Filtry powietrza na bazie nanotechnologii – zastosowanie i skuteczność - Ekologia.pl
Ekologia.pl Styl życia Jak nowoczesne filtry powietrza z nanotechnologią walczą ze smogiem?

Jak nowoczesne filtry powietrza z nanotechnologią walczą ze smogiem?

Nanotechnologia to jeden z największym przełomów współczesnej nauki. Coraz więcej wskazuje na to, że może być ona cenną bronią w walce z postępującą zmianą klimatu. A według Światowej Organizacji Zdrowia 1 na 9 przedwczesnych śmierci jest dziś związana z chorobami wynikającymi z zanieczyszczenia powietrza. W jaki sposób nano-filtry mogą pomóc i na czym polega ich działanie? Poznaj najciekawsze przykłady ze świata…

Nanotechnologia ma pomóc w redukcji smogu w miastach

Nanotechnologia ma pomóc w redukcji smogu w miastach, fot. ckstockphoto/envato
Spis treści

Nanotechnologia w produkcji filtrów

Zastosowania nanotechnologii w nauce i przemyśle są bardzo szerokie, ale zasada jest jedna i ta sama – zejście do najmniejszej możliwej skali, czyli cząstek o wielkości od 1 do 100 nanometrów. Często oznacza to wykorzystanie materiałów o szerokości lub grubości 5-10 atomów!  W przypadku filtrów nanomateriały są szczególnie korzystne, gdyż umożliwiają pochwytywanie najmniejszych możliwych zanieczyszczeń fizycznych. Dodatkowo wysoka reaktywność nanocząsteczek zwiększa skuteczność w absorbowaniu najbardziej problematycznych substancji.

Nanotechnologia najczęściej stosowana jest w produkcji filtrów do wody i ścieków. Węglowe nanorurki wykorzystywane są m.in. do usuwania materii organicznej, substancji powierzchniowo czynnych takich jak detergenty myjące, hydroksybenzenu czy ftalatów. W filtrach wykorzystuje się nanocząsteczki tlenku cynku, żelaza, srebra koloidalnego, tlenku miedzi i tytanu oraz grafenu.

Te same materiały znajdują zastosowanie w urządzenia i filtrach do oczyszczania powietrza, zarówno we wnętrzach, jak i poza nimi. W tym przypadku największym wyzwaniem jest usuwanie z atmosfery tlenków azotu, tlenków siarki, pyłów oraz organicznych związków lotnych, a więc substancji obecnych w miejskim smogu, które wyjątkowo niekorzystnie oddziałują na ludzkie zdrowie.

Nanotechnologia

Nanotechnologia może być wykorzystywana w wewnętrznych filtrach do powietrza, fot. Sewcream/envato

Nanofiltry do oczyszczania powietrza

Wykorzystanie nanotechnologii do oczyszczania powietrza początkowo skoncentrowane było na wnętrzach. Impulsem do rozwoju stała się w tym przypadku pandemia Covid-19, która uzmysłowiła nam, jak łatwo patogeny roznoszą się drogą kropelkową. Cząsteczki wirusa o wielkości ok. 100 nm okazały się łatwo przenikać przez większość klasycznych filtrów. Nanowłókna polifluorku winylidenu zdołały tymczasem zatrzymać aż 90% patogenów.

Coraz większym problemem jest jednak jakość powietrza na ulicach miast – dostaje się ono do mieszkań przez okna i wdychane jest podczas przebywania na zewnątrz. Smog, czyli mieszanina troposferycznego ozonu, tlenków azotu i siarki, pyłów i amoniaku, stwarza szczególne zagrożenie dla dróg oddechowych. Pył zawieszony tymczasem to cząsteczki o wielkości 2,5 do 10 nm, które bardzo trudno jest wychwycić z powietrza. Nanostruktury węglowe wykorzystane w filtrach okazują się w tym zakresie bardzo skuteczne, a dodatkowo efektywnie usuwają również metale ciężkie. Wielki potencjał wykazują również nanowłókna celulozowe, które bardzo skutecznie eliminują pyły zawieszone PM, szkodliwe tlenki siarki i azotu, a nawet tlenek węgla, a dodatkowo są biodegradowalne.

Krokiem na przód w kierunku lepszej filtracji okazało się również wykorzystanie polaryzacji i elektrostatycznych ładunków na powierzchniach polimerów wykorzystywanych do produkcji nanowłókien (tzw. elektroprzędzenie). W rezultacie jeszcze skuteczniej potrafimy wychwytywać dziś cząsteczki pyłów. W wielu eksperymentach nanofiltry na bazie kompozytów okazują się bardziej skuteczne niż filtry HEPA.

Zanieczyszczenia powietrza wychwytywane przez nanofiltry

Zanieczyszczenia powietrza wychwytywane przez nanofiltry; opracowanie własne

Przykłady wykorzystania nanofiltrów

Tkaniny z polimerowych nanowłókien są już stosowane do produkcji respiratorów oraz moskitier na okna. Ceramiczne nanowłókna okazują się natomiast przydatne w oczyszczaniu powietrza wydostającego się z rur wydechowych i kominów zakładów przemysłowych. Testowana w Londynie technologia opracowana przez firmę Airlabs umożliwia wyraźne zmniejszenie poziomu dwutlenku azotu we wnętrzu samochodów o nawet 70-95%. Spaliny groźne są bowiem również dla kierowców i pasażerów aut osobowych.

Największy w Europie system oczyszczania powietrza za pomocą nanostruktur stworzyli Czesi. Działająca w Ostrawie instalacja dziennie filtruje ponad 82 mln m3 powietrza, co można przyrównać do „pracy” 2 tysięcy dużych drzew. W ciągu doby tym sposobem pochłaniane są emisje tlenku węgla, które wyprodukowałoby 335 samochodów o napędzie diesla lub tysiąc aut benzynowych. Technologia opracowana przez firmę Linde Gas stosowana jest również na Słowacji, a kolejne kraje zgłaszają swoje zainteresowanie.

W Hong Kongu w ramach pilotażowego projektu zainstalowano oczyszczacze do powietrza wzdłuż ulic. Urządzenia wykorzystują nanomateriały o właściwościach katalitycznych i okazują się skuteczne w redukcji emisji z rur wydechowych – od 3-10% dla pyłów zawieszonych do nawet 45% dla tlenku azotu.

Bardzo obiecująco przedstawia się również technologia opracowana przez Instytut Wyss i Szkołę Inżynierii w Harvardzie. Inspirowane nanostrukturą motylich skrzydeł powłoki mogą być wykorzystane w różnego rodzaju filtrach wewnętrznych i zewnętrznych, a także w katalizatorach samochodowych. Na jej bazie powstały już komercyjne filtry do oczyszczania powietrza, które nie tylko usuwają pyły, organiczne związki lotne, wirusy, bakterie i pleśni, ale także samoczynnie się oczyszczają przekształcając wyłapane w bezpieczne produkty uboczne, m.in. wodę.

Opracowano już nanopowłoki na cement

Opracowano już nanopowłoki na cement, które wychwytują zanieczyszczenia powietrza, fot. aowsakornprapat/envato

Cement, który zjada smog, czyli nanomateriały i fotokataliza

Graphene Flagship to międzynarodowy koncern badawczo-przemysłowy obejmujący m.in. uniwersytety w Bolonii i Cambridge, politechniki w Mediolanie i Eindhoven, Izraelski Instytut Technologiczny oraz Italcementi HeidelbergCement Group, będący drugim największym producentem cementu na świecie. Dzięki współpracy udało się stworzyć nowy kompozyt grafenowo-tytanowy, który dodany do cementu, pozwala unieszkodliwiać smog w miastach!

Jak to działa? Oparta na nanocząsteczkach grafenu i tytanu warstwa zewnętrzna pod wpływem promieniowania słonecznego utlenia szkodliwe dla człowieka tlenki azotu oraz lotne związki organiczne. Rezultatem tej fotokatalizy jest powstanie nieaktywnych lub nieszkodliwych związków, które spłukiwane są deszczem do kanalizacji. Nowy nanomateriał okazuje się być 70% bardziej efektywny niż stosowane wcześnie nanopowłoki z samym tytanem i pozwala wydatnie ograniczać zanieczyszczenie powietrza.

Autorzy wynalazku zapewniają, że nowe powłoki mogą być wykorzystane nie tylko na cemencie, ale także innych materiałach. Ich aplikacja jest bardzo prosta, a sam proces oczyszczania powietrza nie wymaga zużycia energii elektrycznej, co jest ogromną zaletą.

Wszystko wskazuje na to, że nanocząsteczki, nanowłókna i nanotkaniny staną się niedługo standardem w oczyszczaniu powietrza, a przy odpowiednio dużej skali i ekologicznym zapleczu (wykorzystaniu odnawialnej energii i surowców wtórnych lub biodegradowalnych) będą w stanie odmienić oblicza naszych miast.

Nanotechnologia w ochronie środowiska – pytania i odpowiedzi

W czym nanofiltry są lepsze od tradycyjnych filtrów powietrza?

Nanofiltry umożliwiają wychwytywanie mniejszych cząsteczek i lepiej je absorbują.

Co to jest fotokataliza?

Fotokataliza to proces, które wykorzystuje światło słoneczne do przyspieszania reakcji chemicznych.

Jak wykorzystuje się nanotechnologię do ochrony środowiska?

Oprócz oczyszczania wody, ścieków i powietrza, nanomateriały służą też do adsorpcji i degradacji szkodliwych związków, monitoringu środowiska i wykrywania zagrożeń, odsalania wody czy konwersji energii słonecznej.

 

Bibliografia
  1. „The Biggest Air Filter in Europe: Linde Gas in Czechia”, Daniel B, https://fn-nano.com/2021/01/29/the-biggest-air-filter-in-europe-linde-gas-in-czechia/?lang=en, 18/12/2024;
  2. “China has built the ‘world’s largest air purifier’ to battle smog” World Economic Forum, https://www.weforum.org/stories/2018/02/china-has-built-the-world-s-largest-air-purifier-to-battle-smog/, 18/12/2024;
  3. “TriboNano shield – Scalable manufacturing anti-smog multi-level structured nanofiber air filter with co-enhanced purification performance towards self-powered window screen”, Mengjuan Zhou i in., https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523010674, 18/12/2024;
  4. “Investigating the effectiveness of nanotechnologies in environmental health with an emphasis on environmental health journals” Zahra Aghalari i in., https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC8436489/, 18/12/2024;
  5. “Smog-eating graphene reduces pollution” https://nano-magazine.com/news/2019/12/3/smog-eating-graphene-reduces-pollution, 18/12/2024;
  6. “Application of nanotechnology in air purifiers as a viable approach to protect against Corona virus” Ali Mahmoudi i in., https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC10288363/, 18/12/2024;
Oceń artykuł
Post Banner Post Banner
Subscribe
Powiadom o
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments