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Effets Sur L'environnement de Nanotechnologie


Par M. Priyanka Battacharya

M. Priyanka Battachara, Nano-Biophysique et Laboratoire de Substance, Département de Physique et Astronomie Doux, Université de Clemson.
Auteur Correspondant : pbhatta@g.clemson.edu

Table des matières

Introduction
Nanomaterials pour le Traitement des Eaux
Applications Environnementales des Polymères Dendritiques
Orientations Futures
Références

Introduction

Les Progrès récents en science des matériaux et nanotechnologie ont provoqué une myriade de développements, qui ont pour mener aux appels pour la recherche dans les incidences des nanomaterials sur l'environnement et la santé des personnes. Au cours de la dernière décennie, là avait élevé la préoccupation au-dessus des incidences potentiellement défavorables environnementales et de santé des nanomaterials.1 En même temps, la nanotechnologie a fourni les solutions environnementales améliorées, particulièrement dans le domaine de la qualité de l'eau.2 Les problèmes Écologiques sont une mosaïque compliquée des phénomènes multiples qui exigent l'analyse et les solutions multidimensionnelles. Nous pendant que les physiciens essayent de comprendre les interactions matérielles principales entre les nanomaterials et l'écosystème, et avons développé plusieurs plans faciles pour faire ainsi utilisant les principes et les techniques de la physique, des matériaux, et de la physico-chimie. Le centre de cet article est les cotisations principales que notre laboratoire a apportées à la zone de la remédiation d'eau potable utilisant des nanomaterials.

Nanomaterials pour le Traitement des Eaux

Mondiales, 1,1 milliards de personnes manquent de l'accès aux quantités suffisantes de l'eau sûre.3 Les alimentations Adéquates en eau décontaminée avec le débit élevé à un coût bas sont un défi croissant autour du monde. Les méthodes Actuelles de purification d'eau dans l'utilisation large utilisent chimiquement les soins intensifs qui sont relativement chers, nuisibles à l'environnement, et ne sont pas capables de s'adapter au monde non-industrialisé. les technologies Nanomaterial-Basées, les adsorbants et les catalyseurs ont pu produire le roman, ambiant solutions bénignes pour le traitement des eaux. Il y a trois applications principales où les nanomaterials se montrent prometteur - se sentir et dépistage des polluants, de la demande de règlement et de la remédiation des contaminants, et en conclusion, prévention de la pollution. Des Nanomaterials également sont employés pour augmenter des procédés de séparation de membrane, menant à une sélectivité plus grande et à des coûts inférieurs. Cependant, les applications réussies de ces technologies exigent le niveau élevé de contrôle de mobilité (NP) de nanoparticle, réactivité, et idéalement, spécificité pour le contaminant d'intérêt.

Les effets écologiques inconnus, la stabilité environnementale, encrassant des propriétés, des limites de détection faibles, des coûts élevés, et des préoccupations au-dessus de leur régénération et dépôt environnemental limite les applications de large échelle de beaucoup de nanomaterials utilisés généralement pour le traitement des eaux, tel que le fer, les nanoparticles de dioxyde de titane, les nanotubes de carbone et les zéolites nullivalants nanos. Les Avances en chimie macromoléculaire telle que la synthèse des polymères dendritiques ont présenté des grandes opportunités d'améliorer et de développer des procédés de filtration pertinents pour que la purification d'eau élimine différents corps dissous organiques et anions minéraux. Les polymères Dendritiques qui comprennent hyperbranched et des polymères, des dendrons et des dendrimers de dendrigraft sont hautement synthétique, nanoscale étaient branchés des structures avec un niveau élevé de fonctionnalités extérieures, de monodispersity, de composition réglée, et d'architecture qui affichent le comportement physico-chimique intéressant dû à leur forme, taille et fonctionnalités multiples.4

Applications Environnementales des Polymères Dendritiques

Un polymère dendritique peut être considéré nanoparticle comme ` doucement', se composant de trois composantes principales - un noyau, de cellules intérieures de branchement, et d'une cellule de branchement terminal. La taille d'un polymère dendritique est caractérisée par son rétablissement' (G) de `, ou numéro des branchements émanant du noyau central (le Schéma 1). Dendrimers ont un haut accueillir la capacité pour les ions toxiques en métal, les radionucléides, les anions minéraux, les corps dissous organiques et les hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAHs).5,6 D'ailleurs, la propriété amphiphilic dépendant du pH des polymères dendritiques leur permet de capturer la substance chimique variée dans de divers environnements tels que les solutions et les surfaces adjacentes aqueuses et organiques de la pétrole-eau, et puis relâche ces substances chimiques d'une façon réglée en changeant le pH in situ sans devoir recourir à la régénération intensive et chère.


Le Schéma 1. structure Exemplaire des dendrimers du polyamidoamine du rétablissement 0 (G0) et du rétablissement 2 (G2) (PAMAM) avec les groupes extérieurs aminés et d'amidoethanol. Accueil d'Image de Sigma Aldrich.

Les seules propriétés physico-chimiques suivantes des dendrimers les rendent particulièrement attrayants en tant que matériaux fonctionnels pour le traitement des eaux.

1. Accueil de la capacité et du recyclage

Un niveau élevé de souplesse dans la synthèse presque des dendrimers de nanoscale de monodisperse (la taille s'échelonne entre 1-20 nanomètre) avec la composition moléculaire bien définie, la taille et la forme, le functionalization variable, et les cavités hydrophobes les ont les moyens avec l'échafaudage flexible mais rigide. Dendrimers ont des viscosité intrinsèques beaucoup plus petites que les polymères linéaires avec la même masse molaire à cause de leur forme globulaire.4 Ils ont également beaucoup de grande surface que les particules en vrac de même Massachusetts. Ainsi, à la différence des membranes d'osmose (RO) inverse et de nanofiltration dont les fonctionnements exigent les membranes à haute pression et dendrimer-améliorées (UF) d'ultra-filtration fonctionnez à de plus basses pressions (kPa 200-700) et pouvez capturer des contaminants du bas et de poids, à la différence des membranes non modifiées d'UF qui peuvent seulement retirer le kDa dissous des composés organiques et minéraux of3. D'ailleurs, on l'a expliqué que des polymères dendritiques peuvent être intégrés dans exister, des procédés commerciaux de séparation de membrane d'UF.7,8

Dans une étude d'épreuve-de-concept, notre groupe a affiché qu'un dendrimer du trifunctional G4-tris PAMAM affiche la capacité de accueil exceptionnelle et sélectrice vers la substance chimique importante de l'importance environnementale, à savoir - 64 de cuivre cationiques des ions (de Cu (II)) selon le dendrimer par la formation complexe de transfert des charges de ligand-à-métal (LMCT) à pH 10, 32 ions anioniques (NO)3- de nitrate par des interactions électrostatiques aux molécules de phénanthrène de PAH de pH 2, et (PN) 10 par des interactions hydrophobes à pH 7 (le Schéma 2).9 Remarquablement, quand le pH ont été abaissés à 2, NA et Cu (II) ont été relâchés de l'intérieur de dendrimer tandis qu'AUCUN3- ion n'était relâché quand le pH a été augmenté à 10.


Le Schéma 2. (a) Structure d'un rétablissement 1 poly (amidoamine) - dendrimer (hydroxyméthylique) d'amidomethane de tris (Tris-dendrimer), le synthon du rétablissement 4 Tris-dendrimer utilisé dans la présente étude. Rouge : l'oxygène ; Vert : amine secondaire ; Bleu : amine tertiaire. (b) Plan de la substance chimique absorbante de dendrimer au PH différent.9

De plus, nous avons expliqué le démontage efficace de l'acide humique dissous (HA) utilisant des dendrimers de PAMAM.10 L'HA est une molécule extrêmement complexe se composant de plusieurs groupes chimiques anioniques. Le niveau élevé de fonctionnalités extérieures sur des dendrimers de PAMAM leur a permis de se comporter comme « nanosponge » pour adsorber une telle substance moléculaire complexe. Le Central à cette méthode était formation complexe résultant des interactions électrostatiques entre les dendrimers cationiques et l'HA anionique au PH neutre. Le double expliqué par dendrimers de PAMAM la capacité d'adsorbants polymères utilisés généralement pour HA, par le passé neutralisation de charge a été atteint. Cependant, le chargement des dendrimers supplémentaires re-a stabilisé et a resuspendu les agrégats par l'intermédiaire de la répulsion électrostatique.

Nous avons également développé un plan optique nouveau basé sur la résonance extérieure de plasmon d'un nanowire d'or (Au-NANOWATT) pour trouver sélecteur le Cu (II) dans les solutions aqueuses, vers le bas au domaine de nanomètre par des dendrimers de PAMAM électrostatiquement immobilisé sur le substrat Au-NANOWATT.11 Une Telle limite de détection est de loin la plus faible et la plus faisable parmi des plans analytiques utilisés généralement pour le dépistage d'ion en métal.

En Outre, nous avons caractérisé ces le doux, ambiant nanomaterials bénins pour atténuer les nanoparticles déchargés potentiellement nuisibles du milieu aqueux. Ici des fullerenols ont été utilisés comme nanomaterial modèle, et leurs interactions avec des dendrimers de deux rétablissements, G1 et G4 différents ont été étudiées suivre la spectrophotométrie et les méthodes thermo-dynamiques. Particulièrement, nous avons constaté que chaque fullerenol lié avec deux amines primaires selon le dendrimer (G1 et G4) par la métallisation ionique, et la formation de grands agrégats dus aux interactions d'inter-batterie facilitées par la métallisation d'hydrogène et aux interactions hydrophobes étaient évidents (le Schéma 3). Apparemment, une telle formation d'inter-batterie peut être réglée en réglant le taux molaire du dendrimer sur le fullerenol. De plus, la formation des assemblages de dendrimer-fullerenol à la capacité de charge maximum était énergétiquement favorable et thermodynamiquement spontané.12 De Telles interactions d'inter-batterie entre les composés de dendrimer-fullerenol sont considérées désirables pour atténuer le déchargement accidentel des nanomaterials dans l'environnement ; cependant elles devraient être réduites à un minimum pour l'accouchement de médicament des dérivés de fullerene par un dendrimer - à la lumière de leur diffusion dans la circulation sanguine et la prise éventuelle de cellules. Basé sur cette étude, nous recommandons un taux de charge de G4/fullerenol de 0.005-0.02 pour l'accouchement de médicament (le domaine ci-dessous la précipitation), et un taux de charge de G4/fullerenol de au-dessus de 0,02 pour la réhabilitation de l'environnement. En Outre, pour le nanomedicinal et les applications environnementales, l'étendue de cette étude peut être étendue à cela des polymères et de nanoparticles branchés/hyperbranched de charge opposée.


Le Schéma 3. Illustration de l'en kit d'un dendrimer de G4-PAMAM (rouge) et des fullerenols (argent). Les amines primaires du dendrimer sont indiquées dans blue.12

Prises ensemble, ces études de laboratoire ci-dessus ont expliqué que les dendrimers de PAMAM activent plus thermodynamiquement un procédé spontané d'adsorption pour différente substance chimique et polluants environnementaux que d'autres procédures conventionnelles de purification d'eau telles que le RO, qui exigent de l'énergie de piloter le procédé à l'achèvement. De Telles propriétés des dendrimers de PAMAM devraient faire appel aux générations futures de dispositifs de traitement des eaux.

2. Biocompatibility

on a observé la toxicité Liée Dendrimer seulement pour G7 et plus grand et même alors, seulement d'une façon minimum.13 Plusieurs études sur l'utilisation des dendrimers pour la transfection d'ADN, porteurs d'agent de contraste d'ion en métal pour l'IRM, ont visé le médicament et les véhicules d'accouchement thérapeutiques d'agent, et les inhibiteurs viraux ont suggéré que les polymères hyperbranched et les dendrimers de PAMAM de G5 et sont ci-dessous non-toxiques et biodégradables.14,15 D'ailleurs, les dendrimers ne laissent aucun sous-produit potentiellement nuisible.

3. Degradability

Les dendrimers de PAMAM affichent la dégradation mesurable seulement par la troisième année de la mémoire à 5°C, et une durée de conservation de ~6-9 mois à la température ambiante, basée sur la réaction de rétro-Michael. Une si longue vie assure la stabilité et l'efficacité des polymères dendritiques pour la pratique du traitement des eaux. En Outre, l'ajout des obligations enzyme-dégradables (par exemple, amides dans PAMAM) peut être utilisé tels que les enzymes hydrolytiques intracellulaires ou extracellulaires peuvent briser les réseaux de polymère à moins d'un. Cette propriété a pu devenir appropriée sur la prise accidentelle des polymères dendritiques pendant la consommation d'eau. Un troisième mécanisme pour la dégradation de dendrimer est par l'hydrolyse de l'eau agissant sur des liaisons d'ester dans les polymères. De Tels mécanismes peuvent être employés pour décomposer sélecteur les polymères dendritiques inscrivent leur usage dans le traitement des eaux.

Ainsi, le haut et les capacités de accueil versatiles, le rendement énergétique, le regenerability, la sélectivité, le biocompatibility, et ambiant la nature bénigne effectuent aux polymères dendritiques un nanomaterial désirable pour des applications environnementales. Il est pour cette raison notre effort pour exploiter le comportement physico-chimique des polymères dendritiques pour la réhabilitation de l'environnement.

Orientations Futures

Nous développons des stratégies pour étendre l'étendue des polymères dendritiques pour la réhabilitation de l'environnement. Une de nos études récentes a exploré la capacité de ces polymères dendritiques de disperser le pétrole renversé,16 un danger pour l'environnement énorme associé avec le fonctionnement extraterritorial de l'industrie pétrolière. Énergétiquement, l'intérieur hydrophobe de ces polymères à l'eau ambiante pH prévoient l'espace suffisant pour que les molécules hydrophobes de pétrole partitionnent dedans.

Tandis Que plus de 70% de la surface terrestre est couvert par l'eau, seulement environ 3% de lui est disponible pour la consommation humaine. Encore plus mauvais, dans les pays en développement, 80% de maladies sont l'eau associée. En plus de fournir les solutions techniques au défi staggering de fournir l'eau potable propre, l'acceptation de réglementation et publique à utiliser la nanotechnologie pour le traitement d'eau potable doit être déterminée. De plus, les estimations de durée de vie utile des risques et des avantages de ces nanomaterials sont crucialement nécessaires.


Références

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

Last Update: 21. September 2012 05:18

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