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纳米技术的环境效果


Priyanka Battacharya 博士

Priyanka Battachara、纳诺生物物理学和软的问题实验室、物理系和天文,克莱姆森大学博士。
对应的作者: pbhatta@g.clemson.edu

目录

简介
水处理的 Nanomaterials
树状聚合物的环境应用
前途
参考

简介

在材料学和纳米技术上的最近进步提升了无数发展,有导致呼叫请求研究到 nanomaterials 的影响对环境和人类健康。 在过去十年中,那里生长对 nanomaterials 的可能地相反环境和健康影响的关心。1 同时,纳米技术提供了改进的环境解决方法,特别是在水质领域。2 环境问题是要求多维分析和解决方法多个现象的复杂马赛克。 我们,当物理学家设法了解 nanomaterials 和生态系之间的根本实际交往使用物理、材料和物理化学,原则和技术,和开发了如此执行的几个轻便模式。 此条款焦点是使用 nanomaterials,我们的实验室做了对饮用水补救的域的关键摊缴。

水处理的 Nanomaterials

全世界, 11亿人缺乏对足够的相当数量的存取安全的水。3 与高处理量的净化的水足够的用品在低成本是一个生长挑战环球。 在宽使用的当前水净化方法使用化工对这个环境是相对地消耗大,有害的,并且不是能适应的对这个非工业化的世界的密集处理。 基于 Nanomaterial 的技术、吸附和催化剂能创建小说,环境水处理的良性解决方法。 有 nanomaterials 显露才华 - 污染物、污染物处理和补救感觉和检测,和终于,污染的预防的三个主要应用。 Nanomaterials 也用于提高膜分离进程,导致更加极大的选择性和低成本。 然而,这些技术的成功的应用为污染物利益要求 (NP)高度纳米颗粒流动性,反应性控制,和理想地说,特异性。

未知的生态作用,环境稳定性,弄脏属性,低检测极限、高费用和关心对他们的重新生成和环境证言限制许多常用的 nanomaterials 的大规模应用水处理的,例如纳诺零的 valent 铁,二氧化钛 nanoparticles、碳 nanotubes 和泡沸石。 在大分子化学的预付款例如树状聚合物综合为改进和开发水净化的有效过滤过程能消灭不同的有机此致和无机阴离子提供了重要机遇。 包括 hyperbranched,并且 dendrigraft 聚合物、 dendrons 和 dendrimers 是高度综合的树状聚合物, nanoscale 分支与显示有趣物理化学的工作情况由于他们的形状、范围和多个功能的高度的结构表面功能、 monodispersity、受控构成和结构。4

树状聚合物的环境应用

一个树状聚合物可能软绵绵地被认为 `’纳米颗粒,包括三个主要成份 - 核心,内部分行细胞和一个最终分行细胞。 一个树状聚合物的范围描绘为其 ` 发出从这个核心 (图 1) 的分行的生成’ (G) 或者编号。 Dendrimers 有含毒物金属离子、放射性核素、无机阴离子、有机此致和多不的芳烃的一个高主持的能力 (PAHs)。5,6 而且,树状聚合物酸碱度从属的两性分子的属性在不同的环境里给他们获取多种化工种类例如含水和有机解决方法和油水界面,通过在原处更改酸碱度以受控方式然后发行这些化工种类,而不必采取密集和消耗大的重新生成。


图 1. 模范结构生成 0 (G0) 和生成 2 (G2) 与氨基和 amidoethanol 表面组的 polyamidoamine (PAMAM) dendrimers。 斯格码 Aldrich 镜象。

dendrimers 下列唯一物理化学的属性使他们特别有吸引力作为水处理的功能材料。

1. 主持能力和再循环能力

高度在接近 monodisperse 与明确定义的分子构成的 nanoscale (范围排列在 1-20 毫微米) 之间 dendrimers 综合的灵活性,范围和形状、可变的 functionalization 和疏水洞买得起他们与灵活,但是严格的脚手架。 由于他们的球状形状, Dendrimers 比与同一个槽牙质量的线性聚合物有更小的固有粘度。4 他们比同一个质量的批量微粒也有大表面。 因此,不同于运算 (RO)要求高压的逆渗透作用和 nanofiltration 膜, dendrimer 改进的超过滤 (UF)膜请运行以低压 (200-700 kPa) 并且能获取低和高分子重污染物,不同于可能只去除被溶化的有机和无机化合物 of3 kDa 的非限定的 UF 膜。 而且,被展示树状聚合物可以是集成到存在,商业 UF 膜分离进程。7,8

在证明概念研究中,我们的组显示 trifunctional G4-tris PAMAM dendrimer 显示往环境相关性的主要化工种类的例外和有选择性的主持的能力,即 - 64 负离子铜 (古芝 (II)) 离子每 dendrimer 通过在酸碱度 10, 32 个负离子硝酸盐离子的配合基对金属电荷转移 (LMCT) 复杂 (NO)3-形成通过在酸碱度 2 和 10 PAH 菲分子的静电 (PN)交往通过在酸碱度 7 (图 2) 的疏水交往。9 卓越地,当酸碱度降低到 2, PN 和古芝 (II) 从 dendrimer 内部被发行了,当3- 未发行时离子,当酸碱度被上升了到 10。


的生成 1 的图 2. (a) 多结构 (酰胺) - tris (羟甲基的) amidomethane dendrimer (Tris-dendrimer),生成 4 用于本研究的 Tris-dendrimer 的构件。 红色: 氧气; 绿色: 附属胺物; 蓝色: 叔胺。 (b) dendrimer 引人入胜的化工种类的模式在另外 PH. 的。9

另外,我们展示了被溶化的胡敏酸高效的删除 (HA)使用 PAMAM dendrimers。10 HA 是包括几个负离子化工组的一个非常复杂分子。 高度在 PAMAM dendrimers 的表面功能给他们正常运行作为一 “nanosponge”在吸附这样复杂分子种类。 对此方法的中央是复杂形成起因于负离子 dendrimers 和负离子 HA 之间的静电交往在中立 PH。 PAMAM dendrimers 被展示的双常用的聚合物吸附能力 HA 的,充电中立化曾经被到达了。 然而,装载另外的 dendrimers 通过静电厌恶再稳定了并且重新悬挂了综合。

我们也开发了在金 nanowire 基础上 (澳大利亚 NW) 的表面胞质基因共鸣的一个新颖的光学模式选择性地检测古芝 (II) 在水溶液,下来对在澳大利亚 NW 基体由 PAMAM dendrimers 的 nM 范围静电地固定的。11 这样检测极限在金属离子检测的常用的分析模式中是显然最低和最可行的。

此外,我们分析了这些软件,环境缓和的潜在有害的被释放的 nanoparticles 良性 nanomaterials 从这个含水环境。 这里 fullerenols 使用了作为一模型 nanomaterial,使用分光光度学和热力学方法,并且他们的与二个不同生成、 G1 和 G4 dendrimers 的交往被学习了。 特别地,我们发现每 fullerenol 一定与每 dendrimer 二主要胺物 (G1 和 G4) 通过离子接合和大综合的形成由于氢接合实现的相互字符串交往和疏水交往是明显的 (图 3)。 表面上,这样相互字符串形成可以通过调整 dendrimer 槽牙比例控制对 fullerenol。 另外, dendrimer-fullerenol 集合最大值负载容量的形成是精力充沛地有利和热力学上自发。12 dendrimer-fullerenol 复杂之间的这样相互字符串交往在这个环境里视为理想为缓和 nanomaterials 事故性泄漏; 然而应该为球碳衍生商品药物发运减到最小他们由 dendrimer - 根据他们的在血液和最后的细胞增加的扩散。 凭此研究,我们推荐 G4/fullerenol 装载比例 0.005-0.02 药物发运的 (在降雨雪下的范围) 和 G4/fullerenol 装载比例在 0.02 上环境治理的。 此外,为 nanomedicinal 和环境应用,此研究的范围可能延伸到那相反的充电分支的/hyperbranched 聚合物和 nanoparticles。


G4-PAMAM dendrimer (红色) 和 fullerenols (银) 的自集合的图 3. 例证。 dendrimer 的主要胺物在 blue.12 指示

采取一起,上面这些实验室规模研究显示出, PAMAM dendrimers 比其他常规水净化程序更加热力学上启用多种化工种类和环境污染物的一个自发吸附进程例如 RO,要求能源驱动这个进程到完成。 PAMAM dendrimers 这样属性应该喜欢水处理设备的下一代。

2. Biocompatibility

Dendrimer 关连的有毒对 G7 甚而然后仅被观察了和更大和,只最低限度地。13 关于使用的几个研究脱氧核糖核酸转染的 dendrimers,金属离子对比 MRI 的作用者承运人,瞄准了药物和治疗作用者运载工具,并且病毒抗化剂建议了 hyperbranched 聚合物和 G5 PAMAM dendrimers 以下是无毒和生物可分解的。14,15 而且, dendrimers 不忘记任何潜在有害的副产品。

3. Degradability

PAMAM dendrimers 在第三学年仅显示可测量的降低存贮在 5°C 和 ~6-9 个月一个储存期限在周围温度,根据减速火箭迈克尔回应。 这样长的寿命保证树状聚合物的稳定性和效果水处理运作的。 此外,可以使用酵素自然分解的债券 (即,在 PAMAM 的氨化物的) 添加这样细胞内或细胞外水解酵素在一个之内可能中断聚合物链子。 此属性能变得相关在树状聚合物偶然增加在用水量时。 dendrimer 降低的第三个结构是由操作在聚合物的酯键的水加水分解。 这样结构可能使用选择性地划分树状聚合物张贴他们的在水处理的用量。

因此,高和多才多艺的主持的能力、节能、 regenerability、选择性、 biocompatibility 和环境良性本质做树状聚合物环境应用的一理想的 nanomaterial。 因此是我们的工作成绩利用树状聚合物物理化学的工作情况环境治理的。

前途

我们开发扩大的树状聚合物的范围方法环境治理的。 我们的一个最近研究测试这些树状聚合物的能力分散溢出的油,16巨大的环境危害与石油工业的近海运算相关。 精力充沛地,这些聚合物疏水内部在四周水酸碱度的提供疏水油分子的充足的空间能分区。

当 70% 地面由水时包括,只有大约 3% 它为人力冲减是可用的。 坏,在发展中国家, 80% 病症是涉及的水。 除提供技术解决方法之外给提供干净的饮用水的犹豫挑战,必须设立管理和公众认可给使用纳米技术饮用水处理的。 另外,对这些 nanomaterials 的风险和福利的寿命周期鉴定是关键地必要的。


参考

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

Last Update: 21. September 2012 05:18

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