Нанотехнологии. Правда и вымысел

В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, на все обрабатываемые площади. При этом загрязняющие вещества попадают в атмосферу на высоте до 4 м от уровня почвы, что повышает их экологическую опасность.

На первом месте по количественному содержанию и степени отрицательного воздействия на человека, животный и растительный мир стоят газообразные выбросы мобильной техники. В глобальном масштабе автотракторным парком в мире выбрасывается в атмосферу 20–27 млн т оксида углерода, 2–2,5 млн т углеводородов, 6–9 млн т оксида азота, 200–230 млн т оксида углерода (IV), а также до 100 тыс. т сажи. В Российской Федерации только дизелями тракторов и комбайнов выбрасывается свыше 5 млн т вредных веществ в год.

Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альдегиды, оксид углерода (II) и углеводороды. Степень их воздействия на человеческий организм зависит от концентрации вредных соединений в атмосфере, состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Одно из первых мест в общем уровне токсичности занимает сажа, так как, во-первых, ее выбросы значительны (определяют повышенную дымность) и достигают по массе 1 % от расхода топлива, во-вторых, она выступает в роли накопителя полициклических ароматических углеводородов (ПАУ). Выбросы сажи дизелем 6Ч 15/18 в смену достигают 1,2–1,6 кг, а дизелем 6Ч 13/14 — до 3 кг. Наличие сажи в отработавших газах (ОГ) приводит к появлению неприятных ощущений, загрязненности воздуха и ухудшению видимости. Частицы сажи высокодисперсны (диаметр — 50-180 нм, масса — не более 10–10 мг), поэтому они долго остаются в воздухе, проникают в дыхательные пути и пищевод человека. Подсчеты показывают, что частицы сажи размером до 150 нм могут находиться в воздухе во взвешенном состоянии около восьми суток. Если относительно крупные частицы сажи размером 2-10 мкм легко выводятся из организма, то мелкие (размером 50-200 нм) задерживаются в легких и вызывают аллергию.

Высокое содержание сажи (20–90 %) обычно для частиц в ОГ дизельных двигателей. Частицы сажи сформированы в так называемой газовой стадии и вызваны неполным процессом сгорания. При этом частицы меньше 50 нм, обнаруживаемые в дизельной эмиссии, в основном образованы из серы, которая все еще входит в состав дизельного топлива.

Касаясь важнейшей проблемы защиты человека и окружающей среды, следует рассматривать не столько возможные негативные последствия, сколько положительное влияние, которое нанотехнологии могут оказать на развитие окружающей среды и здоровье человека.

Рассматривая экологическую проблему больших городов, отдельных помещений и целых городских массивов, следует еще раз вспомнить работы А. Л. Чижевского. В 1933 году им было экспериментально установлено, что направленный поток аэроионов убивает микроорганизмы и осаждает пыль из воздуха, очищая его от основных загрязнений.

Полученные Чижевским опытные результаты и созданный им прибор по искусственной генерации легких ионов кислорода воздуха отрицательной полярности (электроэффлювиального аэроионизатора — знаменитая люстра Чижевского) нашли применение в современной медицине (аэроионотерапия), сельском хозяйстве, промышленной и бытовой гигиене. Во многих офисных помещениях можно встретить достаточно простые приборы, основанные на данном принципе, которые создают эффект горного воздуха и помогают людям справляться с многочисленными экологическими проблемами больших городов.

На аналогичных принципах в настоящее время разрабатываются устройства синтеза озона (с размерами частиц 1,5 нм в коронном электрическом разряде) непрерывного действия, используемые для поточной технологии очистки и обеззараживания рециркуляционного и внутреннего вентиляционного воздуха в системах микроклимата животноводческих помещений. Эти устройства позволяют снизить энергозатраты до 60 %, улучшить экологию внутри и вне зданий животноводческих ферм и повысить продуктивность животных на 5-10 %.

В Калифорнийском институте наносистем (California NanoSystems Institute) в лаборатории профессора химии Омара Яги (Omar Yaghi) завершены исследования синтетических высокопористых цеолитных материалов, которые селективно отбирают углекислый газ из газовой смеси и надежно удерживают его в своих многочисленных порах — 83 л СО2 в одном литре материала.

Как известно, цеолиты — большая группа близких по составу и свойствам минералов — это водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов со стеклянным или перламутровым блеском. Так вот, лишенный воды цеолит представляет собой нанопористую кристаллическую «губку» с общим объемом пор до 50 % всего объема минерала (рис. 80).

Рис. 80. Молекулярная структура цеолита с диаметром пор от 0,3 до 1 нм

Цеолиты имеют строго определенный диаметр входных отверстий (от 0,3 до 1 нм в зависимости от вида минерала) и являются высокоактивным адсорбентом.