News image News image News image News image News image News image News image News image


Нанотехнологий, экология и сельское хозяйство
Энциклопедия - Возникновение и развитие нанонауки

«Мы все ближе к открытию наукой Бога, поэтому я содрогаюсь, думая о его судьбе».
Станислав Ежи ЛЕЦ. польский поэт, писатель-сатирик

Основными направлениями использования нанотехнологий и наноматериалов в сельском хозяйстве являются биотехнология, прежде всего это относится к генной инженерии, производству и переработке продукции агропромышленного комплекса, очистке воды, а также проблемам качества продукции и защиты окружающей среды.

В отличие от промышленных и автотранспортных выбросов, загрязняющих атмосферу, выбросы мобильной сельскохозяйственной техники распространяются, хотя и неравномерно, но 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 оксидов азота, 200-230 млн т диоксида углерода, а также до 100 тыс. т сажи. В Российской Федерации только дизелями тракторов и комбайноЕ выбрасывается свыше 5 млн т вредных веществ в год.

Наиболее опасны сажа, бензапирен, оксиды азота, альде гиды, 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 б х 15/18 в смену достигают 1,2—1,6 кг, а дизелем 6 х13/14 —доЗкг. 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 се-ры, которая все еще входит в состав дизельного топлива.

Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.

Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов, предлагает концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. После израсходования всего порошка топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.

По мнению Дэвида Бича ( David Beach), руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Ок-риджа штата Теннесси (США), металлическое топливо, подобно водороду, — источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Такое топливо можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.

Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии, чем в современном бензиновом двигателе.

Большие частицы металла не воспламеняются до тех пор, пока не будут нагреты до точки кипения металла, при которой металлический пар воспламеняется с образованием металлических оксидов. В тоже время, этот процесс приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и образованию большого количества оксидов азота. Металл в виде наночастиц сгорает значительно быстрее и полнее при более низких температурах без стадии газового горения.

Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночасти-цы можно было получать по разумной стоимости.

Главная проблема двигателя на металлическом топливе — достаточно большой вес топлива, даже с учетом его большей энергетической емкости. Объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля, эквивалентный 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.

Бор и углерод — соседи по таблице Менделеева, оба элемента — неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов небольшие. Главное следствие этого сходства — быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия — это, по существу, химия углеводородов и их производных.

Удельная теплота сгорания бора (59,4 МДж/кг почти вдвое больше, чем углерода (32,7 МДж/кг). При замене углеводородных видов топлива бороводородными в воздушно-реактивных двигателях при заданной дальности полета самолета можно уменьшить его габариты, увеличить полезную нагрузку и сократить разбег при взлете.

В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточных двигателей содержится до 50% бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максимально объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.

В то же время нанотехнологии несут ряд реальных и потенциальных опасностей. Так, в 2002 году американское Агентство по защите окружающей среды ( EPA) t NASA и международная неправительственная группа по защите прав человека в технологическую эру ( ETC Group) по результатам совместного исследования заявили, что вдыхание нанотрубок, которому случайно подверглась группа астронавтов, привело к заболеванию легких. Такие углеродные трубки весьма похожи по негативному воздействию на обычную сажу. Кроме того, наночастицы могут легко проникать в клетки через поры их стенок и накапливаться в органах.

В то же время показано, что наночастицы очень опасны для мембран клеток. Так, например, эпителиальные клетки человека и клетки печени были разрушены наполовину через 48 ч при выдерживании их в сильно разбавленном (до 20 частей на миллиард) растворе фуллеренов. Однако установлен возможный путь предотвращения потенциального токсического действия этих молекул: чем больше гидроксиль-ных групп связано с молекулами фуллеренов, тем менее токсичными они становятся (до 10 млн раз). Проблема лишь в том, что модифицированные фуллерены могут восстановить токсичность, например, под действием ультрафиолетовых лучей, разрушающих гидроксигруппы.

При работе с наноматериалами рекомендуется использовать специальные средства защиты органов дыхания и рук. Учитывая высокую проникающую способность наночастиц, кожные покровы целесообразно защищать специальными кремами, создающими буферные слои на поверхности.

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.

Важнейшей проблемой является повышение урожайности в сельском хозяйстве. Согласно статистике, численность мирового населения в настоящее время составляет около 6,5 млрд человек, а к 2050 году достигнет 8,9 млрд, что вызовет существенное увеличение потребления продуктов питания.

Предполагается, что применение нанотехнологии позволит изменить технику возделывания земель за счет использования наносенсоров, нанопестицидов и системы децентрализованной очистки воды. Нанотехнологии сделают возможным лечение растений на генном уровне, позволят создать высокоурожайные сорта, особо стойкие к неблагоприятным экологическим условиям.

В растениеводстве применение нанопорошков, совмещенных с антибактериальными компонентами, обеспечивает повышение устойчивости к неблагоприятным погодным условиям и приводит к двукратному повышению урожайности многих продовольственных культур, например картофеля, зерновых, овощных и плодово-ягодных.

Нанотехнологии в сельском хозяйстве могут успешно применяться для оптической расшифровки белково-липид-но-витаминно-хлорофильного комплекса в растениеводстве (табл. 7), а также для создания биосовместимых материалов; перестройки, облагораживания и восстановления тканей; создания неотторгаемых организмом искусственных тканей и сенсоров (молекулярно-клеточная организация) в животноводстве и для снижения вредного воздействия автотракторного парка на природную среду.

>Таблица 7. Идентификация сортовых нанопризнаков методами оптической флуоресценции и отражения

Объект распознавания

Спектр воздействия,нм

Спектр регистрации, нм

Белковые структуры

260-295

310...380

Липиды и витамины

310-325

380...500

Пигменты и хлоропласты

430-465

600...800

Крахмал

380-720,1690-2200

380...720, 1690, 1930, 2200

Болезни корнеклубней и неорганические объекты

700-2000

720,910,980,1100, 1200, 1440, 1750

Израстание столонов

430-450

640,683

Динамика накопления урожая

280-300

468, 520

Зрелость, заживляем ость, сохранность и всхожесть корнеклубней

430-450

640,678,730

Продуктивность семян растений

430-450

640, 678, 730

В животноводстве нанодобавки находят широкое применение в приготовлении кормов, где обеспечивают повышение продуктивности животных в 1,5—3 раза, а также способствуют повышению их сопротивляемости инфекционным заболеваниям и стрессам. Наноразмер частиц кормовых добавок позволяет не только значительно снизить их расход, но и обеспечить более полное и эффективное усвоение животными.

Огромное значение имеет применение нанотехнологии для очистки и дезинфекции воды. Внедрение мембранных систем очистки, а также специальных биоцидных покрытий и материалов на основе серебра способствует упрощению и повышению качества содержания сельскохозяйственных животных, обеспечению их качественной питьевой водой.

Не менее актуальна проблема обеспечения человечества достаточным количеством питьевой воды. Запасы пресной воды, пригодной для использования, составляют всего 3%, из которых только 1% потребляется населением Земли. В настоящий момент 1,1 млрд человек не имеют возможности использовать чистую пресную воду. Принимая во внимание текущие объемы потребления воды, рост населения и развитие промышленности, к 2050 году две трети населения Земли будут испытывать недостаток в пригодной для употребления пресной воде.

Следует ожидать, что нанотехнологии позволят найти решение этой проблемы за счет использования, в том числе, недорогой децентрализованной системы очистки и опреснения воды, систем отделения загрязняющих веществ на молекулярном уровне и систем фильтрации нового поколения.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Применение нанотехнологий

Нанотехнологии в пламени свечи

News image

Углеродные наночастицы (CNP) являются побочным продуктом производства углеродных нанотрубок (CNT). Однако и они могут оказаться по...

Нанопокрытие оставит без работы мойщиков

News image

Ученые из Тель-Авивского Университета уверены, что недавно проведенные ими исследования в области нанотехнологий может оставить бе...

Блок-сополимеры (block-copolymers)

News image

Воображение древних людей породило множество мифологических чудовищ, сочетавших в себе части разных животных. Читая «Мифы Др...

Что такое композитные материалы

News image

Многокомпонентные материалы, состоящие, как правило, из пластичной основы (матрицы), армированной наполнителями, обладающими высокой прочностью, жесткостью и ...

Фракталы

News image

Нравится ли вам смотреть на ночные молнии или представлять синии всполохи ветвящихся разрядов электрического оружия на...

Соломинка жизни — единственный источник

News image

Lifestraw («соломинка жизни»), переносная система фильтрации питьевой воды, завоевала главный приз на пятом конкурсе Идей, Ме...

Нанотехнологии в современных системах во

News image

Не секрет, что применение высоких технологий в современной военной технике является залогом успешного ведения боевых де...

Нанотехнологии помогут Ford снизить вес

News image

Ford надеется использовать наночастицы во множестве ключевых областей разработки транспортных средств — от облегченных пластиков дл...

Новости нанотехнологий

Кремниевые нанотрубки выращивают без применения золота

Кремниевые нанопроволоки помогут уменьшить размеры микрочипов. Ученые из Института Физики микроструктур Макса Планка в Галле впервые разработали нанопроволоки на кре...

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из

Казавшаяся трудноразрешимой задача придания изделиям из графена желаемой формы оказалась подвластна капелькам воды – о пластичности графеновых наноструктур сообщают химики из...

Влияние полярности электрического поля на рост вертикал

Одно из наиболее перспективных направлений использования углеродных нанотрубок (УНТ) связано с разработкой холодных полевых эмиттеров на их основе. Уникальные особенности та...

Наноальтернатива таблеткам

  Одним из первых медицинских применений нанотехнологии стало разработанное учеными из США быстродействующее лекарство от импотенции, которое сможет соперничать таблетками Частицы препарата ...

Композиты медицинские «MBM — ЛН»

Справка о применении в клинической практике композитного материала «MBM — ЛН» Композитный материал «MBM — ЛН» представляет собой ткань черного цвета. Развитая по...

More in: Технологии, Наноматериалы, Наномедицина, НаноТехника , Новости

Популярные заметки:

Космический лифт и нанотехнологии

От фантастики к реальности КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ - это лента, один конец которой присоединен к поверхности Земли, а другой находится на...

Ученые Северной Каролины разрабатывают гибкие антенны

Антенны не только для того, чтобы слушать радио. Они используются во всем, начиная с сотовых телефонов и заканчивая GPS. Исследование го...

Бактерии приводят в движение крошечные наномеханизмы

Шестерни в миллион раз более массивные, чем бактерии , говорит главный исследователь Игорь Аронсон. Возможность использовать и контролировать эне...

В США поступил в продажу солнечный стол

Новости по теме: Мобильный телефон повысит рождаемостьВ Британии поступил в продажу сверхлегкий ноутбукВыпущен двухтерабайтный винчестер В Америке в продажу поступил солнечный ст...

Немецкий лазерный пинцет удостоен американской премии

Немецкая компания JPK Instruments (Берлин) была удостоена американской премии Prism Award for Photonics Innovation. Всего международное жюри оценивало более 135 прод...

Your are currently browsing this site with Internet Explorer 6 (IE6).

Your current web browser must be updated to version 7 of Internet Explorer (IE7) to take advantage of all of template's capabilities.

Why should I upgrade to Internet Explorer 7? Microsoft has redesigned Internet Explorer from the ground up, with better security, new capabilities, and a whole new interface. Many changes resulted from the feedback of millions of users who tested prerelease versions of the new browser. The most compelling reason to upgrade is the improved security. The Internet of today is not the Internet of five years ago. There are dangers that simply didn't exist back in 2001, when Internet Explorer 6 was released to the world. Internet Explorer 7 makes surfing the web fundamentally safer by offering greater protection against viruses, spyware, and other online risks.

Get free downloads for Internet Explorer 7, including recommended updates as they become available. To download Internet Explorer 7 in the language of your choice, please visit the Internet Explorer 7 worldwide page.