Доклад МБОУ "Школа №104" в рамках проведения девятой Всероссийской школьной недели высоких технологий : " Исследовательская работа по химии Сорбционная очистка воды в автомойках замкнутого цикла с использованием наноматериалов и нанотехнологий"

 

 

 

2. Принцип работы сооружений по очистке воды

  В основе любой системы по очистке воды для автомоек лежит принцип отстаивания и последующей фильтрации. Перед попаданием в резервуары-отстойники вода проходит через так называемый приемный лоток, на решетках которого остаются крупные механические загрязнения. Далее посредством отстаивания различные взвешенные твердые частицы – смесь пыли, золы, сажи, сульфатов и т.д. оседают на дно, а нефтепродукты всплывают на поверхность, после чего удаляются специальным оборудованием. Осветленная вода проходит через фильтры «песколовы». Очищенная вода отправляется либо в канализацию, либо подвергается более тщательной очистке в целях повторного использования. Полученный в результате отстаивания осадок обезвоживают и вывозят. Необходимость очистки воды обусловлена сохранением экологии. Таким образом, если автомойка не пройдет сертификацию и не подтвердит свою экологическую безопасность, она не будет допущена к работе. Ежедневно расходуя большой объем, организация несет существенные расходы, связанные с оплатой счетчиков. Замкнутая система очистки воды для автомойки позволит повторно использовать уже отработанную воду после того, как она пройдет через систему отстойников и фильтров. При использовании таких систем экономия воды составляет порядка 80%. Оставшиеся 20% теряются вместе с грязью и примесями. Таким образом, система очистки воды для автомоек – экономия средств и экологичность.

 Каких типов бывает система рециркуляции воды для автомойки? Очистные сооружения при замкнутом системе могут быть трех видов:

1. Первый способ организации системы состоит из следующих этапов: отстойники, последовательная тонкая фильтрация, адсорбация мелких частиц. При адсорбации мелкие загрязнения поглощаются поверхностями твердых тел – адсорбентами. В роли адсорбентов могут выступать силикагели, алюмогели, активные глины, зола, шлаки, опилки, торф и т.д.

2. Метод флотации основывается на удалении частиц, которые легче воды и не выпадают в осадок. При помощи манипуляций с разряженным воздухом такие загрязнения выводятся на поверхность, после чего удаляются специальным оборудованием. После флотатора осветленная вода подвергается очистке посредством сорбционного фильтра. Флотация наиболее эффективна для очищения воды от нефтепродуктов.

3. Еще один способ основывается на реагентной очистке воды с последующей фильтрацией. Возможны два варианта реагентной очистки: Коагуляция. Специальные вещества при взаимодействии с примесями образуют хлопья, которые выпадают в осадок; Окисление. Посредством окисления происходит удаление вредных соединений. Эффективно для уничтожения нежелательного запаха, цвета, а также избавления от водорослей. В качестве окислителей выступают хлор и озон. В силу того, что реагенты обладают высокой стоимость, коррозионно-активны и требуют сложного оборудования, данный метод распространения не получил.

 

 

  3.Углеродные нанотрубки (УНТ),

открытые в 1991 г. [1] - это цилиндрические макромолекулы, представляющие собой гексагональную решетку атомов углерода, закрытые с торцов половиной молекулы фулерена. Многостенные УНТ состоят из совокупности нескольких коаксиальных цилиндров и могут достигать диаметра 100 нм.

УНТ обладают большей эффективностью удаления органических веществ, чем активированный уголь. Их высокая адсорбционная емкость обусловлена большой удельной площадью поверхности и разнообразием взаимодействий загрязнения-УНТ. Доступная площадь поверхности для адсорбции на отдельных УНТ – их внешние поверхности. В водной фазе УНТ образуют пучки/агрегаты из-за гидрофобности их поверхности, что уменьшает их эффективную площадь поверхности. С другой стороны УНТ-агрегаты содержат промежуточные пространства и каналы с участками высокой энергии адсорбции молекул органических веществ. Активированный уголь характеризуется сходной удельной площадью поверхности с пучками УНТ, в нем, однако, присутствует значительное количество микропор, недоступных для молекул органических веществ, таких как лекарственные препараты, в частности, антибиотики. УНТ, напротив, имеют большую адсорбционную емкость по органическим молекулам из-за большего размера пор и более доступных центров сорбции.

 

Богатая п-электронами поверхность УНТ создает условия для п-п взаимодействий с органическими молекулами с С=С связями или бензольными кольцами, такими как полициклические ароматические углеводороды и полярные ароматические соединения. Органические соединения, имеющие -СООН, -ОН, -NH₂функциональные группы, могут также образовывать водородные связи с графитовой поверхностью УНТ, являющейся донором электронов. Электростатическое взаимодействие способствует адсорбции положительно заряженных органических молекул, подобных некоторым антибиотикам при соответствующих значениях рН

Окисленные УНТ характеризуются быстрой кинетикой и высокой адсорбционной емкостью по ионам металлов. Поверхностные функциональные группы (карбонильные, гидроксильные, фенольные) УНТ являются основными адсорбционными центрами для ионов металлов по механизму электростатического притяжения и образования химических связей. В результате поверхностное окисление значительно усиливает адсорбционную емкость УНТ. УНТ превосходят активированный уголь при адсорбции Cu(II), Pb(II), Cd(II), Zn(II). При этом кинетика адсорбции является быстрой из-за доступных центров адсорбции и короткой диффузионной длины внутри частиц.

УНТ не могут заменить активированный уголь в широком спектре его использования. Скорее, поскольку их поверхностная химия может быть настроена на целевые загрязнения, их можно применять для доочистки от стойких загрязняющих веществ или для предварительного концентрирования следов органических соединений в аналитических целях

Регенерацию УНТ проводят изменением рН. Степень извлечения металлов составляет 90-100% при рН менее 2. Адсорбционная емкость после регенерации остается относительно стабильной. Так сообщается о снижении адсорбционной емкости одностенных и многостенных УНТ по Zn(II) менее чем на 25% после 10 циклов адсорбции/десорбции. В этих же условиях снижение адсорбционной емкости активированного угля после первой десорбции составило 50%. Расчетным путем показано, что сохранение приемлемой адсорбционной емкости по Zn(II) возможно после нескольких сотен циклов адсорбции/десорбции.

                                         

                                 

4. Наноадсорбенты на основе оксидов металлов

Оксиды металлов, такие как оксид железа, оксид титана, глинозем являются эффективными недорогими адсорбентами тяжелых металлов и радионуклидов. Процесс адсорбции контролируется комплексообразованием между растворенным металлом и кислородом оксидов. Процесс протекает в две стадии: адсорбция ионов металлов на внешней поверхности, за которой следует лимитирующая стадия диффузии внутрь частиц вдоль стенок микропор.

Аналоги оксидов металлов на наноуровне характеризуются более высокими показателями адсорбционной емкости и кинетики адсорбции из-за большей удельной площади поверхности и большего количества поверхностных центров адсорбции. Например, при уменьшении размеров наночастицы магнетита с 300 до 11 нм адсорбционная емкость по мышьяку возрастает в 100 раз. Этот эффект во многом обусловлен увеличением удельной площади поверхности. Однако, кроме этого, если наночастицы величиной 300 и 20 нм имеют одинаковую адсорбционную емкость по мышьяку, отнесенную к единице поверхности (3,6 атом/кв. нм), то при дальнейшем уменьшении размеров наночастиц до 11 нм этот показатель и достигает значения 11 атом/кв.нм. Этот эффект "наномасштаба" связывают с изменением структуры поверхности магнетита, приводящем к созданию новых центров адсорбции

Наночастицы оксидов металлов могут быть спрессованы в гранулы практически без изменения свойств, что удобно для промышленного применения. Они превосходят активированный уголь по показателям адсорбции As, Pb, Hg, Cu, Cd, Cr, Ni. Особенно заметно превосходство перед активированным углем, например, наночастиц TiO₂при адсорбции As, прежде всего As(V). Наночастицы оксидов или гидроксидов могут быть введены в структуру активированного угля, что позволяет проводить одновременное удаление, например, As и органических веществ. Регенерацию наночастиц оксидов металлов проводят изменением рН. Во многих сообщениях отмечается сохранение на приемлемом уровне адсорбционной емкости после нескольких циклов адсорбции/регенерации

По многочисленным сообщениям наночастицы металлического железа (НМЖ) могут быть успешно применены для удаления или деструкции антибиотиков, азокрасителей, хлорсодержащих пестицидов, фосфороорганических соединений, нитроаминов, нитроароматических соединений, пара-хлорфенола, полибромированных дифенилэфиров, полихлорированных бифенилов, нитратов, перхлоратов, Ba, Be, Cr, Co, Cu, Pb, Mo, Ni, Ag, Tc, V, Zn, Cd, As, Se, U, Pu, инактивации вирусов и бактериофагов [10].

                                                   5. Наночастицы металлического железа

Эти материалы находят применение для очистки подземных вод, что предполагает наличие у наночастиц определенных свойств, а именно высокой реакционной способности, достаточной подвижности в пористых средах, необходимой долговечности, низкой токсичности. Необходимым свойством также является способность наночастиц образовывать водные коллоидные суспензии

В природной водной среде НМЖ подвергаются процессу коррозии, т.е. взаимодействуют с кислородом и водой с образованием ионов Fe(II), Fe(III) и водорода, а также нерастворимых оксидов и гидроксидов (на поверхности металлических наночастиц). Именно эти продукты коррозии участвуют в химических (восстановление, комплексообразование, осаждение) и физических (адсорбция) процессах взаимодействия с загрязняющими веществами. Из-за большой удельной площади поверхности (до 100 м²/г) при введении значительных количеств наночастиц в водную среду, вследствие образования водорода быстро возникает восстановительная среда, благоприятная для деструкции загрязнений.

Собственно НМЖ обладают очень ограниченной подвижностью в пористых средах, не превышающей нескольких метров. Причина заключается в агрегации наночастиц, образовании объемных осадков в результате окисления/коррозии наночастиц, адсорбции наночастиц на поверхности минералов и углеродсодержащих материалов. Увеличение подвижности НМЖ достигается путем модификация их поверхности. С этой целью на поверхность наночастиц наносят покрытия в виде поверхностно-активных веществ или полимеров. Для этих целей получили распространение, например, карбоксиметилцеллюлоза и гуаровая смола. Успешные опыты проведены с хитозаном. Сообщается об использовании для стабилизации НМЖ биодеградируемого поверхностно-активного вещества, способствующего в качестве источника углерода для микрооранизмов биодеградации хлороорганических соединений, и полиакриловой кислоты. В последнем случае рассмотрено влияние на подвижность стабилизированных наночастиц биопленки, почти во всех случаях присутствующей в реальных природных средах. Также установлено, что наибольшей подвижностью в пористых средах обладают наночастицы крупностью 100-200 нм. Кроме этого, подобные фракции наночастиц характеризуются значительно меньшей токсичностью. Существенно упрощается технология их инжекции

Тип инжектируемых НМЖ зависит от подвижности загрязняющих веществ в водоносном пласте. Для обработки подвижных загрязнений инжектируют НМЖ с невысокой подвижностью, которые адсорбируются минералами водоносного пласта и образуют фильтрующую среду в зоне обработки. Очистка подземных вод происходит при протекании их потока через эту зону. При этом надо учитывать возможность воздействия на проницаемость водоносного пласта образующихся объемных продуктов коррозии НМЖ, что может послужить причиной изменения направления потока загрязненных подземных вод. Для обработки статического источника загрязнений на участке выше по течению по отношению к нему инжектируют подвижные НМЖ, которые переносятся с потком подземных вод.

                                         

                                            6. Мембраны с использованием наноматериалов

Эффективность работы мембранных систем во многом определяется используемыми для их изготовления материалами. Инкорпорирование функциональных наноматериалов в структуру мембран создает возможности повышения проницаемости, устойчивости против загрязнения, повышает механическую и термическую стабильность, а также обеспечивает приобретение новых свойств мембран (деградация загрязняющих веществ, самоочищение).

                                                         

 

 7. Нановолоконные мембраны

Простым, эффективным и недорогим методом изготовления ультратонких мембран из различных материалов (полимеры, керамика, металлы) является электроспиннинг (процесс вытягивания нановолокон под действием электростатических сил, создаваемых источником высокого напряжения). Получаемые нановолокна характеризуются большой удельной площадью поверхности и пористостью и могут быть использованы в форме матов с комплексной структурой пор. Нановолоконные мембраны в промышленном масштабе большей частью используют для очистки воздуха. Считают, что у них также есть хорошие перспективы в водоочистке.

                                                           

 

 8. Нанокомпозитные мембраны

Нанокомпозитные многофункциональные мембраны изготавливают введением наноматериалов в структуру мембраны из полимерных или неорганических материалов. В качестве таких наноматериалов используют гидрофильные наночастицы оксидов металлов (Al₂O₃, TiO₂, цеолит), наночастицы со свойством обеззараживания (Ag или углеродные нанотрубки), (фото)каталитические наноматериалы (биметаллические наночастицы, TiO₂).Противомикробные наноматериалы в структуре полимерных мембран предотвращают закрепление бактерий и формирование биопленки, инактивируют вирусы.

     9. Тонкопленочные нанокомпозитные мембраны

Тонкопленочные нанокомпозитные мембраны (ТНМ) изготавливают путем введения наноматериалов в активный слой тонкопленочной полимерной мембраны. Для этих целей используют наночастицы цеолитов, Ag, TiO₂, углеродные нанотрубки. Воздействие наночастиц на проницаемость и селективность мембран зависит от типа, размеров и количества вводимых наночастиц. Тонкопленочные нанокомпозитные мембраны

Тонкопленочные нанокомпозитные мембраны (ТНМ) изготавливают путем введения наноматериалов в активный слой тонкопленочной полимерной мембраны. Для этих целей используют наночастицы цеолитов, Ag, TiO₂, углеродные нанотрубки. Воздействие наночастиц на проницаемость и селективность мембран зависит от типа, размеров и количества вводимых наночастиц.

                     

 

 

                               

                        

    10.Нанотехнологии в схемах обеззараживания воды

В последнее время много внимания исследователей уделено проблеме побочных продуктов обеззараживания воды. Использование традиционных дезинфектантов, таких как хлорагенты и озон, приводит к образованию токсичных галогенированных побочных продуктов, нитрозаминов, броматов и пр. В значительно меньшей мере побочные продукты образуются при ультрафиолетовом облучении, но в этом случае для инактивации, например, некоторых вирусов (в частности, аденовирусов) требуется высокая интенсивность облучения. В этой связи ведется поиск альтернативных эффективных дезинфектантов, использование которых не приводит к образованию побочных продуктов. Из числа таковых исследованы для обеззараживания воды наночастицы Ag, ZnO, TiO₂, Ce₂O₄, углеродные нанотрубки, фуллерены. В общем случае их использование не связано с заметным окислением органических веществ, соответственно, не приводит к образованию аналогичного традиционным дезинфектантам количества побочных продуктов

Наиболее широко в настоящее время используют наночастицы Ag, характеризующиеся широким спектром высокой антимикробной активности, низкой токсичностью для человека и простотой применения. Считается установленным, что антимикробная активность наночастиц Ag связана с выделением ионов Ag, которые взаимодействуют с тиоловыми группами белков, что приводит к нарушению функции ферментов. Ионы Ag, кроме этого, препятствуют репликации ДНК и вызывают структурные изменения клеточной оболочки. Углеродные нанотрубки в результате непосредственного контакта вызывают гибель бактерий путем физического воздействия на клеточную мембрану, окислительного стресса или нарушения микробных процессов в результате повреждения клеточной структуры и окисления компонентов клеток. Наночастицы графена и графитовых материалов характеризуются аналогичным механизмом инактивации микроорганизмов.

На современном этапе развития нанотехнологий обеззараживания воды стало вполне реальным их использование для повышения эффективности традиционных схем. Предполагается использование керамических микрофильтров с инкорпорированными наночастицами Ag в системах децентрализованного водоснабжения. Высокой эффективностью инактивации обладают фильтрующие среды на основе углеродных нанотрубок. Подобные фильтры обеспечивают обеззараживание воды с минимальными энергозатратами.

Нанесение покрытий, содержащих наноматериалы, на внутреннюю поверхность емкостей для хранения воды и трубопроводов водораспределительных сетей препятствует образованию биопленок и развитию, вызываемой микроорганизмами коррозии.

Другим перспективным направлением считают использование наноматериалов для уменьшения биозагрязнения фильтрационных мембран. Инкорпорирование противомикробных и фотоактивных материалов позволяет использовать мембраны не только в качестве физического барьера, но придать им свойство "реагирования" на состав фильтруемой среды.

Основным недостатком нанотехнологий обеззараживания воды является отсутствие остаточных концентраций дезинфектанта, препятствующих развитию микроорганизмов при хранении и транспортировке воды. Тем не менее нанотехнологии позволяют снизить образование побочных продуктов обеззараживания воды, если хлорагенты и другие дезинфектанты будут использоваться только для вторичного обеззараживания

 

                                                           III.  Заключение

    Таким образом, нанотехнологии и наноматериалы широко используют в различных сферах, в том числе и на автомойках замкнутого типа. Это способствует более тщательной и быстрой очистке воды, а также минимизирует вредное воздействие сточных вод на окружающюю среду.

 Высокая активность нанопорошков обеспечивает их применение в качестве высокоэффективных адсорбентов не только при очистке воды на автомойках, но и  при решении широкого круга технологических и экологических задач. Наноразмерные оксиды используются для тонкой очистки питьевой воды, очистки стоков от тяжелых металлов и органических загрязнений гальванических производств, предприятий по добыче, транспортировке и переработке нефти и нефтепродуктов.

    Нанопорошки испольуются также для иготовления многослойных фильтров тонкой очистки и для получения нанопористых материалов с пористостью 35–70 % и использовать их не только в качестве фильтров, но и пористых испарителей и сепараторов для систем терморегулирования.

      Несмотря на все достоинства таких автомоек, всё-таки существуют и недостатки.

Какие проблемы с подводом воды могут быть? Для эффективной работы автомойки необходимо большой количество воды. В том случае, если предприятие расположено далеко от каналов водоснабжения, и провести водопровод затруднительно, работа автомойки ставится под угрозу. В среднем для мытья одной машины в течение 10 минут при использовании аппарата высокого давления необходимо 100-300 литров воды. На практике выходит следующее: Мойка одной машины: — расход воды примерно 80 л; — время — 20 минут. За 8 часов расход на один пост мойки будет — 80х(8х60/20)=1920, это на 36% меньше, нежели по нормам. Какое решение есть? Оптимальным решением в данном случае станет организация системы круговорота воды на автомойке. Рециркуляция воды подразумевает, что использованная вода будет подвержена тщательной очистке, затем использована повторно. Цикл продолжается на протяжении нескольких недель, пока отработанную воду не вывезут полностью и не зальют свежую. Системы рециркуляции способны очистить воду от механических примесей: песка, глины, нефтепродуктов, уничтожить бактерии и удалить запахи.

Вложение	Размер
sorbc.ochistka_vody_tkachik.pptx	4.41 МБ