나노레마이제이션

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나노기기는 환경 교정조치에 나노입자를 사용하는 것이다. 지하수, 폐수, 토양, 침전물 또는 기타 오염된 환경 물질을 처리하기 위해 탐사되고 있다.[1][2] 나노 중재는 신흥 산업이다; 2009년까지 나노 중재의 기술이 주로 미국에서 전 세계 최소 44개 청소 현장에 기록되었다.[3][4][5] 유럽에서 나노중재는 EC 자금후원 나노렘프로젝트에 의해 조사되고 있다.[6] 나노렘 컨소시엄이 작성한 보고서에 따르면 전세계 70여 개의 나노 매개 프로젝트를 파일럿 또는 풀 스케일로 확인했다.[7] 나노요법 중에는 해독 또는 고정반응이 가능한 조건에서 나노입자제를 대상 오염물질과 접촉시켜야 한다. 이 프로세스는 일반적으로 펌프 및 처리 프로세스 또는 현장 적용 프로세스를 포함한다.

일부 나노요법, 특히 지하수 정화용 나노 제로 밸류트 철의 사용은 전면적인 정화 현장에 배치되었다.[2] 다른 방법들은 연구 단계에 남아 있다.

적용들

나노리메이케이션은 폐수 처리에 대한 추가적인 광범위한 연구와 함께 지하수 처리에 가장 널리 사용되어 왔다.[5][8][9][10] 나노입자처리도 토양과 퇴적물 정화 실험이 이뤄졌다.[11] 훨씬 더 많은 예비 연구들이 가스의 독성 물질을 제거하기 위해 나노입자를 사용하는 것을 탐구하고 있다.[12]

지하수 교정조치

현재 지하수 교정조치는 나노기상기술의 가장 보편적인 상업적 응용이다.[7][8] 지하수 교정조치에 나노물질, 특히 제로밸런스 금속(ZVM)을 사용하는 것은 많은 나노물질의 오염물질의 분해나 분리에 대한 가용성과 효과로 인해 유망한 새로운 접근방식이다.[13]

나노기술은 발굴이나 오염된 물을 땅에서 퍼낼 필요를 피하면서 오염물질을 효과적으로 처리할 수 있는 잠재력을 제공한다. 나노입자가 주입 우물을 통해 오염된 대수층에 주입되는 과정부터 시작된다. 나노입자는 오염원으로 지하수 흐름에 의해 운반된다. 나노입자는 접촉 시 오염물질을 격리시키거나(흡착 또는 복합화를 통해) 고정시키거나 오염물질을 덜 해로운 화합물로 분해시킬 수 있다. 오염물질 변환은 일반적으로 리독스 반응이다. 나노입자가 산화제 또는 환원제일 때는 반응성으로 간주한다.[13]

나노입자를 지표면에 주입하여 오염원으로 운반하는 능력은 성공적인 치료를 위해 필수적이다. 반응성 나노입자는 오염된 지역으로 경사로로 운반되는 우물 안으로 주입될 수 있다. 우물을 파서 포장하는 것은 꽤 비싸다. 직접 푸시 웰은 드릴링된 웰보다 비용이 적게 들며 나노철로 교정조치에 가장 많이 사용되는 전달 툴이다. 나노입자 슬러리를 프로브의 수직 범위를 따라 주입하여 특정 대수층에 대한 치료를 제공할 수 있다.[13]

표면수처리

탄소나노튜브, TiO2 등 다양한 나노물질의 사용은 정화, 소독, 담수화 등 표면수 처리의 가능성을 보여준다.[9] 표층수 오염물질은 중금속, 유기오염물질, 병원균 등이 대상이다. 이러한 맥락에서 나노입자는 흡착제, 반응성 물질(광촉매제 또는 레독스제) 또는 나노입자를 나노입자에 사용하는 막에 사용될 수 있다.[citation needed]

오염물질 검출 추적

나노입자는 현장 환경에서 오염물질의 미량 검출에 도움을 줄 수 있으며, 효과적인 교정조치에 기여할 수 있다. 실험실 밖에서 작동할 수 있는 기구는 종종 미량의 오염물질을 감지할 만큼 민감하지 않다. 따라서 지하수와 기타 환경 매체의 미량 오염물질에 대한 신속하고 휴대 가능하며 비용 효율적인 측정 시스템이 오염물질 검출 및 정화를 향상시킬 것이다. 한 가지 잠재적 방법은 분석물질을 시료에서 분리하여 더 작은 부피에 집중시켜 검출과 측정을 용이하게 하는 것이다. 고형 흡착제를 소량 사용하여 농도의 대상을 흡수할 때 이 방법을 고형상 미세 추출이라고 한다.[14]

나노입자는 높은 반응성과 넓은 표면적을 가진 고형상 미세추출을 위한 대상 오염물질의 집중을 돕는 효과적인 흡착제가 될 수 있으며, 특히 자가조립된 단색체의 형태는 중간 지지대에 있다. 계면활성제 템플화 솔겔 공정을 통해 만들어진 중층 실리카 구조는 이러한 자가 조립된 단열재 높은 표면적과 단단한 열린 모공 구조를 제공한다. 이 물질은 수은, 납, 카드뮴과 같은 중금속, 크롬과 비소, Tc, CS, 우라늄 및 액티니드와 같은 방사성핵종을 포함한 많은 대상에게 효과적인 흡착제가 될 수 있다.[14]

메커니즘

나노 입자의 작은 크기는 교정조치의 효과를 높일 수 있는 몇 가지 특징으로 이어진다. 나노물질은 단위 질량당 표면적이 높기 때문에 반응성이 높다.[3] 또한 나노입자가 작은 입자 크기로 인해 더 큰 입자가 침투하지 못할 수 있는 토양이나 침전물의 작은 구멍에 나노입자가 들어가 토양에 흡착되는 오염물질에 접근할 수 있으며 대상 오염물질과의 접촉 가능성을 높일 수 있다.[3]

나노 물질은 매우 작기 때문에, 그들의 움직임은 중력에 비해 브라운 운동에 의해 지배된다. 따라서 지하수의 흐름은 입자를 운반하기에 충분할 수 있다. 나노입자는 현장 치료 구역을 설정하기 위해 용액에 더 오래 매달려 있을 수 있다.[15]

나노입자가 오염물질에 접촉하면, 일반적으로 재독스 반응을 통해 오염물질을 저하시키거나 오염물질을 고정시키기 위해 흡착할 수 있다. 자기 나노 철과 같은 경우에, 흡착된 복합체가 처리된 기질에서 분리되어 오염 물질을 제거할 수 있다.[12] 대상 오염물질은 살충제나 유기용제 등의 유기분자와 비소나 납 등의 금속 등이 해당된다. 질소, 인 등 과도한 영양소를 제거하기 위해 나노입자를 활용하는 방안도 연구되고 있다.[12]

자재

교정조치의 거시적 크기의 입자로 사용되는 일부 화합물을 포함한 다양한 화합물이 나노입자화에서 사용될 수 있도록 연구되고 있다.[2] 이 물질에는 제로밸런스 철과 같은 제로밸런스 금속, 탄산칼슘, 그래핀이나 탄소나노튜브 같은 탄소 기반 화합물, 이산화티타늄, 산화철과 같은 금속 산화물이 포함된다.[3][12][16]

나노 제로 밸류트 철

2012년 현재, 나노 제로 밸류트 철(nozVI)은 벤치 및 현장 교정조치 테스트에서 가장 일반적으로 사용되는 나노스케일 소재였다.[2] nZVI는 팔라듐, 은 또는 구리와 같은 다른 금속과 혼합되거나 코팅될 수 있으며, 이는 바이메탈 나노입자라 불리는 것의 촉매 역할을 한다.[3] nZVI는 계면활성제와 기름으로도 유화하여 나노입자의 소수성 액체와의 상호작용 능력을 향상시키고 물에 용해된 물질과의 반응으로부터 그것을 보호하는 막을 만들 수 있다.[1][2] 상용 nZVI 입자 크기는 때때로 실제 "나노" 치수(100nm 이하 직경)를 초과할 수 있다.[3]

nZVI는 폴리염소화 비페닐(PCB), 트리클로로에테네(TCE) 등 염화유기화합물을 비롯한 유기오염물질의 분해와 금속의 고정이나 제거에 유용한 것으로 보인다.[3][9] 빛이 필요하지 않은 nZVI와 기타 나노입자는 지하수 교정조치 및 잠재적으로 토양 교정조치에 대해 지하에 오염된 구역으로 주입할 수 있다.

nZVI 나노입자는 보로하이드화나트륨을 키 환원제로 사용하여 준비할 수 있다. NaBH4(0.2M)를 FeCl3•6H2(0.05M) 용액(~1:1 용적률)에 첨가한다. 철은 다음과 같은 반응을 통해 감소한다.

4Fe3+ + 3BH−
4 + 9H2O → 4Fe0 + 3H2BO−
3 + 12H+ + 6H2

팔라듐 아세트산(Pd(CHO232)2]의 1wt% 에탄올 용액으로 나노 크기의 철 입자를 담가 준비한다.3 이로 인해 Fe 표면에 Pd가 감소 및 퇴적된다.

Pd2+ + Fe → Pd0 + Fe2+

유사한 방법을 사용하여 Fe/Pt, Fe/Ag, Fe/Ni, Fe/Co, Fe/Cu 바이메탈 입자를 준비할 수 있다. 위의 방법으로 직경 50~70nm의 나노입자를 만들 수 있다. Pd/Fe 입자의 평균 특정 표면적은 약 352 m/g이다. 철분소금은 또한 전구체로 성공적으로 사용되어 왔다.[15]

이산화티타늄

이산화티타늄(TiO2)도 나노정화 및 폐수처리 분야의 선두 후보지만 2010년 현재 본격적인 상용화로 확대되지는 않은 것으로 알려졌다.[10] 이산화티타늄은 햇빛 등 자외선에 노출되면 수산화기가 생성돼 반응성이 뛰어나 오염물질을 산화시킬 수 있다. 히드록실산기는 일반적으로 고급 산화 과정이라고 불리는 방법으로 수처리를 위해 사용된다. 이러한 반응에 빛이 필요하기 때문에 TiO는2 현장 교정조치에서는 지하에 적합하지 않지만 폐수 처리나 펌프 처리 지하수 교정조치에 사용될 수 있다.[citation needed]

TiO는2 저렴하고 화학적으로 안정적이며 물에 녹지 않는다. TiO는2 광촉매 활성화를 위해 가시광선과 달리 UV광선을 사용해야 하는 광대역 간극 에너지(3.2eV)를 탑재했다. 광투석의 효율성을 높이기 위해, 연구는 가시광선 스펙트럼에서 광자의 많은 부분을 사용할 수 있는 TiO2 또는 대체 광촉매에 대한 수정을 조사했다.[9][17] 잠재적인 수정에는 금속, 질소 또는 탄소를 포함한 도핑2 TiO가 포함된다.[citation needed]

과제들

현장 교정조치에 사용할 때 반응성 제품은 두 가지 이유로 고려되어야 한다. 한 가지 이유는 반응성 제품이 모화합물보다 더 해롭거나 이동성이 있을 수 있기 때문이다. 또 다른 이유는 제품이 교정조치의 효과 및/또는 비용에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 나노철에 의한 감소 조건 하에서 TCE(트리클로로에틸렌)는 DCE(디클로로에테네) 및 VC(염화비닐)에 순차적으로 탈염소산염할 수 있다. VC는 TCE보다 유해한 것으로 알려져 있는데, 이는 이 과정이 바람직하지 않다는 것을 의미한다.[13]

나노입자도 비표적 화합물과 반응한다. 맨 나노입자는 서로 뭉치는 경향이 있고 또한 땅속에 있는 흙, 침전물 또는 다른 물질들과 빠르게 반응한다.[18] 현장 교정조치의 경우, 이 작용은 입자가 오염된 구역에서 분산되는 것을 억제하여 교정조치에 대한 효과를 감소시킨다. 코팅 또는 기타 처리로 나노 입자가 더 멀리 분산되어 잠재적으로 오염 구역의 더 큰 부분에 도달할 수 있다. nZVI를 위한 코팅에는 계면활성제, 폴리전극 코팅, 유화 층 및 실리카 또는 탄소로 만든 보호 껍질이 포함된다.[1]

이러한 설계는 또한 나노입자의 오염물질과 반응하는 능력, 유기체에 의한 섭취 및 독성에도 영향을 미칠 수 있다.[19] 지속적인 연구 영역에는 교정조치에 사용되는 나노입자가 광범위하게 분산되고 야생동물, 식물 또는 사람에게 해를 끼칠 가능성이 포함되어 있다.[20]

어떤 경우에는 생물방사선을 같은 현장에서 고의적으로 사용하거나 나노방사선과 동일한 재료로 사용할 수 있다. 현재 진행 중인 연구는 나노입자가 동시에 생물학적 교정조치와 어떻게 상호작용할 수 있는지를 조사하고 있다.[21]

참고 항목

참조

  1. ^ a b c Crane, R. A.; T. B. Scott (2012-04-15). "Nanoscale zero-valent iron: Future prospects for an emerging water treatment technology". Journal of Hazardous Materials. Nanotechnologies for the Treatment of Water, Air and Soil. 211–212: 112–125. doi:10.1016/j.jhazmat.2011.11.073. ISSN 0304-3894. PMID 22305041.
  2. ^ a b c d e U.S. EPA (2012-11-14). "Nanotechnologies for environmental cleanup". Retrieved 2014-07-29.
  3. ^ a b c d e f g Karn, Barbara; Todd Kuiken; Martha Otto (2009-12-01). "Nanotechnology and in Situ Remediation: A Review of the Benefits and Potential Risks". Environmental Health Perspectives. 117 (12): 1823–1831. doi:10.1289/ehp.0900793. ISSN 0091-6765. JSTOR 30249860. PMC 2799454. PMID 20049198.
  4. ^ Project on Emerging Nanotechnologies. "Nanoremediation Map". Retrieved 2013-11-19.
  5. ^ a b Mueller, Nicole C.; Jürgen Braun; Johannes Bruns; Miroslav Černík; Peter Rissing; David Rickerby; Bernd Nowack (2012-02-01). "Application of nanoscale zero valent iron (NZVI) for groundwater remediation in Europe" (PDF). Environmental Science and Pollution Research. 19 (2): 550–558. doi:10.1007/s11356-011-0576-3. ISSN 1614-7499. PMID 21850484.
  6. ^ "Nanotechnology for Contaminated Land Remediation". Retrieved 3 December 2014.
  7. ^ a b Bardos, P.; Bone, B.; Daly, P.; Elliott, D.; Jones, S.; Lowry, G.; Merly, C. "A Risk/Benefit Appraisal for the Application of Nano-Scale Zero Valent Iron (nZVI) for the Remediation of Contaminated Sites" (PDF). www.nanorem.eu. Retrieved 3 December 2014.
  8. ^ a b U.S. EPA. "Remediation: Selected Sites Using or Testing Nanoparticles for Remediation". Retrieved 2014-07-29.
  9. ^ a b c d Theron, J.; J. A. Walker; T. E. Cloete (2008-01-01). "Nanotechnology and Water Treatment: Applications and Emerging Opportunities". Critical Reviews in Microbiology. 34 (1): 43–69. doi:10.1080/10408410701710442. ISSN 1040-841X. PMID 18259980.
  10. ^ a b Chong, Meng Nan; Bo Jin; Christopher W. K. Chow; Chris Saint (May 2010). "Recent developments in photocatalytic water treatment technology: A review". Water Research. 44 (10): 2997–3027. doi:10.1016/j.watres.2010.02.039. ISSN 0043-1354. PMID 20378145.
  11. ^ Gomes, Helena I.; Celia Dias-Ferreira; Alexandra B. Ribeiro (2013-02-15). "Overview of in situ and ex situ remediation technologies for PCB-contaminated soils and sediments and obstacles for full-scale application". Science of the Total Environment. 445–446: 237–260. doi:10.1016/j.scitotenv.2012.11.098. ISSN 0048-9697. PMID 23334318.
  12. ^ a b c d Sánchez, Antoni; Sonia Recillas; Xavier Font; Eudald Casals; Edgar González; Víctor Puntes (March 2011). "Ecotoxicity of, and remediation with, engineered inorganic nanoparticles in the environment" (PDF). TrAC Trends in Analytical Chemistry. Characterization, Analysis and Risks of Nanomaterials in Environmental and Food Samples II. 30 (3): 507–516. doi:10.1016/j.trac.2010.11.011. ISSN 0165-9936.
  13. ^ a b c d 로리, G. V. (2007) 지하수 교정용 나노 물질. 인: 위스너, M.R.; 보테로, J. (eds), "환경 나노기술". 뉴욕 주 뉴욕 맥그로힐 회사 297-336페이지.
  14. ^ a b 애들먼, R. S.; 에고로프, O. B.; 오하라, M.; 제마난, T. S.; 프라이셀, G.; 쿠엔지, D. (2005) 고체상 미세 추출 및 환경 검사를 위한 나노 구조화된 흡착제. In: Karn, B.; Masciangioli, T.; Jang, W.; Colvin, V.; Alivisatos, P. (eds), 나노기술과 환경: 응용과 시사점 워싱턴 DC 옥스퍼드 대학 출판부 186-199쪽
  15. ^ a b 장, W.; 조, J.; 엘리엇, D. (2005) 현장 교정용 철 나노 입자. In: Karn, B.; Masciangioli, T.; Jang, W.; Colvin, V.; Alivisatos, P. (eds), 나노기술과 환경: 응용과 시사점 워싱턴 DC 옥스퍼드 대학 출판부 248-261페이지.
  16. ^ Wang, Shaobin; Hongqi Sun; H. M. Ang; M. O. Tadé (2013-06-15). "Adsorptive remediation of environmental pollutants using novel graphene-based nanomaterials". Chemical Engineering Journal. 226: 336–347. doi:10.1016/j.cej.2013.04.070. hdl:20.500.11937/35439. ISSN 1385-8947.
  17. ^ Di Paola, Agatino; Elisa García-López; Giuseppe Marcì; Leonardo Palmisano (2012-04-15). "A survey of photocatalytic materials for environmental remediation". Journal of Hazardous Materials. Nanotechnologies for the Treatment of Water, Air and Soil. 211–212: 3–29. doi:10.1016/j.jhazmat.2011.11.050. hdl:10447/74239. ISSN 0304-3894. PMID 22169148.
  18. ^ Zhang, Wei-xian (2003-08-01). "Nanoscale Iron Particles for Environmental Remediation: An Overview". Journal of Nanoparticle Research. 5 (3–4): 323–332. doi:10.1023/A:1025520116015. ISSN 1572-896X.
  19. ^ Lubick, Naomi (2008-03-01). "Risks of Nanotechnology Remain Uncertain". Environmental Science & Technology. 42 (6): 1821–1824. doi:10.1021/es087058e. ISSN 0013-936X.
  20. ^ Wiesner, Mark R.; Greg V. Lowry; Pedro Alvarez; Dianysios Dionysiou; Pratim Biswas (2006-07-01). "Assessing the Risks of Manufactured Nanomaterials". Environmental Science & Technology. 40 (14): 4336–4345. doi:10.1021/es062726m. ISSN 0013-936X.
  21. ^ Ševců, Alena; El-Temsah, Yehia S.; Joner, Erik J.; Černík, Miroslav (2011). "Oxidative Stress Induced in Microorganisms by Zero-valent Iron Nanoparticles". Microbes and Environments. 26 (4): 271–281. doi:10.1264/jsme2.ME11126. PMC 4036022.