Umweltfolgen der Nanotechnologie


Durch Dr. Priyanka Battacharya

Dr. Priyanka Battachara, Nano--Biophysik und Weiches Stoff-Labor, Abteilung von Physik und Astronomie, Clemson-Universität.
Entsprechender Autor: pbhatta@g.clemson.edu

Inhaltsverzeichnis

Einleitung
Nanomaterials für Wasserbehandlung
UmweltAnwendungen von BaumPolymeren
Zukünftige Richtungen
Bezüge

Einleitung

Neue Fortschritte in der Materialkunde und in der Nanotechnologie haben eine Myriade von Entwicklungen verursacht, die haben, zu Aufrufe für Forschung in die Auswirkungen von Nanomaterials zu führen auf der Umgebung und der menschlichen Gesundheit. In den letzten zehn Jahren, hat es wachsende Sorge um die möglicherweise nachteiligen Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen von Nanomaterials gegeben.1 Gleichzeitig hat Nanotechnologie verbesserte Umweltlösungen, besonders auf dem Gebiet der Wasserqualität geliefert.2 Umweltprobleme sind ein schwieriges Mosaik von mehrfachen Phänomenen, die mehrdimensionale Analyse und Lösungen benötigen. Wir, während Physiker versuchen, die grundlegenden Interaktionen zwischen Nanomaterials und dem Ökosystem zu verstehen und haben einige leichte Entwürfe für so tun unter Verwendung der Prinzipien und der Techniken von Physik, von Materialien und von physikalischer Chemie entwickelt. Der Fokus dieses Artikels ist die Schlüsselbeiträge, die unser Labor zum Bereich der Trinkwassersanierung unter Verwendung der Nanomaterials gemacht hat.

Nanomaterials für Wasserbehandlung

Weltweit ermangeln 1,1 Milliarde Leute Zugriff zu den genügenden Mengen des sicheren Wassers.3 Ausreichendes Zubehör entseuchtes Wasser mit hohem Durchsatz zu niedrigen Kosten ist eine wachsende Herausforderung auf der ganzen Welt. Aktuelle Wasseraufbereitungsmethoden im breiten Gebrauch setzen chemisch steigernde Behandlung ein, die verhältnismäßig teuer ist, schädlich zur Umgebung, und nicht zur nicht-industrialisierten Welt anwendbar ist. Nanomaterial-Basierte Technologien, Adsorbente und Katalysatoren konnten Roman, Umwelt- gutartige Lösungen herstellen für Wasserbehandlung. Es gibt drei Hauptanwendungen, in denen Nanomaterials - Ermittlen und Befund von Schadstoffen, von Behandlung und von Sanierung von Verschmutzern und schließlich, Verhinderung der Verschmutzung viel versprechend sind. Nanomaterials werden auch verwendet, um Membrantrennverfahren zu erhöhen und führen zu größere Selektivität und geringere Kosten. Jedoch benötigen erfolgreiche Anwendungen dieser Technologien hohes Maß Regelung von Nanoparticle (NP)mobilität, Reaktivität und ideal, Besonderheit für den Verschmutzer von Zinsen.

Die unbekannten ökologischen Effekte, die Umweltstabilität, Eigenschaften Verschmutzung, niedrige Nachweisgrenzen, hohe Kosten und Sorgen um ihre Regeneration und Umweltabsetzung begrenzt die Anwendungen des großen Umfangs vieler allgemein verwendeten Nanomaterials für Wasserbehandlung, wie null valent Eisen-, Titandioxid Nano-nanoparticles, Kohlenstoff nanotubes und Zeolith. Fortschritte in der makromolekularen Chemie wie der Synthese von Baumpolymeren haben große Gelegenheiten für das Verbessern und das Entwickeln von effektiven Filtrationsprozessen zur Verfügung gestellt, damit Wasseraufbereitung verschiedene organische aufgelöste Stoffe und anorganische Anionen beseitigt. Baumpolymere, die hyperbranched umfassen und dendrigraft Polymere, dendrons und dendrimers in hohem Grade synthetisch sind, nanoscale verzweigten sich Zellen mit einem hohen Maß Oberflächenfunktionalitäten, monodispersity, esteuerter Zusammensetzung und Architektur, die das interessante physikalisch-chemische Verhalten wegen ihrer Form, Größe und mehrfachen Funktionalitäten anzeigen.4

UmweltAnwendungen von BaumPolymeren

Ein Baumpolymer wird als ein ` weich' Nanoparticle angesehen möglicherweise und besteht drei Hauptbauteilen - einem Kern, Innenzweigzellen und aus einer Terminalzweigzelle. Die Größe eines Baumpolymers wird durch seine ` Generation' (g) oder Zahl von den Zweigen gekennzeichnet, die von der Seele ausströmen (Abbildung 1). Dendrimers haben eine hohe Bewirtungskapazität für giftige Metallionen, Radionuklide, anorganische Anionen, organische aufgelöste Stoffe und polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs).5,6 Außerdem lässt das pH-abhängige amphiphile Eigentum von Baumpolymeren sie verschiedene chemische Spezies in den verschiedenen Umgebungen wie wässrigen und organischen Lösungen und Ölwasser Schnittstellen erfassen und gibt dann diese chemischen Spezies in einer esteuerten Art frei, indem es in situ den pH ändert, ohne zu müssen, auf steigernde und teure Regeneration zurückzugreifen.


Abbildung 1. Mustergültige Zelle von Generation 0 (G0) und Generation 2 (G2) polyamidoamine (PAMAM) dendrimers mit den Amino- und amidoethanol Oberflächengruppen. Bildhöflichkeit des Sigma Aldrich.

Die folgenden eindeutigen physikalisch-chemischen Eigenschaften von dendrimers machen sie besonders attraktiv als Funktionsmaterialien für Wasserbehandlung.

1. Bewirtung von Kapazität und von Recycelbarkeit

Ein hohes Maß Flexibilität in der Synthese von fast monodisperse nanoscale (Größe erstreckt sich zwischen 1-20 nm), dendrimers mit gut definierter molekularer Zusammensetzung, Größe und Form, variables functionalization und hydrophobe Kammern leisten sich sie mit flexiblem aber steifem Baugerüst. Dendrimers haben viel kleinere Grenzviskositäten als lineare Polymere mit der gleichen molaren Masse wegen ihrer kugelförmigen Form.4 Sie haben auch eine viele große Fläche als Massenpartikel des gleichen Mass. So anders als Umkehr-Osmose- (RO) und nanofiltrationsmembranen, deren Operationen die Hochdruck- benötigen, dendrimer-erhöhten Ultrafiltrations (UF)membranen bedienen Sie mit Niederdrücken (kPa 200-700) und kann Tief- und Molekulargewichtverschmutzer, anders als unveränderte UF-Membranen erfassen, die aufgelöstes organische und anorganische Mittel of3 kDa nur löschen können. Außerdem ist es, dass Baumpolymere in das Existieren integriert sein können, Handels-UF-Membrantrennverfahren demonstriert worden.7,8

In einer Machbarkeitsnachweisstudie zeigte unsere Gruppe, dass ein trifunctional G4-tris PAMAM dendrimer die außergewöhnliche und selektive Bewirtungskapazität in Richtung zu den bedeutenden chemischen Spezies der Umweltbedeutung anzeigt, nämlich - 64 kationische kupferne, Ionen (des Cu (II)) pro dendrimer durch komplexe Entstehung der Ligand-zumetallgebührenmitteilung (LMCT) bei pH 10, 32 anionische Nitrat (NO)3-ionen durch elektrostatische Interaktionen pH 2 und 10 an den PAH-Phenanthren (PN)molekülen durch hydrophobe Interaktionen bei pH 7 (Abbildung 2).9 Bemerkenswert als der pH bis 2, gesenkt wurden, PN und Cu (II) wurden vom dendrimer Innenraum freigegeben, während KEINE3- Ionen freigegeben wurden, als der pH auf 10. erhöht wurde.


Abbildung 2. (a) Zelle einer Generation 1 Poly (Amidoamin) - tris (Hydroxymethyl-) amidomethane dendrimer (Tris-dendrimer), der Baustein der Generation 4 Tris-dendrimer verwendet in der vorliegenden Untersuchung. Rot: Sauerstoff; Grün: Sekundäramin; Blau: tertiäres Amin. (b) Entwurf der dendrimer absorbierenden chemischen Spezies an unterschiedlicher Ph.9

Darüber hinaus haben wir effizienten Ausbau der aufgelösten Huminsäure unter Verwendung (HA) PAMAM-dendrimers demonstriert.10 HA ist ein extrem komplexes Molekül, das aus einigen anionischen chemischen Gruppen besteht. Das hohe Maß von Oberflächenfunktionalitäten auf PAMAM-dendrimers ließ sie sich als „nanosponge“ benehmen, wenn es solche komplexen molekularen Spezies adsorbierte. Zentrale zu dieser Methode war komplexe Entstehung, resultierend aus elektrostatischen Interaktionen zwischen den kationischen dendrimers und dem anionischen HA an neutraler Ph. Das demonstrierte Doppelte PAMAM dendrimers die Kapazität von allgemein verwendeten polymerischen Adsorbenten für HA, einmal Ladungsneutralisation wurde erreicht. Jedoch wieder-stabilisierte das Belasten von zusätzlichen dendrimers und setzte die Gesamtheiten über elektrostatische Abstossung erneut aus.

Wir entwickelten auch einen neuen optischen Entwurf, der auf der Oberflächen- Plasmonresonanz eines Gold-nanowire (Au-NANOWATT) basierte um Cu selektiv zu entdecken (II) in den wässerigen Lösungen, unten zur nm-Reichweite durch PAMAM-dendrimers elektrostatisch stillgestellt auf der Substratfläche Au-NANOWATT.11 Solch Eine Nachweisgrenze ist das bei weitem niedrigstes und unter allgemein verwendeten analytischen Entwürfen für Metallionenbefund am durchführbarsten.

Außerdem kennzeichneten wir dieses Weiche, Umwelt- gutartige Nanomaterials für die Abschwächung von möglicherweise schädlichen entladenen nanoparticles von der wässrigen Umgebung. Hier wurden fullerenols als vorbildlicher Nanomaterial verwendet, und ihre Interaktionen mit dendrimers von zwei verschiedenen Generationen, von G1 und von G4 wurden unter Verwendung der Spektralphotometrie und der thermodynamischen Methoden studiert. Speziell fanden wir, dass jedes fullerenol, das mit zwei primären Aminen pro dendrimer gesprungen wurden (G1 und G4) durch Ionenmasseverbindung und die Entstehung von den großen Gesamtheiten wegen Intercluster Interaktionen, die durch Wasserstoffmasseverbindung ermöglicht wurden und der hydrophoben Interaktionen offensichtlich waren (Abbildung 3). Anscheinend kann solche Intercluster Entstehung gesteuert werden, indem man das molare Verhältnis von dendrimer auf fullerenol einstellt. Darüber hinaus war die Entstehung von dendrimer-fullerenol Einheiten an der maximalen Belastbarkeit und thermodynamisch spontan Energie- vorteilhaft.12 Solche Intercluster Interaktionen zwischen dendrimer-fullerenol Komplexen werden für wünschenswert für die Abschwächung der unbeabsichtigten Auslösung von Nanomaterials in der Umgebung gehalten; jedoch sollten sie für die Medikamentenverabreichung von Fullerenederivaten durch ein dendrimer - im Licht ihrer Diffusion im Blutstrom und etwaigen im Zellausziehenden wetterschacht herabgesetzt werden. Basiert auf dieser Studie, empfehlen wir ein G4-/fullerenolladenverhältnis von 0.005-0.02 für Medikamentenverabreichung (die Reichweite unter Niederschlag) und ein G4-/fullerenolladenverhältnis von über 0,02 für Umweltsanierung. Außerdem für nanomedicinal und Umweltanwendungen, wird der Bereich dieser Studie auf den von verzweigten/hyperbranched Polymeren und von nanoparticles der gegenüberliegenden Ladung ausgedehnt möglicherweise.


Abbildung 3. Abbildung des Selbstbaus eines G4-PAMAM dendrimer (rot) und der fullerenols (Silber). Die primären Amine des dendrimer werden in blue.12 angezeigt

Zusammen Genommen, zeigten diese Studien in der Laborphase oben, dass PAMAM-dendrimers einen thermodynamischer spontanen Aufnahmeprozeß für verschiedene chemische Spezies und Umweltschadstoffe als andere herkömmliche Wasseraufbereitungsprozeduren wie RO aktivieren, die Energie benötigen, den Prozess zur Fertigstellung zu treiben. Solche Eigenschaften von PAMAM-dendrimers sollten zukünftigen Generationen von Wasserbehandlungseinheiten appellieren.

2. Biocompatibility

Dendrimer-Bedingte Giftigkeit ist nur für G7 und größer und sogar dann, nur minimal beobachtet worden.13 Einige Untersuchungen über den Gebrauch der dendrimers für DNS-Transfection, Metallionenkontrast-Agenstransportunternehmer für MRI, visierten Droge und therapeutische AgensTrägerwaffen an, und Virenhibitoren schlugen dass hyperbranched Polymere und PAMAM-dendrimers von G5 vor und sind unten ungiftig und biologisch abbaubar.14,15 Außerdem gehen dendrimers nicht hinter irgendwelche möglicherweise schädlichen Nebenerscheinungen.

3. Degradability

PAMAM-dendrimers zeigen messbaren Abbau nur im dritten Jahr der Speicherung an 5°C und eine Haltbarkeitsdauer von ~6-9 Monaten bei Raumtemperatur, basiert auf RetroMichael-Reaktion. Solch Eine lange Lebenszeit stellt die Stabilität und die Wirksamkeit von Baumpolymeren für die Praxis der Wasserbehandlung sicher. Außerdem kann Einführung von Enzym-abbaubaren Anleihen (z.B., Amide in PAMAM) verwendet werden so, dass intrazelluläre oder extrazellulare hydrolytische Enzyme die Polymerketten innerhalb ein brechen können. Dieses Eigentum konnte nach unbeabsichtigtem ausziehendem Wetterschacht von Baumpolymeren während des Wasserverbrauchs relevant werden. Eine dritte Vorrichtung für dendrimer Abbau ist durch die Wasserhydrolyse, die nach Esterbindungen in den Polymeren handelt. Solche Vorrichtungen werden verwendet möglicherweise, um Baumpolymere selektiv aufzugliedern bekannt geben ihre Verwendung in der Wasserbehandlung.

So machen die hohen und vielseitigen Bewirtungskapazitäten, die Energieeffizienz, das regenerability, die Selektivität, das biocompatibility und Umwelt- die gutartige Natur Baumpolymere einen wünschenswerten Nanomaterial für Umweltanwendungen. Es ist deshalb unsere Bemühung, das physikalisch-chemische Verhalten von Baumpolymeren für Umweltsanierung auszunutzen.

Zukünftige Richtungen

Wir entwickeln Strategien für die Ausdehnung des Geltungsbereichs der Baumpolymere für Umweltsanierung. Eine unserer neuen Studien erforschte die Fähigkeit dieser Baumpolymere, verschüttetes Schmieröl, eine16 enorme Umweltgefahr zu zerstreuen, die mit der Offshoreoperation der Mineralölindustrie verbunden ist. Energie- stellt der hydrophobe Innenraum dieser Polymere am umgebenden Wasser pH für reichlich Platz für hydrophobe Schmierölmoleküle zur Partition herein zur Verfügung.

Während über 70% der Erdoberfläche durch Wasser abgedeckt wird, nur ungefähr 3% von ihm für menschlichen Verbrauch erhältlich ist. Sogar falscher, in Entwicklungsländern, sind 80% von Krankheiten das in Verbindung gestandene Wasser. Zusätzlich zur Lieferung von technischen Lösungen zur erstaunlichen Herausforderung der Lieferung des sauberen Trinkwassers, muss regelnde und allgemeine Abnahme zur Anwendung der Nanotechnologie für Trinkwasserbehandlung festgelegt werden. Darüber hinaus sind Ökobilanzen der Gefahren und des Nutzens dieser Nanomaterials entscheidend notwendig.


Bezüge

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Date Added: Sep 20, 2012 | Updated: Sep 21, 2012

Last Update: 21. September 2012 05:19

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