywalny w środowisku, i jak modyfikacje powierzchniowe nZVI zmieni jego długa -term los i efektywności środowiskowej dla rekultywacji. [4]
Odgórne podejście do produkcji nano-ZVMs zaczyna się od dużej cząstki metalu (ziarnistej lub mikroskali) i rozkłada go. W tym celu, albo środki mechaniczne lub chemiczne, które mogą być stosowane, obejmują, ale nie są ograniczone do frezowania, trawienie, a obróbkę. Z drugiej strony, podejście oddolne polega na "rosnące" nanocząsteczki syntezy chemicznej samodzielnego montażu, montażu itp pozycyjnego [8]
Powstaje sobie w takich reakacach:
Anaerobic corrosion: Fe0 + 2H2O → Fe2+ + H2 + 2OH−
Aerobic corrosion: 2Fe0 + O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4OH−