A nanotechnológia fejezetek: A nanoanyagoktól az ivóvíztisztításig
A nanoanyagok már jóval azelőtt léteztek a természetben, hogy a tudósok akár csak elképzelni tudták volna őket. Bolygónk a természetes nanoanyagok jelentős forrása. A vulkánok, az erdőtüzek, a porviharok és a tengervíz-permet olyan természetes folyamatok, amelyek nanoanyagokat hoznak létre. A növények, rovarok, sőt az emberi szervezet is számos nanostruktúrát tartalmaz. A lótuszvirág levelei például nanostruktúrájuknak köszönhetően öntisztítóak és vízlepergetők. Csontjaink is nanoszerkezetű ásványokból állnak. Számos történelmi műalkotás szépsége is a nanoanyagoknak köszönhető. A 4. századi római üvegpohár, a Lycurgus-csésze arany- és ezüst nanorészecskéket tartalmaz, amelyek színe a megvilágítástól függően változik. Ez a lenyűgöző jelenség a nanoanyagok optikai tulajdonságainak korai megnyilvánulása volt.
Mi is a nanotechnológia?
A "nano" görög eredetű szó, törpét jelent, és az alapegység egymilliárdod részét, azaz egy nanométert (nm) tesz ki egy méterből. Gyakran összecsapunk egy új dolog vagy fogalom megjelölésére, de mit is kellene ez a szó jelentsen? A nanotechnológia „a gyártási folyamat elmélete és gyakorlata” a nanoskálán, vagyis az anyagok manipulálásának tudománya az egyes atomok és molekulák szintjén. Richard Feynman fizikus 1959-ben fektette le a nanoanyag-forradalom tudományos alapjait, azt állítva, hogy lehetséges lenne az anyagok manipulációja az egyes atomok szintjén. Két kihívás elé állította a világot: egy apró, de működő elektromos motor megépítése, amely mindössze 1/64 köbhüvelyk méretű, és egy könyv oldalának 1:25000-es skálára történő lekicsinyítése, ami megfelelő ahhoz, hogy az egész Encyclopaedia Britannica elférjen egy gombostű fején. A nagy izgalom a nanotechnológia körül abból fakad, hogy a technológiai fejlesztés éppen soron következő lépcsőjéről van szó, amely alapjaiban tér el az úgymond klasszikus technológiákétól.
A nanotechnológia alapjai és a szén nanoszerkezetek
A nanotechnológia az atomfizika eszköztárával terül el, ahol az építőelemeket, atomokat és molekulákat, megfelelő módon rendezzük el és kapcsoljuk össze a térben. A nanoskálán történő anyagok manipulációjának egyik legígéretesebb területe a szén nanoszerkezetek kutatása. A szén igen régóta és igen jól ismert anyag. Felfedezőit 1996-ban Nobel díjjal jutalmazták a fullerén molekula azonosításáért.
Fullerének és szén nanocsövek
A szén nanocsövek olyan nanoszerkezetek, amelyek hossza több tíz mikron is lehet, miközben átmérőjük 0.34 nm között mérhető. Tömege csupán hatoda az acél tömegének, ám rendkívül erősek. Fontos megjegyezni, hogy ezek a nanoszerkezetek nem alakíthatók ki kifaragás útján. Ehelyett az atomokat ott „összeforrasztjuk”, például elektromos ívben, ahol többfalú szén nanocsövek is képződnek. Ez a "bottom-up" (alulról felfelé építkező) megközelítés látszik igazán ígéretesnek a nanotechnológia szempontjából, ahol az építőelemek összekapcsolódását irányítjuk.
Mi a fullerén? Bevezetés a Buckyballsba | Szén-60
A nanotechnológia fejlesztési kihívásai és kilátásai
Bármilyen új tudományterület vagy technológia kifejlesztése ígéretes, de ugyanakkor kockázatokkal is jár a társadalomra nézve. A társadalom - vagyis többek között a polgárok, a tudósok, a kormányok és a vállalkozások - feladata, hogy megállapodjanak az ilyen technológiák fejlesztésének legjobb módjáról, miközben minimálisra csökkentik mind a magunkra, mind a környezetre háruló kockázatokat. Bár a nanotechnológia számos területen forradalmi áttörést ígér, mint például az orvostudományban, ahol a liposzómák segítségével a hatóanyagok célba juttatása válik hatékonyabbá, a hatóanyagok károsító hatásoknak való kitettsége is csökken, hiszen a liposzómák "faragásával" hidrofil és hidrofób részek is kialakíthatók a hatékonyabb szállítás érdekében.
A nanotechnológia fejlődése időigényes folyamat. Mikorra lesz ebből technológia és termék? Mint a számítógép esetében, amikor az IC technológia elérte „nagykorúságát” - mintegy 35 év telt el az első nagy, szobányi méretű számítógéptől, az ENIAC-tól a személyi számítógépek széleskörű elterjedéséig. Hasonlóan, a nanotechnológia esetében is évtizedek telhetnek el, mire valóban beépül mindennapi életünkbe. Jelenleg a nanotechnológia kis része van a valódi technológiai szakaszban, sokkal inkább a nano-tudomány és a nano-technológia közötti határmezsgyén, ahol a biológusok is viaskodnak a kihívásokkal. A piaci hajtóerők, mint a költségtakarékos gyártás, hajtják a fejlesztéseket, és arra ösztönzik az ipart, hogy „rohamra induljon” a klasszikus technológiákkal szemben.
Az eljárások még nem eléggé szelektívek. Ideális esetben, mondjuk szén nanocsövekkel kapcsolatban, egy és csakis egy fajta keletkezzen, de ez még kihívást jelent. Ennek ellenére a nanotechnológia jelentős előrelépést ígér a közeljövőben, és képes lehet arra, hogy megváltoztassa mindennapi életünket. Az alkalmazások határait folyamatosan bővítik, és a jövőben olyan nanorobotok is megjelenhetnek, amelyek önállóan képesek feladatok végrehajtására, esetleg energiaforrásként biokémiai elemeket alkalmazva.
Mi a fullerén? Bevezetés a Buckyballsba | Szén-60
Gyakorlati alkalmazás: Ivóvíz tisztítás nanotechnológiával
Sajnos hazánkban nagy problémát okoz az ivóvizek arzénkoncentrációja. Több mint 400 település érintett e témában, főként az észak- és dél-alföldi régióban. Az országos ivóvízminőség-javító program keretében a településeknek alkalmuk nyílik pályázni, hogy megfelelő pénzforráshoz jussanak a tisztítóberendezések finanszírozáshoz. A program 90%-os támogatást biztosít, azonban a hátrányos helyzetű települések további 5-6%-os támogatást is igényelhetnek az EU önerőalapjából. Fontos megemlíteni, hogy célszerű mihamarabb pályázni, egyrészt azért, mert „a várakozások szerint 2013-tól ivóvízre Magyarország nem kap majd uniós forrást”, másrészt pedig a zacskós vizek biztosítása a lakosság számára óriási költséggel jár az önkormányzatokra nézve.
Megoldásként egy olyan új nanotechnológiát mutatok be, ami merőben más, az önkormányzatok részére költséghatékony ivóvíztisztító technológia. Az ivóvíz kezelése során nanoanyagot (nanorészecskéket), illetve nanotechnológiát használnak. Ez a technológia a vizet gyorsan és hatásosan megtisztítja a nagymolekulás, organikus és anorganikus vegyületektől, ugyanúgy, mint a nehézfémek elemeitől és vegyületeitől. A nanotechnológia és nanorészecskék használata lehetővé teszi, hogy az ivóvízkezelés és az élelmiszeripar számára történő vízkezelés elkerülje a manapság elterjedt drága, hagyományos folyamatot.
A jelenlegi technológiák drága berendezéseket, filtereket, ionos cserélőket és alapanyagokat használnak, így az e típusú berendezések működtetése nagy anyagi ráfordítást igényel. Ezzel szemben a nanotechnológia beszerzési kiadásai kb. 20-25%-kal alacsonyabbak, mint a klasszikus technológiák esetében, az üzemeltetési kiadások pedig 25-30%-kal. Ez jelentős megtakarítást jelenthet az önkormányzatok számára.
| Technológia | Beszerzési kiadások (klasszikushoz képest) | Üzemeltetési kiadások (klasszikushoz képest) |
|---|---|---|
| Klasszikus technológia | 100% | 100% |
| Nanotechnológia | ~20-25% -kal alacsonyabb | ~25-30% -kal alacsonyabb |
A "turbulens-labirintus" reaktor működése
A technológia a „turbulens-labirintus” reaktor ivóvízkezelésén alapul, mégpedig 20-1000 nm méretű nanorészecskék felhasználásával, amelyeknek egyszerre szorbeáló (felszívó), adszorbeáló és flokkulációs tulajdonságai vannak, és atomszinten reagálnak a különböző elemekkel és vegyületekkel, mint például a mangán, vas, arzén vagy bór. Az ivóvízkezeléshez 20-280 nm méretű nanorészecskéket használnak, amelyek kémiai összetétele 98-99% Fe + Fe2O3 és 1-2% Ti, speciális Fe° felületű TiO2 (45 m²/g-ban), koncentrációjuk pedig 0,5-20 g/m³ között mozog. A gyors és hatékony vízkezelés főleg a nanorészecskék ezen tulajdonságainak köszönhető.
A tisztítandó vizet a „turbulens-labirintus” reaktorba vezetik, amelybe az adagolópumpa a nanorészecskés keveréket adagolja. A reaktorban olyan fizikális körülmények vannak kialakítva, amelyek a nanorészecskék és az eltávolítandó molekulák intenzív és sokszor ismételt összeütközését váltják ki. Ezután a víz, együtt a nanorészecskékkel, az ülepítő tartályba vezetődik, ahol a gravitációs erőknek köszönhetően a nanorészecskék a felvett anyagokkal együtt a fenékre ülepednek. A kitisztított víz ezután továbbhalad a klasszikus kezelésre, a leülepedett nanorészecskéket és szennyeződést pedig regeneráció vagy likvidáció várja.
A reaktor minden mai alacsony teljesítményű vízkezelő rendszerbe beszerelhető, és szükség szerint betelepíthető a már létező technológialáncba. A reaktor nem igényel kezelőszemélyzetet, nem használ elektromos energiát! Minden fizikális folyamat itt a vízáram szivattyú által szolgáltatott kinetikai energiájának köszönhető, valamint a reaktor speciális szerkezetének. A berendezés élettartama 25-30 év.
Az EGGIS technológia
A nanotechnológiát az EGGIS technológia teszi kompletté, ami a víz előkezelésére szolgál. Az EGGIS alapelve a vízáram által okozott elektromágneses erőtér-változáson alapul. Az EGGIS modulban levő elektromágneses mező számos elektrokémiai folyamatot vált ki. Eközben a reaktor elektródái buborékok formájában hidrogént, oxigént és klórt termelnek, amelyek aktívan részt vesznek az elektrokémiai reakcióban. A szilárd szennyezőanyagok maradékát az elektródákról leváló fémionok kötik meg, és a felszálló vízzel, valamint a buborékokkal a felszínre kerül, majd az iszaptartályba ürül. Az EGGIS technológia használata lehetővé teszi a nanotechnológiás rendszer hatékonyságának növelését, valamint az adagoló nanorészecskék mennyiségének optimalizálását. A teljes technológialánc egy vagy több standard 20 lábas konténerben elhelyezhető, akár acél tartószerkezetre is, de a rendszer minden esetben sík betonalapra helyezhető.
Mi a fullerén? Bevezetés a Buckyballsba | Szén-60
Esettanulmány: Jászivány arzénmentesítése
2010. június 21. a nagy változás kezdete volt Jászivány településen. Ezen a napon, számos vezető szakmérnökből álló csapat együttműködésével, megkezdődött a nanotechnológiás arzénmentesítő reaktor tesztelése a határértéket meghaladó ivóvíz tisztítása céljából. A reaktor négynapos folyamatos működése mellett a szakemberek három egymást követő napon mintavételezték a befolyó arzéndús és a kifolyó tisztított ivóvizet. A mintákat a szolnoki Techno-Víz Kft. vizsgálta be arzénkoncentrációra nézve. A három egymást követő napon mért koncentrációk a következők voltak: 29 µg/l, 23 µg/l, 25 µg/l. Ezek a koncentrációk jóval meghaladják az új EU direktíva (98/83/EC) által megengedett 10 µg/l-es határértéket. A nanotechnológiás tisztítás célja a magas arzénkoncentráció határérték alá való csökkentése. Ahogy a mérési eredmények is bizonyítják, a reaktor az elvárások szerint működik. Első számú prioritásként természetesen a minél több ivóvízproblémával küszködő település lajtoskocsiból való ivóvízmegoldásának a kiküszöbölése szerepel. Fontos kiemelni, hogy bárki előzetes egyeztetés alapján megtekintheti a tesztberendezést. Összességében elmondható, hogy a fentiekben bemutatott új nanotechnológia mérföldkőnek számít az ivóvízkezelésben, hatásfokát tekintve a leghatékonyabb technológia az iparágban.
tags: #valogatott #fejezetek #nanotechnologia
