Ожидается, что нанотехнологические продукты, процессы и области применения внесут значительный вклад в защиту окружающей среды и климата за счет экономии сырья, энергии и воды, а также сокращения выбросов парниковых газов и опасных отходов. Таким образом, использование наноматериалов обещает определенные экологические преимущества и устойчивость.
Отметим, однако, что нанотехнологии в настоящее время играют довольно подчиненную роль в защите окружающей среды, будь то исследования или практическое применение. Сами инженеры-экологи придают лишь ограниченное значение нанотехнологиям в своих областях.
Потенциальные экологические выгоды
Растущие цены на сырье и энергию в сочетании с растущим вниманием потребителей к окружающей среде являются причиной появления на рынке продуктов, которые обещают определенные преимущества для защиты окружающей среды и климата. Наноматериалы обладают особыми физическими и химическими свойствами, которые делают их интересными для новых, экологически чистых продуктов.
Примеры:
- Повышенная стойкость материалов к механическим воздействиям или атмосферным воздействиям, помогая увеличить срок полезного использования продукта;
- Грязе и водостойкие покрытия на основе нанотехнологий для уменьшения усилий по очистке;
- Новые теплоизоляционные материалы для повышения энергоэффективности зданий; добавление наночастиц к материалу для снижения веса и экономии энергии при транспортировке.
В секторе химической промышленности наноматериалы применяются на основе их специальных каталитических свойств для повышения эффективности использования энергии и ресурсов, и наноматериалы могут заменить экологически проблемные химические вещества в определенных областях применения.
Большие надежды возлагаются на нанотехнологически оптимизированные продукты и процессы для производства и хранения энергии. В настоящее время они находятся на стадии разработки и должны внести существенный вклад в защиту климата и решение наших энергетических проблем в будущем.
В большинстве коммерчески доступных «нано-потребительских товаров» защита окружающей среды не является основной целью. Ни текстиль с наносеребром для борьбы с запахом пота, ни особенно устойчивые клюшки для гольфа с углеродными нанотрубками не помогают защитить окружающую среду.
Производители часто обещают такие преимущества, как правило, без предоставления соответствующих доказательств. Примеры включают в себя самоочищающиеся поверхностные покрытия или текстиль с точечной защитой, которые рекламируются как снижающие усилия по очистке и, следовательно, экономящие энергию, воду и чистящие средства.
Акцент часто делается на устойчивом потенциале того, куда нас приведут нанотехнологии. Тем не менее, это обычно отражает необоснованные ожидания. Для определения фактического воздействия продукта на окружающую среду - как положительного, так и отрицательного - необходимо изучить весь жизненный цикл от производства сырья до его утилизации в конце жизненного цикла.
Как правило, в описаниях экологических выгод не учитывается количество ресурсов и энергии, потребляемых при производстве продукции.
Конкретные примеры нанотехнологий, которые приносят пользу окружающей среде
Нанотехнологии могут сделать переработку аккумуляторов экономически привлекательной
Многие батареи по-прежнему содержат тяжелые металлы, такие как ртуть, свинец, кадмий и никель, которые могут загрязнять окружающую среду и представлять потенциальную угрозу здоровью человека при неправильной утилизации батарей. Мало того, что миллиарды батарей на свалках представляют экологическую проблему, они также являются полной утратой потенциального и дешевого сырья.
Исследователям удалось восстановить чистые наночастицы оксида цинка из отработанных щелочных батарей.
Основанные на нанотехнологиях решения для разливов нефти
Обычные методы очистки не подходят для решения проблемы массовых разливов нефти. В последние годы нанотехнологии стали потенциальным источником новых решений многих нерешенных проблем в мире.
Хотя применение нанотехнологий для ликвидации разливов нефти все еще находится на начальной стадии, оно дает большие перспективы на будущее. В последние пару лет во всем мире особенно растет интерес к поиску путей поиска подходящих решений для очистки разливов нефти с помощью наноматериалов.
Очистка воды
Области потенциального воздействия нанотехнологий на водные объекты делятся на три категории - обработка и восстановление, зондирование и обнаружение, а также предотвращение загрязнения и улучшение технологий опреснения – всё это является одной из ключевых областей в этом направлении.
Устройства для очистки воды на основе нанотехнологий могут трансформировать область опреснения, например, с помощью явления поляризации концентрации ионов.
Другим, относительно новым методом очистки солоноватой воды является технология емкостной деионизации (CDI). Преимуществом CDI является то, что он не имеет вторичного загрязнения, является экономически эффективным и энергоэффективным. Исследователи нанотехнологий разработали приложение CDI, которое использует графеноподобные нанофлаки в качестве электродов для емкостной деионизации. Они обнаружили, что графеновые электроды приводят к лучшим характеристикам CDI, чем традиционно используемые материалы с активированным углем.
Улавливание углекислого газа
Прежде чем СО 2 можно будет использовать в схемах улавливания и хранения диоксида углерода (CCS), его необходимо отделить от других отработанных газов, образующихся в результате сжигания или промышленных процессов.
Большинство современных методов, используемых для этого типа фильтрации, дороги и требуют использования химических веществ. Нанотехнологические технологии для изготовления наноразмерных тонких мембран могут привести к новой мембранной технологии, которая может изменить это.
Выработка водорода из солнечного света - искусственный фотосинтез
Компании, разрабатывающие водородные технологии, любят говорить об экологически чистых технологиях, которые спасут планету. Хотя водородное топливо действительно является чистым энергоносителем, источник этого водорода часто бывает настолько грязный, насколько это возможно. Проблема в том, что вы не можете вырыть скважину, чтобы добыть водород, но водород должен быть получен и это можно сделать, используя различные ресурсы.
Самый грязный метод - по крайней мере, до тех пор, пока не будут разработаны высокоэффективные технологии улавливания и улавливания углерода - это газификация угля. Самым чистым на сегодняшний день был бы электролиз возобновляемых источников энергии: использование технологий возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, солнечная энергия, гео- и гидротермальная энергия, для разделения воды на водород и кислород.
Искусственный фотосинтез, использующий солнечную энергию для расщепления воды с образованием водорода и кислорода, может предложить чистый и портативный источник энергии, такой же долговечный, как солнечный свет. Требуется около 2,5 вольт, чтобы разложить одну молекулу воды на кислород вместе с отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Именно извлечение и отделение этих противоположно заряженных электронов и протонов от молекул воды обеспечивает электроэнергию.
Работая над наномасштабами, исследователи показали, что недорогая и экологически безопасная неорганическая матрица для сбора неорганического света может быть объединена с недорогим электрокатализатором, который содержит большое количество элементов, для создания недорогой и стабильной системы для фотоэлектрохимического производства водорода.