מבוא ל-Nanoטכנולוגיה בטיפול במים תעשייתיים

פסולת תעשייתית נושאת תערובת מורכבת של contaminants אורגני - צבעים, חומרי הדברה, תרופות, פותרים, ומוצרים רעילים קטרוטמיים - אשר מתנגדים לטיפול קונבנציונלי.שיטות מסורתיות כגון סלדג מופעל, coagulation, ו סינון חול לעתים קרובות ליפול קצר להסרת תרכובות אורגניות אורגניות או דורשות קלטות אנרגיה גדולות ותוספים כימיים.ננוטכנולוגיה מציעה פרדיגמה על ידי חומרים הנדסיים בקנה מידה אטומי וקצבה מולקולרית (1100) המאפשרת יעילה יותר, תכונות זיהום אוויריות אופטיות, זיהום אוויריות יעילות יותר, ואפקטים, ואפקטים, זיהום אוויריות אופטית יעילה יותר, ואפקטים, מזהמים, מזהמים יעילים יותר, ואפקטים יעילים יותר, ואפקטים יעילים יותר, מזהמים, מזהמים, מזהמים יעילים יותר, ואפקטים יעילים יותר, מזהמים, מזהמים, מזהמים, מזהמים יעילים יותר, מזהמים, מזהמים יעילים יותר, מזהמים יעילים יותר מזהמים יעילים יותר, או דורשות פחמן, מזהמים יעילים יותר מזהמים יעילים יותר מזהמים יעילים יותר מזהמים, או דורשות פחמן בינוניים יעילים יותר מזהמים, מזהמים, מזהמים, מזהמים יעילים יותר מזהמים, מזהמים מזהמים מזהמים מזהמים

ננו חומריסטים מציגים הזמנות של פחמן-מכירות יחס גבוה יותר פני השטח לנפח בהשוואה לחומרים גדולים. גרם אחד של תחמוצת גרפן יכול להיות שטח על פני השטח מעל 2,000 מ'2, המספק אתרים פעילים בשפע עבור מודעות.בינתיים, גדלים טונהיים של מסגרות תרופות אורגניות מתכת-אורגניות (MOFs) מאפשרים אח מדויק של מולקולות על ידי גודל וקיבולת קוטבית כזו הם כעת תהליך של ייצור חלקיקים של מזון מהיר.

מפתח ננו-חומרים עבור אורגני Contaminant Removal

ייצור ננו מבוססי פחמן

Graphene oxide (GO) ו- פחמן nanotubes (CNTs) הם בין nanomaterials הננומטריים ביותר עבור לכידת contaminant אורגני. גילונים תכונה שפע קבוצות פונקציונליות חמצן (hydroxyl, epoxy, carboxyl) כי אינטראקציה חזקה עם מולקולות ארומטיות וקטב אורגני באמצעות חיבור פונקציונלי, ⁇ - ⁇ - ⁇ - ⁇ אטרקציות אלקטרוסטטי.

חוקרים פיתחו קרום מבוסס- GO על ידי מחסנית ננוגליונים לתוך מבנים עם ערוצי אינטרפלה (- 1 nm) המאפשרים למים לעבור תוך דחיית מולקולות אורגניות גדולות יותר מהערוץ שצומצוץ. בדומה, CNT membranes גדל אנכי (מ- CNTs מעוגן) ליצור נתיבי תחבורה מהירים, סלקטיבית, השגת שיעורי פלוקס 10–100 פעמים גבוהות יותר מאשר פולימרן קונבנציונלי (%) ו- 90 של תרופות אורגניות).

Metal-Organic Frameworks (MOFs)

MOFs הם רשתות גבישיות של בלוטות מתכת המחוברות על ידי קישורים אורגניים, להרכיב מבנים ⁇ מאוד עם אזורי משטח פנימיים פורצי דרך (עד 7,000 m2 /g) על ידי שינוי מרכז המתכת (למשל, Zr, Fe, Al, Cu) ואת הקישוריות של נוגדנים-דלקתיים (למשל, נוגדנים מבוססי ⁇ ) ו- mFs יכול להיות מותאם במיוחד למודעות אורגני היעד אורגני contaminants.

יתרון גדול של MOFs הוא היכולת שלהם לתפקד כמו גם מודעות וזרזים. ביישומים membrane, MOF חלקיקים משולבים לתוך מטבוליות פולימרים (למשל, פוליתת'רסלון, פוליתמיד) כדי ליצור מזכרי פסולת מעורבים (MMMs) המשלבים את הגודל של פולימרים עם מודעות סלקטיבית של חומרים אלה הוכחומים כימיים כמו פליטות מיקרו-מסטרים קריטיים (MCM) כי משלבים) כי משלבים) כי משלבים) כי משלבים את גודל של חומר ריכוזים חומרים כימיים עבור ריכוזים קריטיים של חומרים כימיים עבור חומרים כימיים.

המונחים: wecomposite membranes

nanocomposite membranes להטביע חלקיקים אורגניים (TiO2, SiO2, zeolites, או כסף) בתוך בסיס פולימרי או קרמיקה כדי לשפר את הכדאיות, התנגדות מפרה, וסלקטיביות. עבור דלקת מזהמים אורגניים חודרים, TiO2 חלקיקים הם בעלי ערך במיוחד כי הם מפרסומות מטומטמים באופן פוטוליטי כאשר הם אורגנים מאריך את פני השטח של חומר מחוספסה אחת, אשר נגרם על ידי חומר מכנית אור אורגני.

החוקרים גם פיתחו nanocomposite (TFN) היפוך וננומטרה קרום על ידי שילוב ננו-פילר לתוך השכבה הפעילה פולימידה. TFN אלה membranes יכול להשיג פלוקס מים גבוה בו זמנית ודחייה גבוהה של מולקולות אורגניות קטנות (משקל כפול 200–400 ד), אשר הם ידועים לשמצה תקן עבור membranes.

עוד ננו-חומרים חדשים

מעבר לחומרים מבוססי פחמן ו-MOFs, כמה פלטפורמות ננומטריות אחרות מראות הבטחה (FLT:0Nanoscale Zero-valent Iron) Prop-valent (nZVI)FLT:1 יכול להפחית את המזהמים האורגניים כמו trichloroethylene (TCE) ו derated azos.FLT:2uan dosalsalsalsalsal 3 (N)

מכניזם של לכידת אורגני של ננוחומרים

אדים ומורכבות משטח

המנגנון העיקרי להסרת אורגני ברוב המערכות הננומטריות הוא מודעות.שטח הפנים הספציפי הגבוה של ננו-חומרים מספק שפע של אתרי שכנוע.אינטראקציות כוללות אפקטים הידרופוביים, כוחות ואן דר וואל, חיבור מימן, משיכה אלקטרוסטטית / דחייה, ו ⁇ - ⁇ - ⁇ - ⁇ ערימה בין טבעות ארומטיות של השטח ננוטי.ל, למשל, גרף של קבוצות חמצן מימן חזק עם גרפים-פחמיים עם ⁇ ic חזק עם ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מורכבות משטח מתרחשת כאשר מולקולות contaminant לתאם עם אטומי מתכת ב MOFs או מתכת תחמוצת חלקיקים.זה יעיל במיוחד עבור cheldentetraacetic חומצה (ED) או חומצות לחות. על ידי התאמת הכימיה פני השטח - לדוגמה, הצגת amine או קבוצות thiol - ננוחומרים יכולים להיות סלקטיבי עבור תרופות אורגניות ספציפיות, להפחית את הרקע האורגני.

כמות ההיתר וה-Membrane Filtration

מזכרות מבוססות ננו-חומריות מנצלות את הניתוק בגודל כמנגנון דחייה משני.ההההההההה של מזכרות גבוהות ניתן לשלוט בדיוק על ידי התאמת תואר חמצון או על ידי שילוב בין ions או פולימרים. בדומה, את הנפיחות של MOFs בטווח שבין 0.3 ל-3 ננומטר, המאפשרת אח מולקולרי של מולקולות אורגניות קטנות המבוססות על קוטרם, כאשר הם משולבים עם מודעות אלקטרו-מוח (D) לאחור (DNS) ולהשיג דחייה (D) ו-DNS) לאחור (DNS) ו-DNS) ללא רמות דחייה גבוהה (DNS) ו-DRAMADNS) ללא רמות דחייה (D) עם רמות דחייה (D) ו-DRAMARRAMARRAMAMAD) עם רמות דחייה (D) עם רמות דחייה גבוהה (D) עם רמות דחייה (DRAMARRAMAR) עם רמות אנרגיה הפוכה (D) ו-D) לאחור של חומרים אלה.

קטליטית Degradation

כמה ננו-חומרים עושים יותר מאשר פשוט ללכוד את הזיהום; הם הופכים אותם למינים פחות מזיקים. photocatalytic ננוחומרים כמו TiO2, ZnO, ו-G-C3N-4 לייצר מינים חמצן תגובתיים פחות מזיקים (ROS) תחת אור גלוי כי חמצן אורגני ל- CO2 ומים.

יתרונות ב- Conventional Filtration Technologies

הסרת זיהום אורגני של האמנה מסתמכת על טיפול ביולוגי, מודעות פחמן מופעל, וסינון membrane (מיקרו-חדירה, אולטרה-חדירה, ננומטרה, RO) כל אחד יש מגבלות טבועות: מערכות ביולוגיות איטיות ורגישות לזעזועים רעילים; פחמן מופעל הופך רווי ודורש התחדשות או סילוק; ותהליכי membrane סובלים מדרישות אנרגיה מופרזות.

  • (FLT:0) יעילות הסרת גבוהה יותר עבור מעקב אחר contaminants:BuildFLT ( 1:1 הרבה אבקות אורגניות נמשכים באמצעות טיפול קונבנציונלי ברמות של חלקיקים-per- מיליארדים, גרימת הפרעות אנדוקריניות והתנגדות אנטיביוטיקה. nanomaterial Adsorbents ו membranes להשיג באופן עקבי > 99% אפילו בעקבות ריכוזים, עמידה במגבלות השחרור מחמירות יותר ויותר.
  • (FLT:0) צריכת האנרגיה של Lower:FLT:1 ננוקומביט membranes יכול לפעול בלחץ 30–50% נמוך יותר מאשר מלמברנס מסורתי תוך השגת דחייה דומה או טובה יותר, הודות לנונו ערוצים המפחיתים את ההתנגדות הידראולית. Photocatalytic ו- Fenton-based nanomaterials יכולים להמיר אנרגיה סולארית או אנרגיה כימית נמוכה ישירות לתוך כוח חמצון, עוד צמצום הביקוש החשמלי.
  • (FLT:0) צמצום וטיהור עצמי: אנדרט 1 משלב חלקיקים פוטו-קטליטיים (TiO2, ZnO) או קבוצות פונקציונליות הידרופיליות (למשל, OH, -COOH) לתוך משטחים של membrane מפחיתה מתחמי אורגני ומאפשרת ניקוי תחת אור או שפעת כימית קלה.
  • (FLT:0) טביעת רגל פיזית קטנה יותר: 1.FLT:1 nanomaterial מבוסס פרסומות ומזכרונים להשיג נפח גבוה באמצעות חישוב, המאפשר מערכות טיפול להיות קומפקטי - יתרון חיוני עבור אתרים תעשייתיים מוגבלים בחלל או יחידות טיפול סלולרי.
  • (FLT:0) סלקטיביות ונוכליות: FLT:1 בניגוד לפחמן פעיל, אשר מודעות למגוון רחב של אורגנים ללא הבחנה, ננו-חומרים מהונדסים ניתן לתכנן כדי לכוון משפחות מזוהות ספציפיות.לדוגמה, MOFs עם גדלים ספציפיים של פואר יכולים לכלול חומר אורגני גדול תוך לכידת מולקולות קטנות, צמצום התחרות ושיפור יכולת.

אתגרים ואסטרטגיות מייגציה

עלויות הייצור ו-Salability

ננו-חומרים איכותיים נשארים יקרים לייצור בקנה מידה תעשייתי. Graphene synthesis עדיין דורש חמצון חזק וטיהור אינטנסיבי; ייצור CNT מבוסס על זיהום כימי אינטנסיבי; MOFs דורשים קישורים אורגניים יקרים ותוכנות סטנדרטיות של הגנה מפני פחמן (אך, חידושים אחרונים בזרימה רציפה של סינתזה, meochemical, שימוש ב-USFs) ו-Squaremedsicial Protection Agency.

סיכון סביבתי ובריאות

חלקיקים משחררים לסביבה במהלך השימוש או לרשות מעלה חששות אקולוגיים. חלקיקים חופשיים יכולים לצבור באורגניזמים מימיים ועלולים להיכנס לשרשראות מזון. אסטרטגיות מייגציה כוללות חוסר שביעות רצון nanomaterials בתוך חומצות תמיכה חזקות (למשל, nanombranes פולימרן, מונוליטיות קרמיקה, ⁇ ), ציפוי אותם עם פגזים, ומתכננים אותם ליצרנים המבוססים על ברזל, כלומר, הם זקוקים בהדרגה למינימום של בדיקות ביולוגיות (אוקסדות), כלומר, כמו גם כן, כמו גם כן, כלומר, כדי לספק נתונים המבוססים על ידי חומרים מזיקים).

יציבות והתחדשות לטווח ארוך

ביצועים ננו-חומריים יכולים להידרדר לפעולה ממושכת בשל שיבוש, חמצון, או שינויים מבניים. שיטות התחדשות - כביסה כימית, טיפול תרמי, ניקוי UV / אוזון, או שיקום אלקטרוכימי - הם אופטימיזציה לשיעורים חומרים שונים.לדוגמה, מלמברנס יכול להיות משוחזר על ידי ניתוח קצר בחומצה קלה, בעוד מופי יכול להיות regenerated על ידי פתרון לאחר מכן על ידי ניקוי מתון על ידי פרוטוקולים סטנדרטיים עבור התחדשות סטנדרטית עבור קריטריונים.

שילוב של תשתיות קיימות

רוב מתקני טיפול פסולת תעשייתיים מתוכננים סביב תהליכים קונבנציונליים יחידה. החלת עם מודולים מבוססי ננוטק דורש הנדסה תהליך זהיר כדי למנוע צווארי בקבוק ולהבטיח תאימות עם upstream ו downstream פעולות. Modular, nanofiltration ממומשת סקי שניתן להכניס לתוך רכבות טיפול קיימות הם צוברים מתח, במיוחד עבור שימת שימת שימת שימת שימת שימת לאחר טיפול ביולוגיים.

כיוונים עתידיים ואינטגרציה תעשייתית

ביקורת חכמה

דמיינו membranes שמתאימים לגודל הנקבובי או לטעינה על פני השטח בתגובה לסוגים של contaminants הנוכחי. החוקרים מפתחים ננו-חומרים "חכמים" שמשנים נכסים תחת גירוי חיצוני - pH, טמפרטורה, אור או שדות חשמליים. לדוגמה, membranes בשילוב עם פולי(N-isopylacrylamide) מיקרוגלים יכולים לנפח או לכווץ טמפרטורה, מתואם את מערכות מים מסוליקות באופן אוטומטי.

Multifunctional Nanocomposites

שילוב מודעות, שיתוק, ופעילות אנטימיקרוביאלית במזכר יחיד או פרסומות או מוסטבן bead הוא כיוון מחקר מרכזי. A nanocomposite המכיל TiO2 (פוטקטאסט), כסף (אנטימיקרוביאל), ו-MOF (adsorbent) יכול במקביל degradesorrated, להרוג חיידקים, ולתפוס מתכות כבדות.

מחקרים אמיתיים וטייסים

כמה תעשיות כבר בודקות את הסינון של ננוטק בקנה מידה משמעותי. צמח טקסטיל בהודו ניסוי מערכת nanofiltration המבוססת על GO אשר הפחיתה את צריכת המים ב-80% וחוספסה את השימוש במזהמים כימיים, השגת אפס פריקה נוזלית עבור מי פסולת צבע. מתקן תרופות בגרמניה להתקין מערכת סינון מים מבוססת MOF להסרת מרכיבים פעילים (AP) מתהליכים, השגת אפסית של מספר הסתברות גבוהה של תרופות (כגון: קיבולת של מחלות אנטי-תועלת) ללא שימוש ב-תזונה גבוהה של 100.

סליחות וסטנדרטיזציה

בעוד ננוטכנולוגיה נעה ממעבדה לשוק, סוכנויות רגולטוריות מבססות הנחיות לבטיחות ננו-חומרית, תוויות ושחרור סביבתי.הועד הטכני ISO 229 על ננו-טכנולוגיה פרסם סטנדרטים למדידת רעילות ננו-חומרית וגורל סביבתי. EPA מפתחת הנחיות לבדיקת ביצועי טיפול ננו-חומריים וסיכון פוטנציאלי.

מסקנה

פתרונות nanoטכנולוגיה מתעוררים מעצבים מחדש את הנוף של סינון אורגני במי פסולת תעשייתית.על ידי רתום המאפיינים הייחודיים של תחמוצת גרפן, צינורות פחמן, מסגרות מתכת-אורגניות, nanocomposite membranes, מערכות טיפול יכול להשיג יעילות גבוהה יותר, שימוש באנרגיה נמוכה יותר, וסלקטיביות גבוהה יותר מאשר אתגרים השקעה קונבנציונליים, בעוד עלות, יכולת, ובטיחות סביבתית, להישאר במהירות גבוהה יותר של תהליך ניתוחי של ניתוח חוצה-פעולה יעילה, ומערכת בקרה תעשייתית, הוא חיוני, ומערכת ניתוחיבית, בין שיטות ניתוחיבית, לבין חומר ניתוחי יעיל יותר, לבין תהליכי ניתוחי יעיל יותר, הוא חיוני, הוא חיוני של ניתוח מיקרוסקופית יעילה יותר, ומערכת בקרה תעשייתית, הוא חיוני, ומערכת ניתוח יעיל יותר, ומערכת בקרה יעילה יותר, ומערכת בקרה תעשייתית יעילה יותר, ומערכת יעילה יותר, ומערכת יעילה יותר, ומערכת בקרה יעילה יותר, בין שיטות ניתוח יעיל יותר, בין שיטות ניתוחי יעיל יותר, לבין פתרונות בקרה תעשייתית יעילה יותר, לבין פתרונות בקרה יעילה יותר, לבין תהליכי בקרה יעילה יותר, לבין תהליכי בקרה תעשייתית, ומערכת יעילה יותר, ומערכת ניהולית יעילה יותר, 000.

(ב) [ה] [ה]] [ה]] [ה]], [ה], [ה], [ה]], [ה]], [ה], [ה]]]], [ה], [ה], [ה], [ה]]]], [ה] [ה]ה]], [ה'[ה']']']'[ה'[ה']']']']']']''[ה'[ה']'[ה''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''