Практическое применение нанотехнологий для очистки питьевой воды (доклад)
| Вид материала | Доклад |
- Практическое применение нанотехнологий для очистки питьевой воды (доклад), 1023.8kb.
- Урок. Тема. Вода. Качество питьевой воды. Очистка воды, 49.25kb.
- «Применение устройств магнитной обработки и очистки воды на операциях гальванического, 59.18kb.
- Новые сорбционные материалы и технологии для подготовки питьевой воды и очистки сточных, 38.86kb.
- Способы очистки питьевой воды, 23.6kb.
- Аботает на гидрологических станциях, станциях биологической и глубокой очистки сточных, 21.68kb.
- Исследование рынка питьевой воды, 89.24kb.
- Окружающая среда роль питьевой воды в обеспечении организма человека микроэлементами, 127.36kb.
- Принцип работы установки для очистки сточных вод, 25.95kb.
- Аппендикс: методы очистки воды, 360.55kb.
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ (доклад).
Известно, что более половины всех болезней людей связано с употреблением некачественной питьевой воды. Сейчас на Земле практически не осталось мест, где можно найти чистую природную воду, пригодную для питья. Горные ледники, некоторые подземные озера, ключи и родники, Байкал, Антарктида и Арктика — вот, пожалуй, и все. Что из этого доступно современному городскому жителю? Большие реки испорчены промышленными стоками, дождевая вода содержит растворенные газообразные выбросы, вода из лесного озера или речки содержит огромное количество органики. Ученые считают, что питьевая вода хорошего качества увеличила бы среднюю продолжительность жизни современного человечества на 20-25 лет. Все больше людей в России понимают это, и поэтому не употребляют в пищу воду из-под крана, а либо покупают фильтры для воды, либо пользуются бутилированной водой.
Федеральная служба по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (www.gsen.ru) констатирует низкое качество питьевой воды в России. Около 19% проб воды из водопроводной сети не соответствует требованиям нормативов по санитарно-химическим и около 8% — по бактериологическим показателям. В целом по стране до 30% проб воды поверхностных водоисточников не соответствует гигиеническим нормативам по санитарно-химическим и до 25% — по бактериологическим показателям. Серьезной проблемой являются водоразводящие сети, от 40% до 70% которых требуют замены. Как говорится в сообщении службы от 18 марта 2005 года, «в связи с этим аварии на сетях и вторичное микробное загрязнение питьевой воды представляют эпидемическую опасность». Из сообщения следует, что из общего числа зарегистрированных в 2004 году вспышек заболеваний, 77,3% носили «водный» характер и были связаны с неудовлетворительным состоянием систем водоснабжения. (РИА «Новости»).
«Даже идеальная по нашим понятиям так называемая родниковая вода не всегда так хороша, как может показаться на первый взгляд». Почему? — Исследования члена коллегии национальных экспертов СНГ, доктора технических наук Виктора ШАРКОВА и директора Центра биоголографии (г. Москва) Валерия ЛЕБЕДЕВА. (Статья из еженедельника «АиФ Здоровье»)
Почему нельзя пить воду из-под крана?
Полная схема очистки питьевой воды системой муниципальных водоканалов России следующая:
- Отстаивание воды.
- Коагуляция (связывание и осаждение примесей) сульфатом алюминия или другими коагулянтами.
- Пропускание через песок с обратной промывкой.
- Обработка ультрафиолетовыми лампами для уничтожения микроорганизмов.
- Хлорирование с целью избежать дальнейшего бактериологического заражения воды, проходящей часто от станций водоочистки до потребителя по старым и ржавым трубам.
Часто станции очистки воды используют сокращенную схему — либо без отстаивания, либо без коагуляции, либо без песчаных фильтров, либо без ультрафиолета; при этом воду хлорируют всегда. Даже непрофессионалу ясно, что эффективно очистить воду, взятую из загрязненных источников (например, в Неву до сих пор сбрасывают неочищенные стоки, периодически происходят нефтеразливы или аварийные сбросы, и при этом Нева — один из наиболее чистых источников питьевой воды в России) по вышеуказанной схеме нельзя. Вода считается питьевой, соответствующей требованиям СанПина, если содержание загрязнений (органика, железо, мутность и др.) не превышает предельно допустимую концентрацию (ПДК). Следует учесть, что требования СанПина сильно занижены, они подогнаны под тот уровень очистки, который технически достижим Водоканалами. Нельзя же ведь, в самом деле, объявить, что в дома подается заведомо непитьевая вода!
Но и при этом 80% воды в России
не соответствует даже таким заниженным требованиям.
Коагуляция (осаждение примесей) сульфатом алюминия делает воду более прозрачной, но в то же время неизбежно приводит к загрязнению воды остаточным алюминием, который замещает в костях человека кальций. Вы замечали у водопроводной воды металлический привкус? Это и есть остаточный алюминий, который, вместе с мельчайшей ржавчиной, появляющейся из-за старых труб, постоянно присутствует в обычной водопроводной воде. Ржавчина (трехвалентное железо) плохо выводится из организма, обладает канцерогенным воздействием, нарушает работу мозга. Хлорирование воды убивает бактерии, но приводит к загрязнению ее остаточным хлором и хлороорганикой. Если запустить рыбок в воду, набранную из-под крана, то они быстро умрут. А нам заявляют, что эта вода — питьевая…
Правда о бутилированной воде
Воду бутилируют во всем мире. Качественная бутилированная вода, взятая из чистых природных источников, таких, как тающие ледники, стоит 40-60 руб. за литр, что значительно дороже, например, бензина. В России в любом магазине продается бутилированная вода по цене примерно 5 руб. за литр. Раньше производители писали на бутылках, что это вода — ключевая, сейчас обычно пишут честно — очищенная. Что же означает — очищенная? Широко известен только один метод глубокой очистки воды — так называемый «обратный осмос». Вода продавливается через мельчайшие мембраны, которые буквально отдирают от воды практически все растворенные соли и другие вещества, как полезные, так и вредные. В результате такой очистки получается дистиллированная или почти дистиллированная вода. Многие люди ошибочно полагают, что дистиллят — это и есть идеальная питьевая вода.
На самом деле дистиллированная вода — это сильнейший яд.
Человек может годами пить грязную воду с многократным превышением ПДК по меди, железу, даже ртути (посадить печень не так-то просто!), но с гарантией умирает в течение недели, если будет пить дистиллированную воду. Почему? Потому что вода, лишенная всех растворенных веществ, крайне активно начинает их вымывать из организма.
Дистиллированная вода является не питьевой, а технической.
Для того, чтобы ее можно было пить, дистиллят минерализуют, иначе говоря, добавляют некоторые полезные соли: кальция, магния, натрия. Но и при этом, обогащенная несколькими необходимыми для организма солями, минерализованная дистиллированная вода резко отличается от природной, в которой тысячи растворенных веществ и микроэлементов.
Скажите, многие стали бы пить «минерализованную» бутилированную воду, если бы знали, что исходным веществом для нее является сильный яд — дистиллированная вода? Кроме того, как Вы думаете, выглядит процесс минерализации? На производстве стоит несколько капельниц, которые добавляют в дистиллят столько-то солей кальция, столько-то солей магния, столько-то солей натрия. Можно ли поверить, что эта аппаратура не дает сбоев и всегда идеально выдерживает заданные пропорции? Не логичнее ли предположить, что возможны сбои, когда идут, например, одни соли кальция или вообще ничего не идет? Но даже при идеальной работе механизма минерализации получается вода с содержанием очень малого числа полезных солей и с практическим отсутствием полезных микроэлементов, которые не докупить ни в одной аптеке.
На «обратном осмосе» делают водку. Любой, кто выпивал больше бутылки водки замечал, что поутру начинает ломить кости. Почему? Потому, что дистиллят вымывает соли из костей. В силу вышесказанного, глубоко ошибаются те, кто считает, что покупка или заказ на дом бутилированной воды по 5 руб. за литр, решает проблему питьевой воды.
Дистилляция воды с последующей минерализацией требует довольно больших затрат, на которые идут далеко не все производители «питьевой» воды. Выше шла речь именно о честных производителях, стремящихся выдержать заявленную технологию.
На сегодняшний день около 80% бутилированной воды производится не по заявленной технологии. Например, следующим образом: гастарбайтеры из некоей солнечной страны в резиновых сапогах забираются в большую ванную, наполненную водой из-под крана, замешивают в нее коагулянт (осветлитель), дают воде отстояться и разливают по бутылкам, наклеив этикетку «Ключевая вода».
О том, что в настоящее время в России производится и реализуется большое количество не соответствующей установленным требованиям питьевой воды, расфасованной в емкости, в том числе и для детского питания, говорится в постановлении от 6 апреля 2005 г. «Об усилении надзора за производством и оборотом минеральной и питьевой воды», подписанном главным санитарным врачом РФ Геннадием Онищенко и опубликованном на официальном сайте Федеральной службы по надзору в Сфере защиты прав потребителей и благополучия человека.
Фильтры для очистки питьевой воды
Воду из-под крана пить нельзя, минерализованный бутилированный дистиллят в чем-то лучше (чище), в чем-то хуже (меньше полезных солей) водопроводной воды, о «поддельной» воде и думать не хочется. Возникает вопрос: нельзя ли глубоко очистить воду из-под крана иным, чем «обратный осмос», методом? До недавнего времени лучшим сорбентом для очистки и доочистки питьевой воды являлся активированный уголь, в том числе лучший из промышленно производимых активированных углей — американский гранулированный активированный кокосовый уголь (ГАУ). Уголь, безусловно, очищает воду от широкого класса примесей, однако его сорбирующая (очищающая) способность и ресурс довольно невелики.
Производители угольных фильтров дают настолько недостоверную информацию об их возможностях, что порой кажется, что они стремятся превзойти самого барона Мюнхаузена. — Зачем Вы говорите неправду о возможностях активированного угля? — спросили как-то у руководителя одной из крупных российских фирм-производителей фильтров. — Мои конкуренты врут, и я вру, — таков был честный ответ.
Так, в рекламе некоторых известных фильтров, указывается, что угольный фильтр способен в 100 раз уменьшить содержание в воде органических примесей. А на самом деле, новый угольный фильтр способен уменьшить содержание такого рода примесей только в два раза. Мельчайшую ржавчину (коллоидное трехвалентное железо) и остаточный алюминий активированный уголь не сорбирует, но об этом умалчивается. Горячую воду уголь не очищает вообще. Старый, долго использовавшийся, угольный фильтр начинает не очищать, а загрязнять воду: на входе вода лучше, чем на выходе. Так происходит потому, что из угольной массы начинает вымываться ранее скопившаяся в ней грязь.
Уголь обладает еще одной неприятной особенностью — в нём хорошо размножаются бактерии. Именно поэтому производители угольных фильтров рекомендуют сохранять свою продукцию в холодильнике. Небольшие сорбционная способность и ресурс угольных фильтров, а так же тот факт, что некоторые примеси (гуминовые кислоты, коллоидные взвеси) уголь почти не сорбирует, не позволяют при помощи угля глубоко очистить природную воду. Если пропустить через угольный фильтр, например, неочищенную ладожскую воду, подаваемую по частично проржавевшим трубам, то окажется, что его ресурс равен нулю: на входе желтая непитьевая вода, на выходе — желтоватая вода, тоже непитьевая. Если бы уголь мог глубоко очистить воду, никто бы не прибегал к «обратному осмосу».
Получается парадоксальная ситуация: обилие разного рода
фильтров и множество видов бутилированной воды не решают проблему
чистой питьевой воды.
Эту проблему может решить только принципиально новая технология водоочистки — не песок, не коагуляция, не уголь и не обратный осмос. Такая технология возникла в 1997 году, после изобретения новой, в природе не встречающейся и до того людям не известной, разновидности углерода — углеродной смеси высокой реакционной способности — УСВР.
| УСВР — углеродная смесь высокой реакционной способности | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Что такое УСВР? К  ак известно, углерод является самым распространённым элементом на Земле. Различия между углем, УСВР и алмазом (всё это — один и тот же химический элемент — углерод) определяются их принципиально различной внутренней структурой. Перестраивая внутреннюю структуру, из одной модификации углерода можно получить другую. Если мы к частице графита применим давление в 80 тысяч атмосфер и нагреем её до температуры в 1600 °С, то атомы углерода перестроятся из графитовой гексагональной плоскостной структуры в кубическую алмазную, т.е. мы получим настоящий алмаз. И наоборот, если мы нагреем в вакууме алмаз до температуры 1600 °С, то он превратится в кусочек обыкновенного графита. УСВР по своим свойствам так же резко отличается от графита, как графит — от алмаза. Суть открытия академика РАЕН В.И.Петрика — получение углерода с принципиально новой внутренней структурой. Международной ассоциацией авторов научных открытий на основании результатов научной экспертизы заявки на открытие № А-191 от 3 января 2001 года подтверждено установление научного открытия «Явление образования наноструктурных углеродных комплексов» (автор открытия — В.И.Петрик, диплом № 163). Метод получения УСВР из слоистых углеродных соединений (СУС), разработанный академиком В.И.Петриком Приставка «нано…» обозначает размер порядка 10-9 метра. Углеродный нанослой — это слой, толщина которого составляет около 10-9 метра. Такой атомарный углеродный слой н  азывают графеном. Строение графита очень похоже на хорошо известный нам предмет, а именно — на обыкновенную настольную книгу, только страницами в случае графита являются графены. Атомы углерода в графенах расположены в виде шестиугольников (гексагоналов), поэтому и говорят, что графены имеют гексагональную структуру. Связи между графенами — слабые (когда мы пишем карандашом, то разрываем эти связи), их называют ван-дер-ваальсовыми связями. Связи между атомами в гексагоналах — сильные. Физики долгое время не верили, что В.И.Петрику удалось разорвать межатомарные (или, как их называют, ковалентные) связи, т.к. считалось, что они реально могут быть разорваны только в эпицентре ядерного взрыва. В.И.Петриком было синтезировано химическое соединение, способное к взрывообразному разложению. Это соединение способно проникать путем обычного смачивания в межслоевые пространства графита (СУС) и находиться в таком состоянии сколь угодно долго, никак себя не проявляя. Однако, достаточно взорвать некоторое критическое количество молекул этого соединения, и начнется настоящая цепная реакция. Запустить такую реакцию автокаталитического распада соединения можно, например, механическим воздействием, т.е. простым ударом, химическим воздействием, нагреванием до 150–200 °С, даже направленным мощным звуком. И при каждом взрыве заложенной молекулы от общей массы графита (СУС) отделяется один атомарный углеродный слой — графен. Выглядит фантастически, когда в результате неуправляемой (!) холодной (!) цепной реакции происходит радикальная деструкция СУС, и объем СУС (графита) увеличивается в 500 раз. Кусок графита превращается в легчайший черный пух, содержащий до 20% наноструктур. Наноструктуры, содержащиеся в УСВР — это не только графены, но и нанотрубки, ветвящиеся нанотрубки, нанокольца, нанофракталы. Представим себе, что мы оторвали от книги страницу и оставили ее в сухом месте. Спустя некоторое время высыхающая страница свернется в наиболее энергетически удобную для нее форму — форму трубки. Точно то же самое происходит и с графеном, отделенным от общей графитовой структуры — он сворачивается в нанотрубку. Взрывы молекул химического соединения разрывают не только ван-дер-вальсовы связи между графенами (в результате чего графит «распушается», увеличиваясь в 500 раз в объеме), но они также частично разрывают ковалентные связи между атомами углерода в самих графенах, в результате чего в массе УСВР образуется огромное количество свободных радикалов — ненасыщенных атомарных связей. Фуллерены и наноструктуры УСВР В 1985 году американские ученые под руководством Р.Смолли в спектрах паров углерода обнаружили четкие пики, соответствующие кластерам, состоящим из 60 атомов углерода. Дальнейшие исследования показали, что эти кластеры в действительности являются индивидуальными молекулами. Эти молекулы были названы фуллеренами в честь американского архитектора Ричарда Фуллера, впервые построившего геодезический купол, состоящий из шести- и пятиугольников. Открытие новой формы углерода было удостоено Нобелевской премии, а удивительные химические и физические свойства фуллеренов вызвали н  е стихающий и по сегодняшний день «фуллереновый бум».Похоже на мистику, но факт: великий Леонардо да Винчи нарисовал для книги Луки Пачоли «О совершенстве мира», изданной в начале XVI века, совершенную молекулу, состоящую из 60 атомов и представляющую собой усеченный икосаэдр. Именно такой мы видим сегодня молекулу фуллерена — один к одному, имеет место полное соответствие (метрический инвариант) точек двух множеств. Предвидение длиной в 500 лет! Углеродные наноструктуры были открыты в процессе изучения свойств фуллеренов. Спустя шесть лет после открытия фуллеренов японский ученый Иджима, исследуя осадки, образующиеся на катоде при испарении углерода в электрической дуге, обнаружил новые углеродные каркасные формы — нанотрубки. Открытие было настолько значимым, что Иджима до сих пор остается одним из наиболее цитируемых специалистов в области физики материалов. Фактически следует считать, что именно это открытие является началом открытия наномира, предсказанного великим американским ученым Ричардом Фейнманом. 30 лет назад в своей речи Р.Фейнман предсказал существование наномира, в котором многие физические и химические процессы протекают не по тем законам, которые нам так хорошо известны. Свою речь он закончил изящным призывом к изучению этого мира: «Господа, там внизу очень много места!». До сих пор нанотрубки получали так же, как их получил Иджима: конденсация паров углерода при дуговом или лазерном испарении в присутствии катализатора приводит к образованию каркасных углеродных структур, свернутых в один или несколько углеродных слоев. В зависимости от чистоты, нанотрубки, полученные этим или другими известными методами, стоят от $300 до $1000 за грамм. Обладая уникальными электрическими, химическими и механическими свойствами, нанотрубки создали целые направления в материаловедении, наноэлектронике, прикладной химии. В научной литературе приводятся наглядные примеры некоторых экзотических свойств нанотрубок. Например, нанотрубка в 50-100 тысяч раз тоньше человеческого волоса, и при этом, как показывают расчеты, канат из нанотрубок, протянутый от Земли до Луны, мог бы обеспечить прочностные характеристики для того, чтобы его использовать в качестве кабеля пассажирского лифта. А кабель от Земли до Луны из одиночной нанотрубки можно намотать на маковое зернышко! Однако при вышеуказанной стоимости нанотрубок, возможность, скажем, призводства бронежилетов весом в десяток грамм, кажется бесперспективной. Именно поэтому такое значение имеет описанный выше принципиальной новый способ производства наноуглеродных структур, разработанный В.И.Петриком. Только этот способ на сегодняшний день по ценовым и количественным характеристикам является промышленным. Без преувеличения можно сказать, что Научный центр академика РАЕН В.И.Петрика имеет сейчас в десятки тысяч раз больше углеродных наноструктур, чем весь остальной мир и по более низким ценам. Основные физико-химические свойства УСВР УСВР химически инертен, электропроводен, гидрофобен (краевой угол смачивания более 90 градусов), устойчив к агрессивным средам, экологически чист. Содержание углерода не менее 99,4%, насыпная плотность — 0,01—0,001 г/куб.см (в зависимости от способа изготовления). Удельная поверхность — 2000 кв.м на 1 г. Диапазон рабочих температур: от -60 °С до +3000 °С. Возврат присоединённого вещества — до 98%. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| УСВР и терморасширенный графит (ТРГ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Отметим, что метод деструкции графита путем разрыва ван-дер-ваальсовых связей был известен с 40-50 годов ХХ в. Этот метод вкратце сводится к следующему: СУС смачиваются серной кислотой с окислителями — азотной кислотой, перекисью водорода, бихроматом калия и пр., затем полученная масса за 2-3 секунды нагревается до 2000°С (термоудар). Молекулы серной кислоты при столь резком нагревании не успевают испариться, и резкое увеличение от нагревания объема серной кислоты «распушает» СУС, в результате чего получается вещество, внешне похожее на УСВР, которое называют терморасширенным графитом (ТРГ). Отличить УСВР от ТРГ можно по запаху: УСВР не имеет запаха, а ТРГ имеет сильный кислотный запах (остатки серной кислоты из массы ТРГ никоим образом не удалить). Кроме того, ТРГ — серый, тогда как УСВР имеет глубокий черный цвет. Заметим, что, несмотря на увеличение сорбирующей способности ТРГ по сравнению с «нераспушенными» углеродными соединениями (за счет большой сорбирующей поверхности), ТРГ как сорбент запрещено применять во многих странах, — именно из-за остатков кислот, которые не удаляются даже при высокой температурной обработке. Активность этих остатков так велика, что ТРГ транспортируют в антикоррозийных контейнерах. Некоторые люди, услышав про УСВР, считают, что УСВР — примерно то же самое, что ТРГ. Это — принципиально не так. ТРГ — это не новая модификация углерода, это уже известная модификация — графит, только «распушенный», резко увеличенный в объеме за счет разрушения ван-дер-ваальсовых связей. Ковалентные связи между атомами углерода в ТРГ сохраняются. Аналитический центр химического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова провел сравнительный анализ сорбционных свойств УСВР и ТРГ (см. табл.1), и в экспертном заключении (подписанном 20.10.2000 г. руководителем центра профессором Шпигуном О.А.) по данным такого анализа сделал вывод, что «УСВР обладает существенно более высокими сорбционными показателями по всему ряду компонентов <…>, поэтому УСВР является уникальным сорбентом для комплексной очистки как питьевой воды, так и промстоков». Таблица 1. Сравнительный анализ сорбционных свойств УСВР и терморасширенного графита (СТРГ — сорбент терморасширенный графит).
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||