Применение наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах

• Автор: Зотов, Павел Сергеевич
• Шифр специальности: 03.02.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 138 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
1.1. Основные источники загрязнения окружающей среды
1.2. Методы очистки водной среды
1.3. Постановка задач исследования
Глава 2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
2.1. Наносистемы для защиты окружающей среды
2.2. Преимущества и недостатки применения наноматериалов
при защите окружающей среды
2.3. Методы очистки водной среды с помощью наноструктурных материалов
Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНОГО НУЛЬ-ВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНОЙ СРЕДЫ
3.1. Физико-химические основы применения ННВЖ для
очистки водной среды
3.2.Технологии синтеза наночастиц ННВЖ
3.3. Методы оценки и изменения параметров ННВЖ
3.4. Методология очистки грунтовых вод с помощью ННВЖ
3.5. Применение ННВЖ для очистки грунтовых вод
от соединений мышьяка
3.6. Применение ННВЖ для очистки радиоактивных
жидких отходов от соединений урана
Глава 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЧИСТКИ ГРУНТОВЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ НАНОЧАСТИЦ НУЛЬ-ВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА
4.1. Обзор методов компьютерного моделирования
поведения наночастиц
4.2. Методика расчетного моделирования процесса очистки грунтовых вод
4.3. Программное обеспечение для моделирования гидравлических
и геохимических процессов в подземных потоках
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
На протяжении всего периода развития человечества происходило постоянное воздействие на природу, мощность которого определялась состоянием производственных сил и уровнем развития технологий. Использование природных ресурсов для удовлетворения человеческих потребностей началось еще в средние века, усилилось в период создания первых машинных технологий и возросло до максимума в период НТР. Уже на протяжении более чем 50 лет антропогенное воздействие человечества на биосферу приводит к самым губительным последствиям за всю историю, к нарушению экологического равновесия в природе.
Урбанизация и сопутствующие ей факторы (такие как неудержимое развитие потребительского общества, непрофессионализм и просчеты при реализации технологий, легкомысленное отношение к экологии, колоссальное использование природных ресурсов при малом проценте восстановления) приводят к истощению природных ресурсов, а также к грандиозным по своим масштабам техногенным катастрофам, так или иначе затронувшим население всей планеты. Последние события, произошедшие на АЭС «Фукусима 1», а также события 25-летней давности, произошедшие на ЧАЭС, показали важность формирования новой концепции взаимоотношений человека и биосферы. При этом одной из основных экологических проблем является переизбыток отходов как бытового, так и промышленного происхождения, главным источником которых можно назвать ТЭК.
Любая отрасль энергетики использует огромное количество природных ресурсов для обеспечения своей работоспособности, что приводит к образованию органических и неорганических отходов. Часть отходов выводится в атмосферу, часть сбрасывается в гидросферу, но в любом случае они наносят непоправимый ущерб окружающей среде.
Для очистки атмосферных загрязнений используют:
— рассеивание вредных выбросов на высоту;

— механические методы очистки (пылеуловители, скрубберы, фильтры);
— физические методы очистки (электроосаждение и акустическая коагуляция);
— адсорбцию, каталитические методы.
Для очистки гидросферы от вредных соединений используют:
— механические методы (уловители, центрифуги, решетки и септики);
— физико-химические методы (коагуляция, флотация, ионный обмен, экстракция);
— химические методы (нейтрализация, окисление, восстановление);
— биологические методы очистки.
Для очистки литосферы используют:
— переработку промышленных отходов;
— захоронение промышленных отходов.
Указанные методы показали свою эффективность, но на сегодняшний день они не справляются с все возрастающим объемом промышленных отходов. Проблемой являются также значительная стоимость и трудоемкость некоторых процессов (например, трудоемкость процесса очистки грунтовых вод путем непосредственного выкачивания загрязненного объема почвы). Именно поэтому возникает необходимость применения в этой области достижений нанотехнологии. Уникальные свойства наноматериалов, такие как большая поверхностная плотность, высокая адсорбционная емкость и реактивность были отмечены еще в ходе первых исследований и оказались подходящими для решения экологических проблем. В последнее время были разработаны различные типы наноматериалов, которые показали свою эффективность при нейтрализации различных типов загрязнений: наноразмер-ное нуль-валентное железо, цеолиты, наномембраны и др. Кроме непосредственной нейтрализации загрязнителей, напоматериалы применяют также для создания чувствительных датчиков наличия загрязнений в атмосфере и гидросфере. Однако внедрение указанных материалов в промышленное произ-

Цеолиты представляют собой уже хорошо отработанную технологию, успешно применяющуюся во многих отраслях промышленности. Области применения цеолитов в промышленности включают в себя процессы катализа в нефтяной промышленности, применение в агрокультуре, в процессе разделения газа, очистки питьевой воды, а также при переработке ядерных отходов. Всего существует более 50 природных, а также 150 синтезированных типов цеолитов. При этом активно продолжаются исследования по открытию новых типов цеолитов.
Сами по себе цеолиты являются кристаллическими алюмосиликатами, похожими по составу на глины, но отличающиеся от них упорядоченной трехмерной микропористой структурой. Атомы алюминия, кислорода и кремния вводятся в обычную структуру [8Ю4]’ и [АЮ4]' тетраэдрическими единицами, которые формируют кристаллическую решетку с небольшими по размеру порами (называемыми также каналами, туннелями или ямами) диаметром 0,1-2 нм, проходящими сквозь материал. На рис. 2.1 показано изображение типичной кристаллической решетки цеолита. Но следует отметить, что изображенная решетка представляет собой лишь один из множества вариантов используемых кристаллических решеток. Источником активности цеолитов является разнообразие форм и большая поверхность пористых структур.
Рис. 2.1. Типичная кристаллическая решетка цеолита