Nanotecnología verde - Green nanotechnology

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La nanotecnología verde se refiere al uso de la nanotecnología para mejorar la sostenibilidad ambiental de los procesos que producen externalidades negativas . También se refiere al uso de los productos de la nanotecnología para mejorar la sostenibilidad . Incluye la fabricación de nanoproductos ecológicos y el uso de nanoproductos en apoyo de la sostenibilidad.

La nanotecnología verde se ha descrito como el desarrollo de tecnologías limpias , "para minimizar los posibles riesgos ambientales y para la salud humana asociados con la fabricación y el uso de productos de nanotecnología, y para alentar la sustitución de productos existentes por nuevos nanoproductos que sean más respetuosos con el medio ambiente en todo su ciclo de vida ".

Apuntar

La nanotecnología verde tiene dos objetivos: producir nanomateriales y productos sin dañar el medio ambiente o la salud humana, y producir nanoproductos que brinden soluciones a los problemas ambientales. Utiliza los principios existentes de química ecológica e ingeniería ecológica para fabricar nanomateriales y nanoproductos sin ingredientes tóxicos, a bajas temperaturas, utilizando menos energía e insumos renovables siempre que sea posible, y utilizando el pensamiento del ciclo de vida en todas las etapas de diseño e ingeniería.

Además de fabricar nanomateriales y productos con menor impacto en el medio ambiente, la nanotecnología verde también significa utilizar la nanotecnología para hacer que los procesos de fabricación actuales de materiales y productos no nanométricos sean más respetuosos con el medio ambiente. Por ejemplo, las membranas a nanoescala pueden ayudar a separar los productos de reacción química deseados de los materiales de desecho de las plantas. Los catalizadores a nanoescala pueden hacer que las reacciones químicas sean más eficientes y menos derrochadoras. Los sensores a nanoescala pueden formar parte de los sistemas de control de procesos , trabajando con sistemas de información nano-habilitados. El uso de sistemas de energía alternativos , posibilitados por la nanotecnología, es otra forma de procesos de fabricación "ecológicos".

El segundo objetivo de la nanotecnología verde consiste en desarrollar productos que beneficien al medio ambiente directa o indirectamente. Los nanomateriales o productos directamente pueden limpiar sitios de desechos peligrosos , desalinizar agua , tratar contaminantes o detectar y monitorear contaminantes ambientales. Indirectamente, los nanocompuestos ligeros para automóviles y otros medios de transporte podrían ahorrar combustible y reducir los materiales utilizados para la producción; las pilas de combustible y los diodos emisores de luz (LED) con nanotecnología podrían reducir la contaminación de la generación de energía y ayudar a conservar los combustibles fósiles; los revestimientos superficiales autolimpiantes a nanoescala podrían reducir o eliminar muchos productos químicos de limpieza utilizados en las rutinas de mantenimiento regulares; y una mayor duración de la batería podría conducir a un menor uso de material y menos desperdicio. La nanotecnología verde adopta una visión de sistema amplia de los nanomateriales y los productos, lo que garantiza que se minimicen las consecuencias imprevistas y que los impactos se anticipen a lo largo de todo el ciclo de vida.

La investigación actual

Células solares

Artículo principal: Aplicaciones energéticas de la nanotecnología.

Se está investigando el uso de nanomateriales con fines que incluyen celdas solares más eficientes , celdas de combustible prácticas y baterías respetuosas con el medio ambiente . Los proyectos de nanotecnología más avanzados relacionados con la energía son: almacenamiento, conversión, mejoras de fabricación mediante la reducción de materiales y tasas de proceso, ahorro de energía (mediante un mejor aislamiento térmico, por ejemplo) y fuentes de energía renovables mejoradas.

Un proyecto importante en el que se está trabajando es el desarrollo de nanotecnología en células solares. Las células solares son más eficientes a medida que se vuelven más pequeñas y la energía solar es un recurso renovable . El precio por vatio de energía solar es inferior a un dólar.

Se está investigando el uso de nanocables y otros materiales nanoestructurados con la esperanza de crear células solares más baratas y eficientes que las que son posibles con las células solares planas convencionales de silicio. Otro ejemplo es el uso de pilas de combustible impulsadas por hidrógeno, que potencialmente utilizan un catalizador que consta de partículas de metales nobles soportadas por carbono con diámetros de 1 a 5 nm. Los materiales con pequeños poros nanométricos pueden ser adecuados para el almacenamiento de hidrógeno. La nanotecnología también puede encontrar aplicaciones en baterías , donde el uso de nanomateriales puede permitir baterías con mayor contenido energético o supercondensadores con una mayor tasa de recarga.

La nanotecnología ya se utiliza para proporcionar recubrimientos de rendimiento mejorado para paneles fotovoltaicos (PV) y solares térmicos. Las propiedades hidrófobas y autolimpiantes se combinan para crear paneles solares más eficientes, especialmente durante las inclemencias del tiempo. Se dice que la energía fotovoltaica cubierta con recubrimientos de nanotecnología permanece más limpia durante más tiempo para garantizar que se mantenga la máxima eficiencia energética.

Nanorremediación y tratamiento de aguas

Artículos principales: Nanofiltración y Nanorremediación

La nanotecnología ofrece el potencial de nuevos nanomateriales para el tratamiento de aguas superficiales, subterráneas , residuales y otros materiales ambientales contaminados por iones metálicos tóxicos , solutos orgánicos e inorgánicos y microorganismos . Debido a su actividad única hacia los contaminantes recalcitrantes, muchos nanomateriales se encuentran bajo investigación y desarrollo activos para su uso en el tratamiento de agua y sitios contaminados.

El mercado actual de tecnologías basadas en nanotecnología aplicadas en el tratamiento del agua consiste en membranas de ósmosis inversa (RO), nanofiltración, ultrafiltración. De hecho, entre los productos emergentes se pueden nombrar filtros de nanofibras, nanotubos de carbono y diversas nanopartículas.

Se espera que la nanotecnología trate de manera más eficiente los contaminantes que los sistemas de tratamiento de agua por convección tienen dificultades para tratar, incluidas las bacterias, los virus y los metales pesados. Esta eficiencia generalmente se debe a la muy alta superficie específica de los nanomateriales, que aumenta la disolución, la reactividad y la absorción de contaminantes.

Remediación ambiental

Artículo principal: Nanorremediación

La nanorremediación es el uso de nanopartículas para la remediación ambiental . La nanorremediación se ha utilizado más ampliamente para el tratamiento de aguas subterráneas, con una extensa investigación adicional en el tratamiento de aguas residuales . La nanorremediación también ha sido probada para la limpieza de suelos y sedimentos. Incluso una investigación más preliminar está explorando el uso de nanopartículas para eliminar materiales tóxicos de los gases .

Algunos métodos de nanorremediación, en particular el uso de hierro de nanovalencia cero para la limpieza de aguas subterráneas, se han implementado en sitios de limpieza a gran escala. La nanorremediación es una industria emergente; para 2009, las tecnologías de nanorremediación se habían documentado en al menos 44 sitios de limpieza en todo el mundo, principalmente en los Estados Unidos. Durante la nanorremediación, un agente de nanopartículas debe ponerse en contacto con el contaminante objetivo en condiciones que permitan una reacción desintoxicante o inmovilizadora. Este proceso generalmente implica un proceso de bombeo y tratamiento o una aplicación in situ . Otros métodos permanecen en fases de investigación.

Los científicos han estado investigando las capacidades del buckminsterfullereno para controlar la contaminación, ya que puede controlar ciertas reacciones químicas. Se ha demostrado que el buckminsterfullereno tiene la capacidad de inducir la protección de especies reactivas de oxígeno y causar peroxidación de lípidos. Este material puede permitir que el combustible de hidrógeno sea más accesible para los consumidores.

Tecnología de limpieza de agua

En 2017, RingwooditE Co Ltd se formó con el fin de explorar la tecnología de trampas termonucleares (TTT) con el fin de limpiar todas las fuentes de agua de la contaminación y los contenidos tóxicos. Esta nanotecnología patentada utiliza una cámara de alta presión y temperatura para separar los isótopos que por naturaleza no deberían estar en el agua potable del agua potable pura, según la clasificación establecida por la OMS . Este método ha sido desarrollado, entre otros, por el profesor Vladimir Afanasiew, de la Institución Nuclear de Moscú. Esta tecnología está destinada a limpiar aguas residuales de mar, ríos, lagos y vertederos. Incluso elimina los isótopos radiactivos del agua de mar, después de las catástrofes de las centrales nucleares y las torres de las plantas de agua de refrigeración. Con esta tecnología se eliminan restos farmacéuticos, narcóticos y tranquilizantes. Las capas del fondo y los lados de los lagos y ríos pueden devolverse después de haber sido limpiados. La maquinaria utilizada para este propósito es muy similar a la de la minería de aguas profundas . Los elementos de desecho eliminados se clasifican mediante el proceso y se pueden reutilizar como materia prima para otra producción industrial.

Filtración de agua

Artículo principal: Nanofiltración

La nanofiltración es un proceso de filtración por membrana relativamente reciente que se utiliza con mayor frecuencia con agua de bajo contenido de sólidos disueltos totales , como agua superficial y agua subterránea dulce , con el propósito de ablandar ( eliminación de cationes polivalentes ) y eliminar precursores de subproductos de desinfección, como materia orgánica natural y sintética. materia orgánica. La nanofiltración también se está utilizando cada vez más en aplicaciones de procesamiento de alimentos , como productos lácteos , para la concentración simultánea y la desmineralización parcial ( ión monovalente ) .

La nanofiltración es un método basado en la filtración por membrana que utiliza poros pasantes cilíndricos de tamaño nanométrico que atraviesan la membrana a 90 °. Las membranas de nanofiltración tienen tamaños de poro de 1 a 10 Angstrom , más pequeños que los utilizados en microfiltración y ultrafiltración , pero un poco más grandes que en ósmosis inversa . Las membranas utilizadas se crean predominantemente a partir de películas delgadas de polímero. Los materiales que se utilizan comúnmente incluyen tereftalato de polietileno o metales como el aluminio . Las dimensiones de los poros están controladas por el pH , la temperatura y el tiempo durante el desarrollo con densidades de poros que oscilan entre 1 y 106 poros por cm 2 . Las membranas fabricadas con tereftalato de polietileno y otros materiales similares se denominan membranas de "grabado de huellas", que reciben su nombre de la forma en que se forman los poros de las membranas. El "seguimiento" implica bombardear la película delgada de polímero con partículas de alta energía. Esto da como resultado la creación de pistas que se desarrollan químicamente en la membrana o se "graban" en la membrana, que son los poros. Las membranas creadas a partir de metales, como las membranas de alúmina, se fabrican mediante el crecimiento electroquímico de una capa delgada de óxido de aluminio a partir de aluminio metálico en un medio ácido.

Algunos dispositivos de tratamiento de agua que incorporan nanotecnología ya están en el mercado, y hay más en desarrollo. Los métodos de membranas de separación nanoestructuradas de bajo costo han demostrado ser efectivos en la producción de agua potable en un estudio reciente.

Nanotecnología para desinfectar el agua

La nanotecnología ofrece una solución alternativa para limpiar los gérmenes del agua, un problema que se ha ido agravando debido a la explosión demográfica, la creciente necesidad de agua limpia y la aparición de contaminantes adicionales. Una de las alternativas que se ofrecen es la nanotecnología antimicrobiana, afirmando que varios nanomateriales mostraron fuertes propiedades antimicrobianas a través de diversos mecanismos, como la producción fotocatalítica de especies reactivas de oxígeno que dañan componentes celulares y virus. También está el caso de las partículas nanometálicas fabricadas sintéticamente que producen una acción antimicrobiana llamada desinfección oligodinámica , que puede inactivar microorganismos a bajas concentraciones. Actualmente también existen sistemas comerciales de purificación basados ​​en fotocatálisis de óxido de titanio y los estudios muestran que esta tecnología puede lograr la inactivación completa de los coliformes fecales en 15 minutos una vez activados por la luz solar.

Hay cuatro clases de nanomateriales que se emplean para el tratamiento del agua y son dendrímeros , zeolitas , nanomateriales carbonosos y nanopartículas que contienen metales. Los beneficios de la reducción del tamaño de los metales (por ejemplo , plata , cobre , titanio y cobalto ) a la nanoescala, como la eficiencia de contacto, mayor área de superficie y mejores propiedades de elución.

Limpieza de derrames de petróleo

La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) documenta más de diez mil derrames de petróleo por año. De manera convencional, se utilizan agentes biológicos, dispersantes y gelificantes para remediar los derrames de petróleo. Aunque estos métodos se han utilizado durante décadas, ninguna de estas técnicas puede recuperar el aceite perdido irremplazable. Sin embargo, los nanocables no solo pueden limpiar rápidamente los derrames de petróleo, sino que también pueden recuperar la mayor cantidad de petróleo posible. Estos nanocables forman una malla que absorbe hasta veinte veces su peso en líquidos hidrofóbicos mientras rechaza el agua con su recubrimiento repelente al agua. Dado que el óxido de potasio y manganeso es muy estable incluso a altas temperaturas, el aceite se puede hervir de los nanocables y luego se pueden reutilizar tanto el aceite como los nanocables.

En 2005, el huracán Katrina dañó o destruyó más de treinta plataformas petroleras y nueve refinerías. Interface Science Corporation lanzó con éxito una nueva aplicación de recuperación y remediación de petróleo, que utilizó nanocables repelentes de agua para limpiar el petróleo derramado por las refinerías y plataformas petroleras dañadas.

Eliminando plásticos de los océanos

Una innovación de la nanotecnología verde que se encuentra actualmente en desarrollo son las nanomáquinas modeladas a partir de una bacteria diseñada por bioingeniería para consumir plásticos, Ideonella sakaiensis . Estas nanomáquinas son capaces de descomponer plásticos docenas de veces más rápido que las bacterias de bioingeniería, no solo por su mayor área de superficie, sino también porque la energía liberada al descomponer el plástico se utiliza para alimentar las nanomáquinas.

Control de polución de aire

Además del tratamiento del agua y la remediación ambiental, la nanotecnología está mejorando actualmente la calidad del aire. Las nanopartículas pueden diseñarse para catalizar, o acelerar, la reacción para transformar gases perjudiciales para el medio ambiente en inofensivos. Por ejemplo, muchas fábricas industriales que producen grandes cantidades de gases nocivos emplean un tipo de catalizador de nanofibras hecho de óxido de magnesio (Mg 2 O) para purificar sustancias orgánicas peligrosas en el humo. Aunque los catalizadores químicos ya existen en los vapores gaseosos de los automóviles, la nanotecnología tiene una mayor probabilidad de reaccionar con las sustancias nocivas en los vapores. Esta mayor probabilidad proviene del hecho de que la nanotecnología puede interactuar con más partículas debido a su mayor superficie.

La nanotecnología se ha utilizado para remediar la contaminación del aire, incluida la contaminación de los gases de escape de los automóviles y los posibles gases de efecto invernadero debido a su gran superficie. Según una investigación realizada por Environmental Science Pollution Research International, la nanotecnología puede ayudar específicamente a tratar las nanopartículas de carbono, los gases de efecto invernadero y los compuestos orgánicos volátiles. También se está trabajando en el desarrollo de nanopartículas antibacterianas, nanopartículas de óxidos metálicos y agentes modificadores para procesos de fitorremediación. La nanotecnología también puede brindar la posibilidad de prevenir la contaminación del aire en primer lugar debido a su escala extremadamente pequeña. La nanotecnología ha sido aceptada como una herramienta para muchos campos industriales y domésticos, como sistemas de monitoreo de gas, detectores de incendios y gases tóxicos, control de ventilación, detectores de alcohol en el aliento y muchos más. Otras fuentes afirman que la nanotecnología tiene el potencial de desarrollar los métodos de detección y detección de contaminantes que ya existen. La capacidad de detectar contaminantes y detectar materiales no deseados se verá reforzada por la gran superficie de los nanomateriales y su alta energía superficial. La Organización Mundial de la Salud declaró en 2014 que la contaminación del aire causó alrededor de 7 millones de muertes en 2012. Esta nueva tecnología podría ser un activo esencial para esta epidemia. Las tres formas en que se utiliza la nanotecnología para tratar la contaminación del aire son los materiales nanoadsortivos, la degradación por nanocatálisis y la filtración / separación por nanofiltros. Los adsorbentes a nanoescala son el principal alivio de muchas dificultades de contaminación del aire. Su estructura permite una gran interacción con compuestos orgánicos así como una mayor selectividad y estabilidad en la máxima capacidad de adsorción. Otras ventajas incluyen altas conductividades eléctricas y térmicas, alta resistencia, alta dureza. Los contaminantes objetivo que pueden ser atacados por nanomoléculas son 〖NO〗 _x, 〖CO〗 _2, 〖NH〗 _3, N_2, COV, vapor de isopropilo, 〖CH〗 _3 OH gases, N_2 O, H_2 S. Los nanotubos de carbono eliminan específicamente las partículas en Muchas maneras. Un método consiste en pasarlos a través de los nanotubos donde se oxidan las moléculas; las moléculas luego se adsorben en una especie de nitrato. Los nanotubos de carbono con grupos amina proporcionan numerosos sitios químicos para la adsorción de dióxido de carbono en rangos de temperatura bajos de 20 ° -100 ° grados Celsius. Las fuerzas de Van der waals y las interacciones π-π también se utilizan para atraer moléculas hacia grupos funcionales de la superficie. El fullereno se puede utilizar para eliminar la contaminación por dióxido de carbono debido a su alta capacidad de adsorción. Los nanotubos de grafeno tienen grupos funcionales que adsorben gases. Hay muchos nanocatalizadores que pueden usarse para reducir la contaminación del aire y la calidad del aire. Algunos de estos materiales incluyen 〖TiO〗 _2, vanadio, platino, paladio, rodio y plata. La reducción catalítica de las emisiones industriales, la reducción de los gases de escape de los automóviles y la purificación del aire son solo algunos de los principales impulsos en los que se utilizan estos nanomateriales. Algunas aplicaciones no están muy difundidas, pero otras son más populares. La contaminación del aire interior apenas está en el mercado todavía, pero se está desarrollando de manera más eficiente debido a complicaciones con efectos en la salud. La reducción de las emisiones de gases de escape de los automóviles se usa ampliamente en los automóviles que funcionan con diesel y actualmente es una de las aplicaciones más populares. La reducción de emisiones industriales también se utiliza ampliamente. Es un método integral específicamente en centrales eléctricas de carbón y refinerías. Estos métodos se analizan y revisan utilizando imágenes SEM para garantizar su utilidad y precisión.

Además, actualmente se están llevando a cabo investigaciones para averiguar si las nanopartículas se pueden diseñar para separar los gases de escape de los automóviles del metano o el dióxido de carbono, que se sabe que dañan la capa de ozono de la Tierra. De hecho, John Zhu, profesor de la Universidad de Queensland , está explorando la creación de un nanotubo de carbono (CNT) que puede atrapar gases de efecto invernadero cientos de veces más eficientemente que los métodos actuales.

Nanotecnología para sensores

La exposición perpetua a la contaminación por metales pesados ​​y al material particulado dará lugar a problemas de salud como cáncer de pulmón, afecciones cardíacas e incluso enfermedades de las neuronas motoras. Sin embargo, la capacidad de la humanidad para protegerse de estos problemas de salud puede mejorarse mediante sensores de nanocontacto precisos y rápidos capaces de detectar contaminantes a nivel atómico. Estos sensores de nanocontacto no requieren mucha energía para detectar iones metálicos o elementos radiactivos. Además, se pueden realizar en modo automático para que se puedan utilizar de forma legible en cualquier momento. Además, estos sensores de nanocontacto son energéticamente rentables ya que están compuestos con equipos de fabricación microelectrónicos convencionales que utilizan técnicas electroquímicas.

Algunos ejemplos de monitoreo basado en nano incluyen:

  1. Nanopartículas funcionalizadas capaces de formar enlaces oxidantes aniónicos permitiendo la detección de sustancias cancerígenas a concentraciones muy bajas.
  2. Se han desarrollado nanoesferas poliméricas para medir contaminantes orgánicos en concentraciones muy bajas.
  3. "Se han empleado nanoelectrodos de péptidos basados ​​en el concepto de termopar. En un espacio de separación de nano-distancia, se coloca una molécula de péptido para formar una unión molecular. Cuando un ión metálico específico se une al espacio, la corriente eléctrica dará como resultado la conductancia en un valor único. Por lo tanto, el ion metálico se detectará fácilmente ".
  4. Se han creado electrodos compuestos, una mezcla de nanotubos y cobre, para detectar sustancias como plaguicidas organofosforados, carbohidratos y otras sustancias patógenas de la madera en bajas concentraciones.

Preocupaciones

Aunque la nanotecnología verde presenta muchas ventajas sobre los métodos tradicionales, todavía hay mucho debate sobre las preocupaciones que suscita la nanotecnología. Por ejemplo, dado que las nanopartículas son lo suficientemente pequeñas como para ser absorbidas por la piel y / o inhaladas, los países exigen que se estudien en profundidad las investigaciones adicionales que giran en torno al impacto de la nanotecnología en los organismos. De hecho, el campo de la eco- nanotoxicología se fundó únicamente para estudiar el efecto de la nanotecnología en la tierra y todos sus organismos. Por el momento, los científicos no están seguros de lo que sucederá cuando las nanopartículas se filtren en el suelo y el agua, pero organizaciones como NanoImpactNet se han propuesto estudiar estos efectos.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos