Környezetvédelem és nanotechnológia
Az elÅadás összefoglalója. - VEAB
Az elÅadás összefoglalója. - VEAB
- No tags were found...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Környezetvédelem</strong> <strong>és</strong><br />
<strong>nanotechnológia</strong><br />
Szépvölgyi János<br />
igazgató, egyetemi tanár<br />
MTA KK Anyag- <strong>és</strong> Környezetkémiai Intézet<br />
Pannon Egyetem MIK Műszaki Kémiai Kutatóintézet<br />
1
A Föld: űrhajós gazdaság<br />
Erőforrásaink végesek<br />
Korlátlanul nem szennyezhetjük környezetünket<br />
UGYANAKKOR<br />
Ismétlődően megújuló ökológiai rendszerben élünk<br />
Az anyagok folyamatosan újratermelődnek<br />
Állandóan rendelkez<strong>és</strong>re áll külső energia<br />
K. E. Boulding, 1973<br />
2
Kölcsönös függőség<br />
Term<strong>és</strong>zet<br />
Társadalom<br />
Gazdaság<br />
3
Term<strong>és</strong>zet vs. gazdaság<br />
A földi ökorendszerek zárt láncokat alkotnak<br />
Atmoszféra<br />
Vízgőz<br />
Hidroszféra<br />
H2S, CO2<br />
N2, CO2<br />
Fémsók<br />
Biomassza<br />
Geoszféra<br />
Tápanyagok<br />
Bioszféra<br />
Nincs hulladék, folyamatos anyag- ás energiaáramlás, elemek egymásra épülnek,<br />
folytonos információáramlás-dinamikus működ<strong>és</strong>, önszabályozás<br />
4
Term<strong>és</strong>zet vs. gazdaság<br />
A piacgazdaságban nyitott rendszerek működnek<br />
€<br />
5
Környezet-gazdaság kapcsolatrendszer<br />
Energia<br />
Atmoszféra<br />
Gazdaság<br />
Bioszféra<br />
Kinyer<strong>és</strong> Előállítás Használat Lerakás<br />
Hidroszféra<br />
Geoszféra<br />
Energia<br />
6
1. probléma: túlzott igénybevétel<br />
W. Fosberg, 2005<br />
7
2. probléma: pazarló gazdálkodás<br />
Környezet<br />
Hulladék<br />
75-99%<br />
Termékhasználat<br />
Termékek<br />
Beépít<strong>és</strong> termékekbe<br />
Köztitermékek<br />
Szénhidrogén bányászat<br />
Hulladék<br />
1-25%<br />
Feldolgozás<br />
Kőolaj, földgáz<br />
Alapanyag gyártás<br />
Alapanyagok<br />
Polimergyártás<br />
PVC, PE, PET<br />
8
3. probléma: antropogén terhel<strong>és</strong><br />
Term<strong>és</strong>zeti folyamatok<br />
Emberi tevékenység<br />
Arány<br />
Kadmium<br />
Arzén<br />
Réz<br />
Ólom<br />
8.0<br />
1.6<br />
1.3<br />
27.7<br />
J.O. Nriagu, 1989<br />
9
3. probléma: antropogén terhel<strong>és</strong><br />
Széndioxid (ppm)<br />
Metán (10 ppb)<br />
400<br />
300<br />
200<br />
280 285 293<br />
305<br />
380<br />
100<br />
71 76 82<br />
170<br />
105<br />
0<br />
1800 1850 1900 1950 2000<br />
10
4. probléma: önkorlátozás hiánya<br />
A modern gazdaság nem önkorlátozó<br />
sem nagyságát<br />
sem növeked<strong>és</strong>i sebességét<br />
sem az erőforrások felhasználását tekintve<br />
„Még a term<strong>és</strong>zetes növeked<strong>és</strong> misztériumánál is nagyobb<br />
misztérium a növeked<strong>és</strong> term<strong>és</strong>zetes abbamaradása”<br />
E. Schumacher, 1994<br />
11
A világ energiafogyasztása<br />
Hagyományos<br />
Megújúló<br />
1 500<br />
1 125<br />
Exajoule<br />
750<br />
375<br />
0<br />
1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040 2060<br />
1 Exajoule = 10 18 J Shell AG. 1999<br />
12
Környezetvédelmi kiadások<br />
USA (1998)<br />
GDP 2%-a<br />
150 . 10 9 USD/év<br />
EU-25 (2006)<br />
GDP 2.2%-a<br />
227 . 10 9 EUR/év<br />
EC - DG ENV, 2006<br />
13
Megoldási lehetőség<br />
Célszerű önkorlátozás<br />
A gazdaság működ<strong>és</strong>ét össze kell hangolni a term<strong>és</strong>zet<br />
teherbíró képességével - fenntartható fejlőd<strong>és</strong><br />
Környezetvédelmi ipar súlyának növel<strong>és</strong>e<br />
14
A fenntartható erőforrás gazdálkodás eredményei<br />
Víz<br />
Energia<br />
Anyagok<br />
Ökorendszerek<br />
Talaj<br />
Levegő<br />
a vízforrások minőségének <strong>és</strong> elérhetőségének fenntartása<br />
tiszta energia előállítása <strong>és</strong> hatékony felhasználása<br />
gondos anyagfelhasználás, környezetbarát anyagok<br />
az ökorendszerek funkcióinak fenntartása <strong>és</strong> visszaállítása<br />
ökológiai szempontú földhasználat <strong>és</strong> igénybevétel<br />
tiszta <strong>és</strong> eg<strong>és</strong>zséges levegő biztosítása<br />
15
A környezetvédelmi ipar feladatai<br />
A korábbi tevékenységekből származó környezeti hatások megszüntet<strong>és</strong>e<br />
hulladékfeldolgozás, helyreállítás<br />
A jelenlegi tevékenységek környezeti hatásainak csökkent<strong>és</strong>e<br />
hulladékcsökkent<strong>és</strong><br />
Újszerű technológiai megoldások bevezet<strong>és</strong>e<br />
közel nulla emisszió<br />
Alapvetően új technológiák bevezet<strong>és</strong>e a környezetvédelembe<br />
nulla emisszió, ipari ökológia, zöld kémia,<br />
<strong>nanotechnológia</strong><br />
16
Kiindulópontunk a továbbiakhoz<br />
A <strong>nanotechnológia</strong> anyagai <strong>és</strong> eszköztára jelentősen<br />
hozzájárulhatnak a környezetvédelmi ipar céljainak<br />
elér<strong>és</strong>éhez<br />
17
Mi is a <strong>nanotechnológia</strong>?<br />
Technológia 1-100 . 10 -9 m (nanométer) nagyságú<br />
objektumokon<br />
18
Mi is a <strong>nanotechnológia</strong>?<br />
Technológia 1-100 . 10 -9 m (nanométer) nagyságú<br />
objektumokon<br />
IV. Henrik francia király<br />
(1589-1610)<br />
18
Mi is a <strong>nanotechnológia</strong>?<br />
Technológia 1-100 . 10 -9 m (nanométer) nagyságú<br />
objektumokon<br />
Béarnaise mártás<br />
IV. Henrik francia király<br />
(1589-1610)<br />
18
Nanorendszerek a méretskálán<br />
US National Nanotechnology Initiative, 2006<br />
19
Miért 10 -9 ?<br />
Kis méretből adódó különleges tulajdonságok (kvantum-hatások)<br />
Alulról felfelé építkez<strong>és</strong> (kevesebb nyersanyag <strong>és</strong> energia)<br />
Adott térfogatban sok aktív elem (minőségi változások)<br />
Jól tervezhető <strong>és</strong> beállítható mikroszerkezet<br />
Előnyös fizikai, mechanikai, termikus stb. tulajdonságok<br />
Kedvező alkalmazástechnikai jellemzők<br />
Ken<strong>és</strong>t nem igénylő nanocsapágy<br />
20
Alapelv: alulról felfelé építkez<strong>és</strong><br />
Kis méretű kiindulási objektumok (atomok, molekulák)<br />
az összetettség <strong>és</strong> bonyolultság a feldolgozás során nő<br />
A molekulák kémiai sajátságainak kihasználásával azokat<br />
kívánt szerkezetekbe rendezzük<br />
Molekuláris önszerveződ<strong>és</strong><br />
21
Mit ígér a <strong>nanotechnológia</strong>?<br />
“Tiszta” energiaforrást (megújúló energiaforrások)<br />
Mindenki számára elérhető “tiszta” vizet (nanoszűrők)<br />
Hosszabb <strong>és</strong> eg<strong>és</strong>zségesebb emberi életet (protézisek, hatóanyag bejuttatás)<br />
A mezőgazdaság termelékenységének maximalizálását (nano-peszticidek)<br />
Hatékony, mindenki által elérhető információtechnológiát (méretcsökkent<strong>és</strong>)<br />
Az űrkutatás rohamos fejlőd<strong>és</strong>ét (űrlift)<br />
Newton RTG teleszkóp az Androméda köd vizsgálatára<br />
(0.4 nm-es felületi símaságú tükör)<br />
22
A jövő: űrlift?<br />
1m széles,<br />
papírvékony szén<br />
nanocső csík<br />
Szén nanocső<br />
Űrlift szén nanocsőből<br />
Egyenlítő<br />
környékén rögzítve<br />
Hagyományos<br />
rakétatechnikával<br />
felhúzva 100000<br />
km magasságba<br />
EC RDG: Nanotechnology, 2004<br />
23
Nanotechnológia: néhány alkalmazási terület<br />
Következő generációs számítógép chipek<br />
Jobb minőségű szigetelőanyagok<br />
Olcsó, lapos kijelzők<br />
Szívósabb <strong>és</strong> keményebb szerszámanyagok<br />
Nagy energiasűrűségű telepek<br />
Nagy érzékenységű szenzorok<br />
Fémez<strong>és</strong><br />
Vákuum üreg<br />
Szilícium diafragma<br />
Oxid<br />
Nyomásérzékelő<br />
Szilícium lapka<br />
24
Nanotechnológia: néhány alkalmazási terület<br />
Szelektív <strong>és</strong> hatékony katalizátorok<br />
Felületmódosított PE vápa<br />
Növelt élettartamú orvosi implantátumok<br />
Környezetvédelmi alkalmazások<br />
hulladékfeldolgozás<br />
emisszió csökkent<strong>és</strong><br />
anyag- <strong>és</strong> energiatakarékosság<br />
Csípőizületi protézis<br />
25
Nanotechnológia az autóiparban<br />
Önjavító festékek<br />
Könnyebb <strong>és</strong> erősebb<br />
szerkezeti anyagok<br />
Öntisztuló szélvédő<br />
Nano-r<strong>és</strong>zecskeszűrők<br />
Hatékonyabb<br />
katalizátorok<br />
Hosszú élettartamú<br />
fékek<br />
Jobb kenőanyagok<br />
Kerámia<br />
motoralkatr<strong>és</strong>zek<br />
Energiatakarékos<br />
lámpák<br />
Guminyomás érzékelők<br />
Jobb korrózióvédő<br />
bevonatok<br />
Gyorsulás érzékelők<br />
Lítium-ion telepek<br />
26
Nanotechnológia a mindennapokban<br />
Piezo szőnyegek a<br />
rezg<strong>és</strong>ek csökkent<strong>és</strong>ére<br />
Korrózióvédő<br />
nanofesték<br />
Fényszabályzó<br />
termokróm üveg<br />
Fénykibocsátó szerves<br />
diódák<br />
Biokompatibilis<br />
csipőprotézis<br />
Fotoelektromos film:<br />
fényből elektromosság<br />
Alakemlékező<br />
bukósisak<br />
Karcolásmentes,<br />
öntisztuló üveg<br />
Intelligens trikó:<br />
pulzusmér<strong>és</strong><br />
Elektronikus étlap<br />
Pillekönnyű <strong>és</strong> erős<br />
szénszálas váz<br />
Öntisztuló ruházat,<br />
antibakteriális zokni<br />
Tüzelőanyagcellás<br />
áramforrások<br />
Kompakt mágneses<br />
adattárolók<br />
Nanocsöves notebook<br />
kijelzők<br />
27
Merre tart a <strong>nanotechnológia</strong>?<br />
1. generáció (kb. 2001-ig): passzív nanoszerkezetek<br />
nanoszerkezetű bevonatok, nanor<strong>és</strong>zecskék, nanoszerkezetű fémek,<br />
katalizátorok, nanokompozitok ...<br />
2. generáció (napjaink): aktív nanoszerkezetek<br />
tranzisztorok, erősítők, célzott hatóanyagok, beavatkozók, adaptív szerkezetek,<br />
tüzelőanyagcellák ...<br />
3. generáció (kb. 2010): 3D nanorendszerek <strong>és</strong> nanorendszerek rendszerei<br />
különböző önépítkező technikák, hálózatok kialakítása nanoskálán, biomimetikus<br />
anyagok, új terápiás <strong>és</strong> hatóanyag bejuttatási módszerek ...<br />
4. generáció (kb. 2015): Molekuláris nanorendszerek<br />
tervezett molekuláris eszközök, atomi szintű anyagtervez<strong>és</strong>, új funkciók ...<br />
28
Nanotechnológia a környezetvédelemben<br />
Nanotechnológiai<br />
módszerek<br />
alkalmazása<br />
Nanoanyagok<br />
alkalmazása<br />
29
<strong>Környezetvédelem</strong> <strong>és</strong> <strong>nanotechnológia</strong><br />
Nanotechnológia a környezetszennyez<strong>és</strong> felszámolásáért<br />
Környezeti monitoring: NEMS <strong>és</strong> egyéb nanoeszközök<br />
Környezetszennyez<strong>és</strong> felszámolása (szűrők, membránok)<br />
Nanoanyagok a hulladékfeldolgozásban (katalizátorok)<br />
Nanotechnológia a haditechnikában<br />
Piezoelektromos nanoérzékelő<br />
(robbanóanyagok, biológiai fegyverek kimutatása)<br />
30
<strong>Környezetvédelem</strong> <strong>és</strong> <strong>nanotechnológia</strong><br />
Nanotechnológia a gazdaságban <strong>és</strong> az eg<strong>és</strong>zségügyben<br />
Nanoanyagok tiszta termel<strong>és</strong>e <strong>és</strong> felhasználása<br />
Nanoanyagok a csúcstechnológiákban<br />
Nanoanyagok kozmetikumokban <strong>és</strong> élelmiszerekben<br />
Nanoanyagok az eg<strong>és</strong>zségügyben <strong>és</strong> a gyógyításban<br />
TiO2 nanor<strong>és</strong>zecskéket tartalmazó,<br />
UV szűrő napkrémek<br />
31
<strong>Környezetvédelem</strong> <strong>és</strong> <strong>nanotechnológia</strong><br />
Nanotechnológia a fenntartható jövő érdekében<br />
Új, tiszta <strong>és</strong> hatékony energiatermel<strong>és</strong> <strong>és</strong> felhasználás<br />
Új, hordozható energiaforrások<br />
Nanokatalízátorok a környezetterhel<strong>és</strong> csökkent<strong>és</strong>ére<br />
Nanopórusos anyagok a vízkezel<strong>és</strong>ben<br />
Pórusos fém nanor<strong>és</strong>zecskék<br />
hidrogén tárolására (BASF)<br />
32
Néhány példa r<strong>és</strong>zletesebben<br />
Nanoanyagok, nanotechnológiák<br />
Hulladékfeldolgozás, remediáció<br />
Környezetterhel<strong>és</strong> csökkent<strong>és</strong>e<br />
Energia- <strong>és</strong> anyagtakarékosság<br />
Alapvetően új anyagok/technológiák<br />
Talajvíz tisztítása nanoméretű vasr<strong>és</strong>zecskékkel<br />
Arany nanokatalizátorok<br />
Tüzelőanyagcellák, új belsőég<strong>és</strong>ű motorok<br />
Fullerének<br />
33
Hulladékfeldolgozás, remediáció<br />
34
Talajvíz tisztítása vas nanor<strong>és</strong>zecskékkel<br />
Alapelv: a fém vas könnyen oxidálódik<br />
A vele érintkező mérgező szerves anyagokat eközben<br />
lebontja sokkal kev<strong>és</strong>bé veszélyes vegyületekké<br />
A vele érintkező veszélyes fémek (Pb, Ni, Hg, U)<br />
redukálódnak <strong>és</strong> oldhatatlanná válnak<br />
35
Talajvíz tisztítása vas nanor<strong>és</strong>zecskékkel<br />
Szennyezőforrás<br />
Vas nanor<strong>és</strong>zecskék<br />
beadagolása<br />
Vas nanor<strong>és</strong>zecske<br />
Műtrágyák (pl. nitrátok)<br />
átalakítása<br />
Szerves oldószerek (CCl4,<br />
C2Cl4) klórmentesít<strong>és</strong>e<br />
Technológiai kivitelez<strong>és</strong><br />
Peszticidek (Lindán, DDT)<br />
lebontása<br />
Fémek (Pb, Cr, As)<br />
rögzít<strong>és</strong>e<br />
US National Nanotechnology Initiative, 2006<br />
36
Környezetterhel<strong>és</strong> csökkent<strong>és</strong>e<br />
37
Emissziócsökkent<strong>és</strong> Au nanokatalizátorral<br />
M. Haruta, 1987: Au/oxid nanor<strong>és</strong>zecskék már 20 o C körül<br />
katalizálják a CO oxidációját<br />
2 CO + O2 = 2 CO2<br />
R. Bursch, 2006: Au/oxid nanor<strong>és</strong>zecskék a következő<br />
reakciót is katalizálják 20 o C közelében<br />
CO + H2O = H2 + CO2<br />
2 nm-es Au nanor<strong>és</strong>zecske<br />
38
CO oxidáció Au nanokatalizátoron<br />
A CO oxidáció aktiválási<br />
energiái Au10 klaszteren<br />
A katalítikus hatás méretfüggő!<br />
B. Hvolbaek et al, Nanotoday, August 2007<br />
39
Emissziócsökkent<strong>és</strong> Au nanokatalizátorral<br />
A kezdeteknél tartunk<br />
FONTOS: az Au nanor<strong>és</strong>zecskék más reakciókat is katalizálnak<br />
szobahőmérsékleten, vagy alatta<br />
Következmények<br />
energiamegtakarítás<br />
szobahőmérsékletű enzimkatalízishez hasonló folyamatok<br />
széles alkalmazási lehetőségek<br />
40
Energia- <strong>és</strong> anyagtakarékosság<br />
41
SOFC: szilárd oxid tüzelőanyagcella<br />
Elektromos áram<br />
Energiaforrás: H2, CH4 ...<br />
Üzemanyag<br />
Levegő<br />
Alapelv: hidrogén ellenőrzött<br />
oxidációja<br />
A felszabaduló elektronokat<br />
kivezetjük a rendszerből:<br />
Üzemanyag<br />
felesleg <strong>és</strong> víz<br />
El nem<br />
használt<br />
gázok<br />
kémiai energiát elektromos<br />
energiává alakítunk át<br />
Anód<br />
Elektrolit<br />
Katód<br />
Hatásfok: 90% körül<br />
42
SOFC<br />
Elektrolit:<br />
nanoszerkezetű oxidkerámia (stabilizált ZrO2)<br />
ionvezető sajátságú<br />
Elektródok: különleges nanokerámiák<br />
Anód: katalizátorként működik<br />
Működ<strong>és</strong>i hőmérséklet: 600-800 o C<br />
43
Egy megvalósult alkalmazás<br />
Üzemanyag<br />
Levegő<br />
H2-gazdag<br />
gázelegy<br />
Távozó vízgőz<br />
Tüzelőanyagcellás Opel Zafira<br />
Üzemanyag<br />
feldolgozó<br />
Hidrogén<br />
Oxigén<br />
bevezet<strong>és</strong><br />
Működ<strong>és</strong>i elv<br />
44
Anyagelőállítás nagy energiasűrűségű térben<br />
Szilárd alapanyag Gőzképződ<strong>és</strong> Molekula klaszterek Nanokristályok<br />
Villamos energia Reaktív gázok Gáz-gőz lehűt<strong>és</strong>e<br />
45
RF termikus plazmareaktor az MTA KK AKI-ban<br />
3-5 MHz, 30 kW<br />
TEKNA PL-35 égő<br />
46
RF termikus plazmareaktor az MTA KK AKI-ban<br />
3-5 MHz, 30 kW<br />
TEKNA PL-35 égő<br />
300<br />
1380<br />
2460<br />
3530<br />
4500<br />
5890<br />
6760<br />
7840<br />
8920<br />
10000<br />
11080<br />
11620<br />
46
Si3N4 nanopor szintézise<br />
1500 o C/6h/Ar<br />
500 nm<br />
Átlagos szemcseméret: 60 nm<br />
MTA KK AKI, 2003<br />
47
SiC tűkristályok növeszt<strong>és</strong>e szénszálakon<br />
6. minta<br />
Szénszál<br />
8. minta<br />
MTA KK AKI, 2007<br />
48
Kerámia alkatr<strong>és</strong>zeket tartalmazó motor<br />
Jobb tribológiai jellemzők<br />
Hosszabb élettartam<br />
100-150 o C-kal magasabb Tég<strong>és</strong><br />
10-15%-os üzemanyag megtakarítás<br />
49
Kerámia alkatr<strong>és</strong>zeket tartalmazó motor<br />
Diesel adagoló fúvóka<br />
30-50 nm vastag, gyémántszerű<br />
kopásálló bevonat<br />
Jobb tribológiai jellemzők<br />
Hosszabb élettartam<br />
100-150 o C-kal magasabb Tég<strong>és</strong><br />
10-15%-os üzemanyag megtakarítás<br />
49
Nanotechnológiai alkalmazásokból eredő<br />
energiamegtakarítások az USA-ban<br />
Nanotechnológiai alkalmazás Megtakarítás (%)<br />
Erős, könnyű anyagok a közleked<strong>és</strong>ben 6,2<br />
Szilárdtest világítók (fehérfényű LED) 3,5<br />
Önoptimáló motorrendszerek (intelligens érzékelők) 2,1<br />
Intelligens tetők (hőmérséklet-függő visszaverőd<strong>és</strong>) 1,2<br />
Új, energiahatékony elválasztó membránok 0,8<br />
Energiahatékony desztilláció szupergyors folyamatirányítással 0,3<br />
Az ipari katalízis molekulaszintű szabályozása 0,2<br />
Átviteli hálózatok vezetőképességének növel<strong>és</strong>e 0,2<br />
Összesen 14.5<br />
M. Brown: AAAS Annual Meeting, Washington, DC, 2005<br />
50
Új anyagok/technológiák<br />
C60<br />
Buckminster fullerén (Buckyball)<br />
12 ötszög + 20 hatszög<br />
51
Fullerén szintézis - feldolgozás - elemz<strong>és</strong><br />
Plazma<br />
Extrakció<br />
10 μm<br />
Ar/He<br />
1 μm<br />
(toluol)<br />
Grafitpor<br />
Fullerén korom<br />
Elválasztás<br />
Fullerének<br />
C60<br />
C70<br />
C84<br />
MTA KK AKI, 2005<br />
52
Fullerének alkalmazási lehetőségei<br />
Mágneses<br />
adatrögzít<strong>és</strong><br />
Információs<br />
technológiák<br />
Fotóeszközök<br />
Nem lineáris<br />
optikai elemek<br />
Diagnosztika<br />
Biológia<br />
Gyógyászat<br />
Elektromos<br />
eszközök<br />
Gyógyszerek<br />
Szupravezetők<br />
<strong>Környezetvédelem</strong><br />
Ipari<br />
alkalmazások<br />
Szenzorok<br />
Gázelválasztás<br />
Gáztárolás<br />
Energetika<br />
Szállítás<br />
Tüzelőanyag cellák<br />
Napelemek<br />
Katalizátorok<br />
Gyémánt<br />
Kenőanyagok<br />
53
Néhány zárógondolat<br />
Igényeinket a környezet nyújtotta lehetőségekhez kell<br />
igazítani<br />
Váltásra van szükség<br />
technológiai vonatkozásban<br />
szemléletmódban<br />
A <strong>nanotechnológia</strong> elveinek <strong>és</strong> gyakorlatának alkalmazása<br />
<strong>és</strong> továbbfejleszt<strong>és</strong>e ehhez segítséget nyújt<br />
54
Change language