Применение наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат технических наук Зотов, Павел Сергеевич

• Зотов, Павел Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зотов, Павел Сергеевич

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах»

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, наноматериалы применяют также для создания чувствительных датчиков наличия загрязнений в атмосфере и гидросфере. Однако внедрение указанных материалов в промышленное производство проходит не такими быстрыми темпами, как этого хотелось бы экологам.

Основной причиной этого является недостаточная изученность таких параметров наноматериалов, как проникающая (диффузионная) способность, поведение в очищаемых средах (время жизни и реактивность), а также пути химических реакций при воздействии тех или иных условий окружающей среды. Изучение затрудняется невозможностью получения эмпирических данных традиционными методами в силу сверхмалых размеров частиц и отсутствия подходящего оборудования.

Целыо диссертационной работы является исследование способов очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах, с помощью использования наноразмерного нуль-валентного железа.

Актуальность поставленной цели обусловлена тем, что существующие в настоящий момент технологии по очистке водной среды не обеспечивают решение этой проблемы, вызванной возрастающими объемами загрязнений, в связи с бурным развитием энергетики за последние годы. Водная среда является одним из критически важных компонентов биосферы, обуславливающих само существование жизненных форм на планете. Загрязнение водной среды относится к наиболее трудным для очистки видам загрязнений по следующим причинам: труднодоступность отдельных элементов гидросферы (например, грунтовых вод в почвенном слое) для очистки традиционными методами; большие финансовые и энергозатраты; неспособность стандартных систем очистки справиться с постоянно усложняющимся химическим составом новых загрязнителей.

Применение наноструктурных материалов в качестве реагентов для очистки, а также в качестве основы для построения комплексных очистных систем позволяет эффективно решить часть из отмеченных задач.

Применение вычислительных средств для прогнозирования адсорбции загрязнителей водной среды наноструктурными материалами, в частности, наноразмерным нуль-валентным железом позволяет значительно сократить затраты на проведение полевых экспериментов, а также снизить риски от предполагаемого негативного воздействия напоматериалов на окружающую среду.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу воздействия энергетических объектов на экологическое состояние окружающей среды. Рассмотрены основные отрасли энергетики, их вредное воздействие на окружающую среду, особое внимание уделено проблемам атомной энергетики как одной из наиболее динамично развивающихся и, в свете последних событий в Японии, наиболее проблемных отраслей. Также рассмотрены основные методы очистки окружающей среды, их основные достоинства и недостатки. В рамках проведенного анализа показана неспособность существующих методов очистки справляться с все возрастающими объемами загрязнителей и с усложняющимся их составом и обоснована необходимость применения на-ноструктурных материалов для очистки окружающей среды.

Во второй главе диссертационной работы приведен анализ существующих на сегодня наноструктурных материалов, уже применяемых для очистки окружающей среды, либо находящихся в стадии лабораторных исследований. Изложены основные преимущества и недостатки применения нанома-териалов для защиты окружающей среды.

В третьей главе работы рассмотрены преимущества и недостатки наиболее популярного на сегодняшний день наноструктурного материала - на-норазмерного нуль-валентного железа (ННВЖ), обладающего высокими адсорбционной и реакционной способностями. Приведены методики синтеза наноразмерного нуль-валентного железа, а также технологии, позволяющие оценивать и определять основные химические и физические параметры данного материала. Проведен анализ возможности применения наноразмерного нуль-валентного железа для очистки окружающей среды, в частности, грунтовых вод от загрязняющих веществ. Рассмотрены экспериментальные данные и показана необходимость моделирования поведения наноструктурных материалов с помощью средств вычислительной техники.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена компьютерному моделированию процесса очистки грунтовых вод с помощью наноструктурных материалов. Разработана методика расчетного моделирования процесса очистки грунтовых вод от соединений урана с помощью наноразмерного нуль-валентного железа. Рассмотрены возможности программного комплекса РНА8Т для расчета процессов очистки по предлагаемой методике моделирования.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору технических наук Ибрагимову Ильдару Маратовичу за неоценимую помощь при написании данной диссертационной работы.

Заключение диссертации по теме «Экология (по отраслям)», Зотов, Павел Сергеевич

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ наиболее опасных факторов воздействия энергетики на экологическое состояние окружающей среды. Рассмотрены основные способы очистки окружающей среды, показаны их достоинства и недостатки. В результате проведенного анализа выявлено, что существующие технологии очистки не всегда справляются со все возрастающим объемом загрязнений и поэтому необходима разработка новой концепции и технологий, использующих инновационные достижения науки.

2. В качестве новой концепции систем очистки окружающей среды предложено использовать наноразмерные материалы. Показана перспективность и большая экономическая эффективность применения способов in situ («на месте») с использованием наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ) по сравнению с применяющимся способом ex situ.

3. Исследованы процессы очистки водной среды от вредных веществ с применением нуль-валентного железа. Предложена физико-химическая модель взаимодействия ННВЖ с различными загрязняющими материалами и показана эффективность такой очистки.

4. Изложены результаты практического применения ННВЖ для очистки водной среды от соединений мышьяка и урана. Для удаления соединений урана из грунтовых вод рекомендовано применение полупроницаемых реакционных барьеров и поглощающих реакционных зон, содержащих ННВЖ.

5. Разработана методика компьютерного моделирования очистки фунтовых вод от соединений диоксида урана UO2 с помощью полупроницаемого реакционного барьера, реагентом в котором является наноразмерное нуль-валентное железо.

6. Рассмотрено программное обеспечение для расчета процессов переноса и очистки загрязняющих веществ в водной среде на основе разработанной методики моделирования. Для трехмерного моделирования рекомендуется применять программный комплекс PHAST, который включает в себя программу PHREEQC, моделирующую химические реакции, и программу расчета и переноса потоков грунтовых вод и загрязнений IIST3D.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зотов, Павел Сергеевич, 2012 год

1. Аникеев В. А., Воронов В. Н., Седлов А. С. Экологическая безопасность топливно-энергетического комплекса России // Новое в российской электроэнергетике. 2005. № 12.20.

2. Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области нано-частиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 344 с.

3. Беликов А., Палицкая Т., Лепихин К. Атомная энергетика: безопасность как приоритет // Росэнергоатом. 2007. № 3. С. 3-7.

4. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. 496 с.

5. Данилов-Данильян В. И., Залиханов М. Ч., Лосев К. С. Экологическая безопасность. Общие принципы и российский аспект. М.: Издательство МНЭПУ, 2001.329 с.

6. Джирард Дж. Е. Основы химии окружающей среды. М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2008. 640 с.

7. Дривер, Дж. Геохимия природных вод. М.: Мир, 1985. 440 с.

8. Елисеев А. А., Лукашин А. В. Функциональные наноматериалы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 456 с.

9. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Использование наноматериалов для очистки грунтовых вод // Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы международной научно технической конференции. М.: Издательство МГОУ, 2009. С. 461-463.

10. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Перспективы применения наност-руктурных материалов для очистки водной среды от вредного воздействия энергетических объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №5. С. 15-16.

11. Ибрагимов И. М. Зотов П. С. Применение наноструктурных материалов для процессов водоочистки // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. №5. С. 21-22.

12. Ибрагимов И. М., Ковшов А. И., Назаров Ю. Ф. Основы компьютерного моделирования наносистем: Учебное пособие. Спб.: Издательство «Лань», 2009.-384 с.

13. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Методы компьютерного моделирования наноструктур // II Международный форум по нано-технологиям «Роснанотех-2009», Москва, 6-8 октября: сб. тезисов докладов. М, 2009. С. 206-207.

14. Ковшов А. Н., Назаров 10. Ф., Ибрагимов И. М. Основы нанотехнологии в технике. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 240 с.

15. Лосев К. С. Экологические проблемы и перспективы устойчивого развития России в XXI веке. М.: Космосинформ, 2001. 399 с.

16. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 год / Сборник статей под ред. П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2006. 152 с.

17. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения 2008 год / Сборник статей под ред. П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2008. 432 с.

18. Наноструктурные материалы / Под ред. Р. Ханиика, А. Хилл. М.: Техносфера, 2009. 488 с.

19. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций / А. И. Абрамов, Д. П. Елизаров, А. Н. Ремезов и др. М.: Издательство МЭИ, 2001.378 с.

20. Пул-мл. Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2007. 376с.

21. Рамбиди Н.Г., Березкин А. В. Физические и химические основы нанотехнологий. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 456 с.

22. Семёнова И. В. Промышленная экология. М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 528 с.

23. Справочник Шпрингера по нанотехнологиям (в 3-х томах) / Под ред. Б. Бхушана. М.: Техносфера, 2010.

24. Ступин Д. Ю. Загрязнение почв и новейшие технологии их восстановления. СПб.: Издательство «Лань», 2009. - 432 с.

25. Шевердяев О. PI. 1Танотехнологии и наноматериалы. М.: Издательство МГОУ, 2009. 112 с.

26. Энергетика и экология России в XXI веке: Обзор / Институт энергетической стратегии, Фонд «Институт глобальных проблем энергоэффективности и экологии». М.: ГУ ИЭС: ИГПЭиЭ, 2001. 65 с.

27. Abesser С. Development of a geochemical transport model for the Gatehampton abstraction site using PPIAST. Keyworth, Nottingham, British Geological Survey, 2009. 45 P.

28. Appelo C. A. J., Rolle M. PPIT3D: A reactive multicomponent transport model for saturated porous media // Ground Water. 2010. V. 48. P. 627-632.

29. Crawford J. Geochemical Modelling A Review of Current Capabilities and Future Directions // SNV Report 262. Sweidish Environmental Protection Agency. Stockholm, 1999. 39 p.

30. Elliott D.W, Lien H-L., Zhang W-X. Nanoscale zero-valent iron (nZVI) for site remediation // Environmental Applications of Nanomaterials: Synthesis, Sorbents and Sensors / London: Imperial College Press, 2007, Chapter 2, P. 25-48.

31. Fiedor J. N., Bostick W. D., Jarabek R. J., Farrell J. Understanding the Mechanisms of Uranium Removal from Groundwater by Zero-Valent Iron Using X-Ray Photoelectron Spectroscopy // Envir. Sei. Techn. 1998. V. 32. P. 1466 -1473.

32. Filipponi L., Sutherland D. Applications of nanotechnology: Environment NanoCap FP6 Project, 2007. 14 p.

33. Fryxell Glen. E., Cao G., Environmental applications of Nanomateri-als: London: Imperial College Press. 2007. 507 P.

34. Groza N., Radulescu R., Panturu E., Filcenco-Olteanu A., Panturu R. I. Zero-Valent Iron Used for Radioactive Waste Water Treatment. // Chem. Bull. "POLITEHNICA" Univ (Timisoara). 2009. V. 54 (68). P. 21 -25.

35. Gu B., Liang L., Dickey M. J. et al. Reductive Precipitation of Ura-nium(IV) by Zero-Valent Iron // Environ. Sei. Technol. 1998. V. 32. P. 3366-3373.

36. Holch J. Thermodynamic and kinetic degradation reactions of organic substances in groundwater modeled with PHREEQC. Freiburg: Institut fuer Ply-drologie. Albert-Ludwigs Universitaet Freiburg i. Br., June 2008.

37. Johnson R. H. Reactive Transport Modeling for the Proposed Dewey Burdock Uranium In-Situ Recovery Mine, Edgemont, South Dakota, USA // Mine Water Managing the Challenges / Eds. Rüde R. T., Freund A. and Wolkersdorfer C.). Aachen, 2011. P. 221 - 225.

38. Joo S. H., Cheng I. F. Nanotechnology for Environmental Remediation. New York: Springer, 2006. 165 p.

39. Junyapoon S. Use of Zero-valent Iron for Wastewater Treatment // KMITL Sei. Tech. J. 2005. V. 5. N. 3. P. 587 595.

40. Kam B., Kuiken T., Otto M. Nanotechnology and in Situ Remediation: a Review of the Benefits and Potential Risks // Environmental Health Perspectives. 2009. V. 117. N. 12. P. 1832 1831

41. Kessler H., Mathers S., Lelliott M., Hughes A., Macdonald D. Rigorous 3D geological models as the basis for groundwater modelling. In: Three-dimensional geologic mapping for groundwater applications, Workshop extended abstracts, Denver, Colorado, 2007.

42. Komnitsas K., Bartzas G., Paspaliaris I. Inorganic Contaminant Fate Assessment in Zero-Valent Iron Treatment Walls // Environmental Forensics. 2006. V. 7. P. 207-217.

43. Konikow L. F. Use of numerical models to simulate groundwater flow and transport // Modelling. Environmental isotopes in the hydrological cycle: Principles and applications. / Ed. Y.Yurtsever. IAEA, Vienna, 1999. P. 75-116.

44. Konikow L. F. The Secret to Successful Solute-Transport Modeling // Ground Water. 2011. V. 49. N. 2. P. 144 159.

45. Krajangpan S., Chisholm B. J., Kalita H., Bezbaruah A. N., Challenges in Groundwater Remediation with Iron Nanoparticles: Enabling Colloidal Stability // Nanotechnologies for Water Environment Applications. 2009. P. 191 -212.

46. Kumar C. P. Groundwater flow models: an overview // Groundwater Modelling and Management / Eds. N. C. Ghosh & K. D. Sharma. New Delhi: Capital Publishing Company, 2006. P. 153-178.

47. Kwong S., Small J., Tahar B. Modelling the Remediation of Contaminated Groundwater Using Zero-Valent Iron Barrier // WM'07 Conference, February 25-March 1, 2007, Tucson, AZ.

48. Kwong S., Small J., Thompson O. R. Modelling Uranium Waste Residue Release and Transport Within a Near Surface Repository 9137. // WM2009 Conference, March 1-5, 2009, Phoenix, AZ.

49. Lewinski N. Nanotechnology for Waste Minimization and Pollution Prevention. NNEMS Report, Aug. 2008. 57 p.

50. Louris T., Kunz R. G. Nanotechnology: Environmental Implications and Solutions: John Wiley and Sons. Inc. 2005. 378 P.

51. Lowry G. Nanomaterials for Groundwater Remediation // Environmental Nanotechnology: Applications and Impacts of Nanomaterials / Eds. M. R. Wiesner and J.-Y. Bottero. New York: McGraw-Hill, 2007. P. 297-336.

52. Manning B., Raj Kanek S., Charlet L. et al. Removal of Arsenic (III) from Groundwater by Nanoscale Zero-Valent Iron // Environ. Sei. Technol. 2005. V. 39. P. 1291 -1298.

53. Mbudi C., Merkel B. A Laboratory Assessment of Uranium and Arsenic Removal Efficiency from Schneckenstein Uranium Tailing Leachates Using Scrap Iron // Wiss. Mitt. Inst. Geol. TU BAF, 2005.V. 28, P. 43-48.

54. Merkel B. J., Planer-Friedrich B. Groundwater Geochemistry. A practical Guide to Modeling of Natural and Contaminated Aquatic Systems. Berlin: Springer. 2005. 200 P.

55. Mueller N. C., Novack B. Nano zero valent iron The solution for water and soil remediation? Report of the ObservatoryNANO, 2010.

56. Nanotechnology for site remediation fact sheet // US Environmental Protection Agency. EPA 542-F-08-009, October 2008. 17 p.

57. Noubactep C. A critical review on the mechanism of contaminant removal in Fe°-I-I20 systems // Environ. Technol. 2008. V. 29 (8)/ P. 909-920.

58. Nowack B. Pollution Prevention and Treatment Using Nanotechnology // Nanotechnology. Vol. 2: Environmental aspects / Ed. By H. Krug. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, 2008. P. 1-15.

59. Parkhurst D. L., Kipp K. L., Charlton S. R. PHAST Version 2 — A program for simulating groundwater flow, solute transport, and multicomponent geochemical reactions: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-A35, 2010. 235 p.

60. Potential Nano-Enabled Environmental Applications for Radionuclides. US Environmental Protection Agency. EPA 402-R-90-002, 2009. 152 p.

61. Ranjan D., Tripathi A. K. Computational Nanotechnology: An As-sesment // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. V. 4. P. 233 241.

62. Reilly T. E., Harbaugh A. W. Guidelines for Evaluating Ground-Water Flow Models. US Geological Survey Scientific Investigations Report 20045038, 2004. 30 p.

63. Savage N., Diallo M. S. Nanomaterials and water purification: Opportunities and challenges // Journal of Nanoparticles Research. 2005. V. 7. P. 331 -342.

64. Segar D., Basberg L., Saether O. M. An introduction to hydrogeologi-cal and geochemical models and modeling. The Geological Survey of Norway (NGU). Report No 97.117, 1997. 108 p.

65. Tansel B. New technologies for water and wastewater treatment: A survey of recent patents // Recent Patents on Chemical Engineering. 2008. V. 1. P. 17-26.

66. Tratnyek P. G., Johnson R. L. Nanotechnologies for environmental cleanup //Nanotoday. 2006. V. 1. N. 2. P. 44-48.

67. Wei-xian Z. Nanoscale iron particles for environmental remediation: An overview // Journal ofNanoparticle Research. 2003. V. 5. P. 323 332

68. Wiesner M. R., Bottero J.-Y. Nanotechnology and the Environment Remediation // Environmental Nanotechnology: Applications and Impacts of Nanomaterials / Eds. M. R. Wiesner and J.-Y. Bottero. New York: McGraw-Hill, 2007. P. 3-14.

69. Zhang W. Nanoscale Iron Particles for Environmental Remediation: An Overview // Journal of Nanoparticle Research. 2003. N.5. P.323-332.