Основы появления и развития нанотехнологий и риски, связанные с их использованием

Для ограничения попадания наночастиц вовнутрь организма некоторые исследователи предлагают ограничить или исключить приемы пищи на рабочем месте, но на данный момент отсутствуют соответствующие исследования, позволившие подтвердить обоснованность данных мер [6].

3. Нанотехнологии в природоохранной практике

3.1. Нанотехнологии при очистке сточных вод и в сельском хозяйстве

Нанотехнологии применимы также и в деле охраны окружающей среды. Они позволяют совершенствовать существующие очистительные установки, повышать производительность оборудования, тем самым снижая не только нагрузку на среду, но и уменьшая затраты производителей.

Примером может служить введенная в эксплуатацию на Западно-Сибирском металлургическом комбинате новая установка по очистке сточных вод.

В цехе по производству проволоки и метизов сталепрокатного производства Западно-Сибирского металлургического комбината (предприятие «Евраз Груп») введена в эксплуатацию современная установка по очистке сточных вод, используемых в процессе омеднения проволоки [15].

Ранее сточные воды, получающиеся в процессе омеднения сварочной проволоки, передавались по кислотопроводу на станцию нейтрализации и после их переработки отвозились специальным транспортом на шламохранилище. Теперь, с внедрением новой установки, сточные воды будут полностью очищаться от примесей и использоваться в оборотном цикле сталепрокатного производства комбината [15].

Для комплекса были изготовлены уникальные узлы, которые производят очистку воды от тяжелых металлов и солей способом многоступенчатой обработки с применением фильтров, позволяющих получать технически чистую воду. Шлам гидроксидов меди и железа будет утилизироваться на полигоне твердых отходов, расположенном на территории комбината. Уникальность новой установки в том, что она разработана с применением нанотехнологий, благодаря чему очистка воды будет осуществляться на молекулярном уровне. Среди металлургических предприятий России Западно-Сибирский металлургический комбинат первым использует эту практику [15].

 «Наноочисткой» вод сегодня усиленно занимаются во всей России. Все началось с визита президента РФ Дмитрия Медведева в Казахстан, где проходила совместная выставка ГК «РОСНАНО» и изобретений казахских ученых.

С помощью нанотехнологий «чистят» все и всеми способами. В Кабардино-Балкарии на основе нанотехнологий получают полимерно-глинистые сорбенты, которые служат для очистки и обеззараживания как питьевой воды, так и промышленных и бытовых стоков — последние с помощью сорбентов очищают от нефтепродуктов и органики — фенола, красителей и т.п.[14]

Еще одну технологию очистки воды — на основе проводников с диаметром на уровне молекул воды — разработали в Пятигорском государственном технологическом университете (ПГТУ). В городе Заречном Пензенской области планируют начать внедрение новейших технологии очистки питьевой воды с использованием фильтров-мембран из наноматериалов; в Читинском торгово-экономическом колледже презентовали новую наноуглеродную технологию очистки воды по методу академика РАЕН, профессора Виктора Петрика, чьи изобретения успешно реализует в своих «нанофильтрах» холдинг «Золотая Формула» [14].

Методом «наноочистки» начинают интересоваться все большее число предприятий, и не исключено, что скоро «наночистка» воды — как питьевой, так и сточных вод — перейдет из разряда чудес в разряд «обычное дело» [14].

В феврале 2009 г. на реке Яя в Кемеровской области заработала новая насосно-фильтровальная станция, одним из основных элементов которой является современная установка. До этого водоснабжение расположенного поблизости от реки 12-тысячного поселка велось одновременно из скважин и водозабора на реке Яя. Однако подземная вода подавалась потребителям без очистки и не соответствовала санитарным требованиям. Да и мощностей водозабора не хватало [14].

Губернатор Кемеровской области А.Г.Тулеев принял решение о модернизации насосно-фильтровальной станции (НФС) открытого водозабора на реке Яя. На обновленной НФС впервые не только в регионе, но и в Сибири будет использоваться способ мембранной ультрафильтрации. В отличие от традиционных методов, эта технология обладает целым рядом уникальных свойств. Она позволяет задерживать содержащиеся в воде вредные примеси и микроорганизмы, в том числе вирусы [14].

Одновременно с реконструкцией НФС прокладывались новые магистральные водоводы и канализационные сети, а также строились очистные сооружения канализационных стоков. Работы велись в два этапа. В первую очередь за два предыдущих года были заменены насосы первого подъема и установлены две емкости по 1000 кубометров, заменили все внутренние сети. Второй этап прошел уже в 2009 году — была смонтирована установка по очистке воды на основе нанотехнологий без добавления химических реактивов. Эта установка работает в автоматическом режиме и пропускает 1600 кубометров воды за час. Только, в отличие от представителей РЖД, в Кемеровской области не стали склоняться к отечественным производителям нанооборудования, и выбрали для насосной станции установку по очистке воды израильского производства [14].

Общие затраты составили 25 миллионов рублей. Деньги были выделены из областного бюджета по программе «Чистая вода» [14].

Также в ОАО «РЖД» серьезно рассматривается возможность применения нанотехнологий для снижения уровня загрязнения сбрасываемых вод. По словам заместителя начальника Управления охраны труда, промышленной безопасности и экологического контроля ОАО «РЖД» Валерия Першина, значительная доля экологических штрафов РЖД связана со сбросом производственных и ливневых сточных вод на рельеф местности или в поверхностные водные объекты, а также с их передачей в городские канализационные сети. Только в прошлом году расходы ОАО «РЖД» по этой статье превысили 81 млн руб [14].

Железнодорожники планируют внедрить высокотехнологичное оборудование для очистки сточных вод, с помощью которого использованная вода будет очищаться на молекулярном уровне [14].

Отечественные и зарубежные разработчики уже готовы предложить оборудование с использованием наноструктурных фильтрующих коррозионно-стойких элементов на основе стали, титана, циркония, никеля и керамики. Степень очистки загрязнённых сточных вод с их помощью позволяет достичь значений предельно допустимой концентрации (ПДК) [14].

Оборудование на основе наноэлементов обладает рядом существенных преимуществ перед полимерными и другими традиционно используемыми фильтрующими загрузками, применяемыми в настоящее время на очистных сооружениях. К примеру, материалы, которые применяются в нанофильтрах, не выделяют токсичных компонентов, обеспечивая тем самым полную экологическую чистоту, а их высокая механическая прочность и пластичность обеспечивают защиту очищаемой среды от микрозагрязнений [14].

Фильтрующие металлические наноэлементы обладают также высокой теплопроводностью, термостойкостью и радиационной стойкостью. Применение пористого титана и циркония в качестве основного материала делает устройства практически невосприимчивыми к химическому воздействию. Это позволяет применять их для доочистки производственных сточных вод, содержащих в своём составе кислоты и щёлочи, — полное удаление этих загрязнений гарантировано [14].

Чтобы получить более полное представление о потенциальных возможностях фильтрующих наноэлементов и эффективности их применения на железнодорожном транспорте, была проведена оценка технических и экономических показателей предлагаемых на рынке технологий. При этом в расчёт брались особенности технологических процессов, относительно невысокие объёмы сбросов структурных подразделений ОАО «РЖД» по отдельности и компонентный состав загрязнённых стоков [14].

«На основании проведённых экспертных оценок была показана возможность применения фильтрующих металлических и керамических наноэлементов для очистки выбросов и сбросов. Сравнительный анализ технических характеристик российских и зарубежных аналогов показал, что по ряду показателей наноэлементы отечественного производства по качеству превосходят импортные и при этом в среднем до десяти раз дешевле. В итоге при эффективности очистки 99,95% стоимость, к примеру, фильтрационной установки Всероссийского научно-исследовательского института неметаллических материалов оказывается почти в 25 раз ниже, чем цена на сравнимую продукцию ведущего американского производителя [14].

Не так давно завершилась подготовка технических требований для дальнейшей разработки технологии и конструкторской документации на очистное оборудование с использованием фильтрующих наноэлементов для РЖД [14].

Сельское хозяйство по-прежнему является серьезным фактором, ухудшающим общую экологическую обстановку [10].

 Под эгидой ФАО создана база данных о 160 проектах использования нанотехнологий в сельском хозяйстве, которые финансировались и разрабатывались на 2006 г. Большинство из них связано с пищевой промышленностью, с использованием наноматериалов для упаковки пищи или определения и, в отдельных случаях, нейтрализации опасных токсинов, аллергенов или патогенов. Развиваются проекты по созданию и улучшению пищевых добавок, получению растительного масла с нанодобавками, которые препятствуют поступлению холестерина в кровь млекопитающих [10].

Другая группа проектов направлена на развитие более эффективных и средосберегающих агротехнологий. Например, использование наноматериалов для очистки вод в агроэкосистемах. Или их применение для переработки отходов растениеводства в этанол. В животноводстве разрабатывают методы использования нанодобавок в целях уменьшения доз ростовых факторов и гормонов, нейтрализации патогенов на ранних стадиях их контакта с животными [10].

3.2. Нанотехнологии в энергетике

Но очистка вод не единственное направление внедрения нанотехнологий.

Проведенный по инициативе министерства в кооперации с таким научным учреждением Institut fur Solare Кnergieversorgungstechnik форум под названием «Нано-Энергия» продемонстрировал возможности нанотехнологий не только в сфере повышения качественного использования традиционных энергоносителей, в частности ископаемых, включая и ядерную энергетику, таких возобновляемых видов энергии, как тепло земли, солнце, ветер, вода, биомасса. Речь при этом может идти, например, об использовании новых технологий для производства более стойкого к износу бурового оборудования, применяемого для освоения нефтяных и газовых месторождений, для изготовления более легких и стабильных лопастей для роторов ветряных электростанций, для увеличения КПД солнечных панелей за счет роста объема поглощения света на электростанциях, использующих энергию нашего светила. Уже созданы «интеллигентные» окна, способные либо абсорбировать энергию солнца, либо отражать ее в зависимости от времени года и потребности жилища. Перспективным направлением применения нанотехнологий ученые считают работы по улучшению поглощающих свойств традиционных солнечных панелей с использованием кремния или созданию новых видов покрытия из полимерных пленок. Полимеры позволят не только снизить цену таких панелей, но и даже использовать их для энергоснабжения мобильных электронных устройств [10].

Широкое применение наноматериалы найдут в процессах превращения первичных видов энергоресурсов в другие виды энергии, в том числе в электроэнергию. В автомобильной промышленности это снизит потребление топлива за счет применения наноматериалов в генераторах, в шинах, в специальных добавках в бензин или за счет оптимизации сгорания топлива в моторах, изготовленных на базе наноматериалов. В электроэнергетике предполагается применение покрытий из нановещества в турбинах, топливных элементах. Можно добиться повышения емкости электрических батарей, аккумуляторов и конденсаторов за счет применения при их создании наноэлементов [10].

Сегодня ученые работают над применением наноматериалов при термоэлектрических превращениях энергии. Речь идет о создании полупроводников с наночастицами, что позволит использовать остаточное тепло как в автомобильных моторах, так и тепло человеческого тела с помощью специальных текстильных наноматериалов [10].

Потерь энергии можно будет в перспективе избежать за счет применения в системах электропередачи углеродных проводников с добавками наноэлементов [10].

Заключение

В последние годы вокруг нанотехнологий создано очень много шума, порой совсем не обоснованного. Безусловно, они становятся важной составляющей научно-технического прогресса, все развивающиеся страны вкладывают миллиарды долларов в их развитие и реализацию. Но сейчас все больше говорят о достоинствах нанотехнологий, о том, в чем и как они смогут изменить нашу жизнь, забывая о том, что относительно слабая изученность вопроса их безопасности и собственно непредсказуемое поведение наночастиц в природе представляют серьезную опасность для окружающей среды. Большинство зарубежных стран проводит эксперименты  и исследования, позволяющие делать определенные выводы относительно безопасности наночастиц для природы и человека.

В последние 2-3 года, к примеру, в Великобритании были реализованы основные задачи, которые позволили глубже понять природу наночастиц и  их влияние на окружающую среду и здоровье рабочих. Среди них проект REFNANO, касающийся создания базы данных эталонных материалов для токсикологии и метрологии индустриальных наночастиц; создание справочной службы (NanoAlert), выпускающий информационные бюллетени и оценивающий исследования влияния нанотехнологий на окружающую среду и здоровье человека в его профессиональной деятельности; запущенный компанией DuPont консорциум по безопасности наночастиц (Nanoparticle Occupational Safety and Health Consortium, NOSH), исследующий возможное воздействие наночастиц на здоровье человека на его рабочем месте [9].

Имеющиеся опасения по поводу безопасности нанотехнологий выходят на первый план, если речь идёт об их медицинских приложениях — той области, где наночастицы целенаправленно воздействуют на человеческий организм. Попадая в организм, наночастицы способны повреждать биомембраны, нарушать функции биомолекул, в том числе молекул генетического аппарата клетки и клеточных органелл (митохондрий), приводя к нарушению регуляторных процессов и гибели клетки. Механизм воздействия нанообъектов на живые структуры связан с образованием в их присутствии свободных радикалов, в том числе пергидратов, а также с возникновением комплексов с нуклеиновыми кислотами. Эффект для живого организма проявляется в возникновении воспалительных процессов в отдельных органах и тканях и снижении иммунитета [8].