Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Применение наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Применение наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах"

На правах рукописи

ЗОТОВ Павел Сергеевич

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНОГО НУЛЬ-ВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНОЙ СРЕДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

Специальность: 03.02.08 - Экология (в энергетике)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ЯНВ 2013

Москва 2012

005048205

Работа выполнена в Московском государственном открытом университете им. В. С. Черномырдина

Научный руководитель:

доктор технических наук Ибрагимов Ильдар Маратович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шевердяев Олег Николаевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Голышев Владимир Дмитриевич

Ведущая организация:

«Аквахим»

Защита диссертации состоится 22 января 2013 г. в 15 час. в ауд. 106 на заседании диссертационного совета Д 212.137.01 при Московском государственном открытом университете им. В. С. Черномырдина по адресу: 107996, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета им. В. С. Черномырдина.

Автореферат разослан 19 декабря 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Постоянное антропогенное воздействие на природу приводит к нарушению экологического равновесия в природе. Урбанизация и сопутствующие ей факторы (развитие потребительского общества, легкомысленное отношение к экологии, колоссальное использование природных ресурсов при малом проценте восстановления) приводят к истощению природных ресурсов, а также к грандиозным по своим масштабам техногенным катастрофам, так или иначе затронувшим население всей планеты. Одной из основных экологических проблем является переизбыток отходов как бытового, так и промышленного происхождения, главным источником которых можно назвать ТЭК. Это подтвердили последние события, произошедшие на АЭС «Фукусима 1», а также события 25-летней давности, произошедшие на ЧАЭС.

Любая отрасль энергетики использует огромное количество природных ресурсов, что приводит к образованию большого количества органических и неорганических отходов. Часть отходов выделяется в атмосферу, часть сбрасывается в гидросферу, но в любом случае они наносят непоправимый ущерб окружающей среде.

Для очистки гидросферы и литосферы от вредных соединений используют механические, физико-химические и биологические методы очистки. Существующие методы показали свою эффективность, но в настоящий момент не обеспечивают кардинального решения этой проблемы, вызванной возрастающими объемами промышленных отходов в связи с бурным развитием энергетики в последние годы. Проблемой являются также значительная трудоемкость и стоимость утилизации отходов (например, процесс очистки грунтовых вод путем непосредственного выкачивания загрязненного объема почвы). Именно поэтому возникает необходимость разработки в этой области новых более эффективных технологий очистки биосферы от загрязняющих веществ.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка методов применения наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах. Для реализации указанной цели были определены следующие задачи:

— анализ вредных факторов, воздействующих на водную среду в результате деятельности энергетических предприятий;

—анализ основных наноматериалов, пригодных для очистки водной среды;

— выбор на основании такого анализа наиболее эффективного нано-материала — наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ);

— изучение основных свойств ННВЖ и разработка способов его применения для очистки грунтовых вод от загрязняющих веществ и радиоактивных элементов;

— разработка методологии компьютерного моделирования процесса очистки с использованием ННВЖ.

Научная новизна работы:

1. Показана возможность применения наноструктурных материалов для защиты окружающей среды от загрязняющих веществ.

2. В результате анализа различных наноматериалов рекомендовано применение наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды.

3. Предложены способы очистки с помощью нуль-валентного железа грунтовых вод от радиоактивных элементов.

4. Разработана методика расчетного моделирования процесса очистки грунтовых вод на основе применения нуль-валентного железа.

Практическое значение работы. Водная среда является одним из критически важных компонентов биосферы, обуславливающих само существование жизненных форм на планете. Загрязнение водной среды относится к наиболее трудным для очистки видам загрязнений по следующим причинам: труднодоступность отдельных элементов гидросферы (например, грунтовых вод в почвенном слое) для очистки традиционными мето-

дами; большие финансовые и энергозатраты; неспособность стандартных систем очистки справиться с постоянно усложняющимся химическим составом новых загрязнителей. Применение наноструктурных материалов в качестве реагентов для очистки, а также в качестве основы для построения комплексных очистных систем позволяет эффективно решить часть из отмеченных задач. Применение вычислительных средств для прогнозирования адсорбции загрязнителей водной среды наноструктурными материалами, в частности, ННВЖ позволяет значительно сократить затраты на проведение полевых экспериментов, а также снизить риски от предполагаемого негативного воздействия наноматериалов на окружающую среду.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

—методы очистки водной среды с помощью наноструктурных материалов;

— применение наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды;

— методика расчетного моделирования процесса очистки грунтовых вод с помощью ННВЖ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры «Теплоэнергетические установки» Московского государственного открытого университета, на научно-техническом семинаре Академии промышленной экологии, на Международной научно-технической конференции «Нанотехнологии и наноматериалы», г. Москва, 2009 г., на IV Международной научно-практической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 2010 г.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 5 статей, в том числе 3 статьи — в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы, включающего 72 наименований, и приложения. Общий объем диссертации составляет 138 страниц, в том числе 30 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность, научная и практическая значимость темы диссертационной работы и приведена краткая характеристика основных положений представленной работы.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу воздействия энергетических объектов на экологическое состояние окружающей среды. Рассмотрены основные отрасли энергетики, их вредное воздействие на окружающую среду, особое внимание уделено проблемам атомной энергетики как одной из наиболее динамично развивающихся и, в свете последних событий в Японии, наиболее проблемных отраслей. Также рассмотрены основные методы очистки окружающей среды, их основные достоинства и недостатки. В рамках проведенного анализа показана недостаточная эффективность существующих методов очистки справляться с все возрастающими объемами загрязнителей и с усложняющимся их составом. Обоснована необходимость применения наноструктурных материалов для очистки окружающей среды.

Во второй главе диссертации проведен анализ существующих на сегодня наноструктурных материалов, уже применяемых для очистки окружающей среды, либо находящихся в стадии лабораторных исследований. Изложены основные преимущества и недостатки применения наномате-риалов для защиты окружающей среды.

Применение существующих в настоящее время технологий для очистки окружающей среды от вредных веществ является дорогостоящим и сложным процессом, приводящим к большим трудозатратам. В результате этого назрела необходимость в разработке инновационных технологий и подходов к решению этой проблемы. Достижения в области нанотехноло-гии, отмеченные в последнее десятилетие, позволяют с успехом применять уникальные свойства наноматериалов (большая поверхностная плотность, высокая реактивность и низкие трудозатраты) для создания новой парадигмы решения сложных инженерно-экологических проблем.

Наноматериалы имеют огромный потенциал для очистки местности от радионуклидов и других типов загрязнителей. Например, частицы нано-размерного нуль-валентного железа, применяющиеся в основном как восстановительный агент при удалении хлорных соединений из воды, также могут с успехом применяться и для восстановления урана. Все полевые тесты, проведенные для наножелеза на предмет очистки местности от тяжелых металлов показали эффективность этого материала. Двумя основными преимуществами ННВЖ являются большая способность к распространению в пористой среде, а также высокая степень реактивности благодаря большей поверхностной плотности. Другим примером доступных технологий с использованием наночастиц являются самособирающиеся монослои на мезопористой подложке (СМСМП), разработанные для очистки ртути, однако их можно с успехом применять также для очистки от радионуклидов. СМСМП представляют собой разработку, объединившую две отрасли материаловедения (мезопористые материалы и технологию молекулярной самосборки).

СМСМП разрабатываются в нескольких формах (например, в виде капель, мембран, а также мембранных картриджей) и могут включать разнообразные химически активные субстанции. Развиваются следующие функциональные формы: тиоловые СМСМП, улавливающие А&, Си, Сс1, РЬ; хелатовые СМСМП, улавливающие Си, Со, Zn; анионовые СМСМП, улавливающие хроматы, арсенаты, селениты и пертехнетаты; ак-тинидовые СМСМП, улавливающие Ат, Ри, ТЬ, Ир, и.

В связи с резко возросшими в последнее время проблемами переработки большого числа промышленных отходов назрела необходимость усовершенствования старых и разработки новых методов очистки грунтовых вод от токсичных соединений. Очистка грунтовых вод с помощью наноматериалов должна занимать, на наш взгляд, лидирующее положение в очистке окружающей среды.

Анализ технологий, применяемых для очистки наиболее критичной части биосферы — водной среды, показал, что у каждой из них есть свои достоинства и недостатки. Очистка среды путем выкачивания (ex situ) является одним из наиболее ранних и трудоемких методов, применявшихся для переработки небольших масс загрязненной почвы и грунтовых вод. Суть метода заключается в извлечении объема загрязненной грунтовой воды и последующей ее переработки на поверхности земли с применением процессов воздушного разделения, углеродистой адсорбции, биологических и химических методов очистки. Высокая трудоемкость и стоимость, большое количество образующегося шлама заставляет отказываться от этого метода в пользу более совершенных технологий.

В отличие от указанного выше способа очистки путем выкачивания загрязненного водоносного слоя, в случае применения методов in situ отсутствует необходимость проведения трудоемких и дорогостоящих операций, что существенно повышает эффективность процесса. Суть методов in situ заключается в непосредственном вводе очищающих веществ в загрязненные участки почвы. Применение технологий in situ имеет ряд преимуществ: значительное повышение эффективности процесса очистки; снижение трудовых и финансовых затрат, вызванных необходимостью извлечения очищаемой среды (в частности, больших объемов загрязненной почвы) для переработки; процесс очистки происходит без попадания реагентов и побочных продуктов во внешнюю среду, что увеличивает безопасность процесса для персонала и сторонних лиц; возможность применения наноматериалов для повышения эффективности процесса. В этом случае у нановеществ есть огромное преимущество по сравнению с традиционными реагентами - высокая проникающая способность (вследствие сверхмалых размеров) и реактивность, позволяющая с высокой степенью эффективности перерабатывать большее число загрязнителей.

В настоящее время разработано более 100 типов наноматериалов, способных проводить очистку различных компонентов окружающей сре-

ды. Из них наибольшую эффективность, на наш взгляд, имеет наноразмер-ное нуль-валентное железо, которое можно применять для очистки водной среды от загрязняющих веществ.

В третьей главе работы рассмотрены преимущества и недостатки на-норазмерного нуль-валентного железа (ННВЖ), обладающего высокими адсорбционной и реакционной способностями. Приведены методики синтеза наноразмерного нуль-валентного железа, а также технологии, позволяющие оценивать и определять основные химические и физические параметры данного материала. Проведен анализ возможности применения наноразмерного нуль-валентного железа для очистки окружающей среды, в частности, грунтовых вод от загрязняющих веществ. Рассмотрены экспериментальные данные и показана возможность моделирования поведения наноструктур-ных материалов с помощью средств вычислительной техники.

Основной причиной выбора нуль-валентного железа в качестве основного материала для систем очистки окружающей среды является его высокая реакционная способность по отношению к большинству токсичных соединений. Другой причиной является высокая проникающая способность частиц НВЖ, которая позволяет эффективно очищать даже мельчайшие поры почвы. Третьей причиной является распространенность железа, как химического элемента, в земной коре (более 5%), а также относительная легкость процесса синтеза. В настоящее время основными областями применения нуль-валентного железа являются: очистка грунтовых вод от загрязнителей различного типа; очистка почвы; очистка питьевой воды как в промышленных фильтрах, так и в домашних условиях.

Типичные химические реакции в случае применения НВЖ: 2¥е°(тв.) + 4Н+(вод.) + О2(вод.) 2Ре2*(воА) + 2Н20(.ж.) (1)

Ре°(тв.) + 2Н20(э/с.) -> Ре2+(вод.) + Н2(г.) + 20Н"(вод.) (2)

4¥ег\вод.) + 4Н\вод.) + О2{вод.) 4Ге^(вод.) + 2Н,0(.о/с.) (3) 2¥с1+(вод.) + 2НгО(ж.) -> IVс^(вод.) + Н2(г.) + 2(Ж(вод.) (4)

Однако при использовании НВЖ возникают определенные ограничения. Это — уменьшение реакционной способности железа из-за осаждения гидрооксидов металлов и карбонатов металлов на поверхность железа. Использование наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ) позволяет существенно минимизировать эти ограничения ввиду резкого увеличения отношения площади поверхности к объему. У наночастиц, имеющих более высокое отношение площади поверхности к объему, чем для более крупных частиц из того же самого материала, проявляется увеличенная реакционная способность или активность катализатора (см. рис. 1).

Рис. 1. Зависимость площади поверхности от диаметра наночастиц

Размер частиц ННВЖ колеблются от 20 до 70 нм в диаметре. Как правило, благородный металл (например, палладий, серебро) может быть добавлен в наночастицы как катализатор. Второй металл создает каталитические взаимодействия между собой и железом, а также увеличивает мобильность наночастиц. Второй металл является обычно менее реактивным и, как полагают, способствует окислению Ре или переносу электронов. Ряд благородных металлов, особенно палладий, катализирует дехлорирование и гидрирование и может сделать очистку более эффективной. Так, в лабораторных исследованиях показано, что биметаллические наночастицы же-

леза с палладием деградируют загрязнители на два порядка больше, чем частицы железа в макромасштабе. Такие частицы состояли на 99,9 процентов из железа и менее 0,1 процента палладия. Палладий может катализировать прямое восстановление трихлорэтилена до этанола без производства побочных продуктов, таких как винилхлорид.

Большая реактивность, которую имеют наночастицы, может быть результатом либо большей площади поверхности, либо большей плотности областей реакций на поверхности частицы или более высокой реагируемо-сти, характерной для этих областей. Для уточнения этого вопроса было проведено сравнение констант скорости протекания процесса, нормализованных по площади поверхности (к5) с константами скорости, нормализованными по массе (кт) для процесса деградации тетрахлорида углерода под действием НВЖ.

Результаты показали, что ННВЖ дает большие значения к^ и одинаковые значения кт по сравнению с частицами НВЖ микронного размера. Это означает, что более высокая скорость деградации тетрахлорида углерода обусловлена именно большей площадью поверхности, а не большим количеством областей реакций или большей реагируемости этих областей на поверхности. Этот вывод может быть справедливым и для других загрязнителей, реагирующих с НВЖ при экологической очистке.

НВЖ хорошо реагирует с большим разнообразием подверженных окислению-восстановлению загрязняющих примесей. Например, обобщенный хлорированный углеводород ЛС1 превращается с помощью НВЖ в соответствующий углеводород КН:

ЯС1 + Н+ + Бе0 -> 1Ш + Бе2+ + СГ (5)

Для тяжелых металлов, таких как свинец(Н) или хром(У1), металл восстанавливается до нулевой валентности на поверхности наножелеза, или до смешанных форм, выпадающих в осадок таким образом, что при этом они становятся полностью нерастворимыми. Общие реакции окисле-

ния железа и восстановления хлорированных органических соединений (ХОС) или тяжелых металлов (Ме), показаны в следующих уравнениях:

Ре° —> Бе24" + 2-е" (6)

ХОС + п-ё~ + т-Н+ —> продукты реакции + ЗСГ (7)

Ме^ + Ъ е Ме^А (8)

Как уже было указано, у наночастиц НВЖ, имеющих высокое отношение площади поверхности к объему, проявляется увеличенная реакционная и проникающая способность. Поэтому большое значение имеет использование наночастиц для очистки загрязненной грунтовой воды методом «т зки» (на месте), в частности, для ускоренной локальной деградации хлорированных органических соединений и снижения уровня тяжелых металлов в зонах источников загрязнения. Очистка загрязненной зоны «на месте» с использованием ННВЖ является, на наш взгляд, одним из эффективных методов применения нанотехнологии в экологических приложениях. Обладая очень малым размером размером и большей активной поверхностью, наночастицы могут легко проникать в центр загрязненной зоны. Они легко переносятся вместе с грунтовыми водами и попутно очищают все окружающее пространство.

Доставка наноматериалов под поверхность земли аналогична фильтрации через поры. Суспензии частиц, введенные под поверхность, будут мигрировать от точки ввода через слой земли к источнику загрязнения.

В качестве обоснования эффективности применения ННВЖ для очистки водной среды от загрязняющих веществ рассмотрены два примера: удаление мышьяка из грунтовых вод и соединений урана из радиоактивных жидких отходов.

Одним из наиболее опасных соединений мышьяка является трехвалентное соединение Аэ (III), отличающееся своим сложным составом и чрезвычайной токсичностью. В водных источниках наиболее часто могут присутствовать неорганические формы мышьяка.

Анализ применяемых методик очистки водной среды от мышьяка позволяет сделать вывод о том, что большая часть из них является достаточно ресурсо- и энергозатратной, что приводит к невысокой эффективности в условиях постоянно растущих объемов промышленных выбросов мышьяка в гидросферу. Поэтому рекомендуется применение для очистки от мышьяка наноразмерного нуль-валентного железа ввиду его чрезвычайно высокой реакционной способности (обеспечивающей более быструю скорость процесса очистки по сравнению с традиционными веществами), большой поверхностной плотности (влияет на кинетику реакции и на емкость процесса очистки), а также низкой стоимости производства реагентов. Это в итоге увеличивает эффективность всего процесса очистки и снижает уровень капиталовложений.

Нуль-вапентное железо является хорошим адсорбентом трехвалентных соединений мышьяка. Показана высокая эффективность очистки от соединений мышьяка суспензией нуль-валентного железа, состоящей из наноразмерных частиц. Для образования таких частиц НВЖ использовалась методика восстановления трехвалентного железа в присутствии боро-гидрида натрия. Размер синтезированных наночастиц НВЖ составлял от 10 до 100 нм. Приведены зависимости адсорбции (удаления Аб) от уровня рН, плотности (дозировки) частиц НВЖ и продолжительности их контакта с соединениями мышьяка. При дозировке ННВЖ 1 г/л достигается в течение 15 мин полная очистка водной среды от соединений мышьяка.

Растворимый уран, присутствующий в сточных водах после переработки урановых руд и отработанного ядерного топлива, может быть удален двумя процессами: адсорбцией на различных материалах или восстановительным осаждением. В зависимости от типа используемого материала-реагента эти два процесса могут протекать индивидуально или комбинированным способом. Для улавливания урана основное внимание в диссертационной работе было уделено методам с использованием наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ).

С термодинамической точки зрения, Бе0 в состоянии уменьшить количество чувствительных к окислению-восстановлению радионуклидов и соединений металлов, таких как 1Ю22+, СЮ42" и пертехнетата (Тс04~), что приводит к снижению растворимости оксигидроксидов 1Д1У), Сг(ОН)з и Тс02. Исследования показали, что частицы ННВЖ могут быстро и эффективно удалять СЮ/- и Тс04~. В дополнение к удалению Сг042- и Тс04~, показано, что ННВЖ способно также эффективно удалять иОг2+ и Мо042-из водных растворов. В качестве возможного механизма такого процесса на начальном этапе исследований было высказано предположение о возможности восстановительного осаждения. Однако, поскольку 1ГО22+ способен также адсорбироваться на продукты коррозии железа, можно сделать вывод, что механизм удаления 1Ю22+ может быть связан со следующими процессами: восстановление железом Ре° уранила до Т-Г(1У); адсорбция и022+ продуктами коррозии оксигидроксида железа и сочетание восстановительного осаждения и адсорбции.

Ре° реагирует как восстановитель, способствуя удалению урана осаждением по реакциям восстановления. Растворение нуль-валентного железа формирует необходимые электроны для осаждения урана. Восстановление иОг2+ путем прямого переноса электронов к поверхности Бе0 соответствует следующим реакциям:

и022+ + 4Н+ + 2е~ —> и4+ + Н20 (9)

и4+ + 2Н20 <-> и02(тв) + 4Н+ (10)

В то время как нуль-валентное железо подвергается реакции, образование продуктов окисления Ре(П) и Ре(Ш) приводит к формированию центров адсорбции. Восстановление ЩУ1) до 1Д1У) может происходить в растворе вблизи границы «НВЖ-раствор», как только электроны освобождаются при коррозии, сопровождаемой восстановлением твердых осадков на поверхности железа. Кроме того, после адсорбции комплексов и(У1) может последовать их восстановление до смеси твердых фаз и(У1)Ш(1У) или фазы и(1У).

Таким образом, можно констатировать, что иммобилизация урана нуль-валентным железом может происходить как путем восстановления осажденного четырехвалентного урана, так и путем адсорбции комплексов урана (VI) на продукты коррозии нуль-валентного железа.

Для выявления эффективности удаления урана из сточных вод были исследованы следующие химически активные вещества: синтезированное наноструктурное железо (1); наноструктурное железо на активированном угле типа Purolite AG 20G (2); наноструктурное железо на макропористой смоле типа Purolite С 160 (3) и смоле Purolite ARSEN-Xnp (4). Исследования по скорости удаления урана из сточных вод с использованием ННВЖ показали, что наилучшие результаты наблюдаются для смолы ARSEN Хпр. Поэтому этот материал рекомендуется для очистки урана, так как уже через 24 часа эффективность очистки достигает 99,99% (рис. 2)

Концентрация Ü,

Рис. 2. Остаточное содержание урана в зависимости от времени очистки

Для удаления соединений урана из грунтовых вод наиболее эффективным способом является применение полупроницаемых реакционных барьеров и создание поглощающих реакционных зон.

Полупроницаемые реакционные барьеры (ПРБ) являются новой технологией обработки загрязненной грунтовой воды (рис. 3). Успешная обработка загрязненной грунтовой воды по этой технологии требует, чтобы загрязнение превратилось в безвредные соединения или оказалось неподвижным в про-

цессе его прохождения через зону обработки in situ. Вместо попыток извлечь загрязненную воду из-под земли для обработки ее на поверхности построение полупроницаемого реакционного геохимического барьера, который перехватывает пятно загрязнения и превращает загрязнение в нетоксичную форму, привлекательно по ряду причин. Во-первых, такая технология не требует строительства надземных устройств для обработки воды, при этом хозяйственное использование территории может оставаться прежним. Во-вторых, нет необходимости дорогой надземной обработки больших потоков воды, ее хранения, транспортировки или захоронения. В-третьих, расходы на техническое обслуживание малы или вообще отсутствуют.

Водоносным

Поток грунтовой воды

Очищенная воца_ у

Полупроницаемый реактивный барьер /

Рис. 3. Конфигурация полупроницаемого реакционного барьера

ПРБ строят, выкапывая длинную узкую траншею на пути движения загрязненной грунтовой воды. Траншею заполняют реакционным материалом, в данном случае ННВЖ, который удаляет опасные химические соединения. Реакционные материалы можно смешать с песком, чтобы облегчить прохождение воды сквозь реакционную стенку. Аналогичным образом можно создавать поглощающие реакционные зоны (ПРЗ), в которые производят инжекцию наночастиц нуль-валентного железа (рис. 4). В резуль-

тате действия ПРБ или ПРЗ достигаются разрешенные концентрации загрязнителей в потоке после очистки.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена компьютерному моделированию процесса очистки грунтовых вод с помощью наност-руктурных материалов.

Гидросфера (в частности, подземные потоки) является комплексным объектом со множеством внешних факторов, которые необходимо учитывать при моделировании процесса взаимодействия наноматериалов и загрязнителя: состав и условия взаимодействия первичных компонентов (первичные условия); граничные условия всех объектов анализа; состав и параметры вводимого наноматериала; процесс взаимодействия наномате-риала с водоносным слоем и загрязнителем. Таковы лишь основные факторы, которые следует учитывать при проведении моделирования процесса очистки грунтовых вод с помощью наноструктурных материалов. Из анализа факторов вытекает необходимость применения комплексной геохимической модели анализируемого участка с учетом как можно большего числа факторов, которые могут оказать влияние на процесс очистки.

Для моделирования процесса очистки грунтовых вод с помощью на-норазмерного нуль-валентного железа необходимо разработать оптималь-

ную модель исследуемой среды, которая отражает большую часть параметров, влияющих на частицы ННВЖ при размещении их в полупроницаемый реакционный барьер (ПРБ).

К таким параметрам относятся химические и физические характеристики водоносного слоя, характеристики самого реагента (ННВЖ), а также загрязняющего вещества. Этапы моделирования процесса очистки грунтовых вод показаны на рис. 5.

Рис. 5. Этапы моделирования процесса очистки грунтовых вод

Моделирование процесса очистки грунтовых вод включает в себя решение двух уравнений: движения фунтовых вод и переноса растворенных компонентов с учетом химических реакций (рис. 6). При этом необходимо учитывать следующие внешние и внутренние факторы:

— свойства пористой среды, условия течения в водоносном слое и перемещения твердых частиц;

— особые свойства рек, скальной породы и водоносных слоев;

— химические условия взаимодействия компонентов среды.

УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Ss — =S7■KVh + q

8 81

УРАВНЕНИЕ ПЕРЕНОСА РАСТВОРЕННОЙ КОМПОНЕНТЫу С УЧЕТОМ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

= V ■ еОЧрС, - V • емрС1 - + ЯерС,

01 е=1 01 /,»1

- коэффициент накопления (м 1) Л - высота (м), I - время (с) V- градиент (м-1) для скалярных величин и дивергенция для векторных величин

К - тензор гидравлической проводимости (м/с)

q - интенсивность расхода источника (м3с"1м_3)

г - пористость насыщения (безразмерная)

Су - полная концентрация компоненты у в водной фазе (моль/кг воды)

Б - тензор коэффициента дисперсии (м2/с)

Л/Е - число гетерогенных реакций между равновесными фазами

Се - концентрация твердого реагента е (моль/кг воды), Ык - число кинетических реакций

стехиометрический коэффициент компоненты у в кинетической реакции к (безразмерный) /?»- скорость кинетической реакции к (моль-кг воды"1с"1) Л/с - число химических компонент в системе, у = 1.....Л/с

С; - полная концентрация компоненты у в источнике воды (моль/кг воды)

Оуе — стехиометрический коэффициент компоненты у в гетерогенной реакции е (безразмерный)

Рис. 6. Математическое описание процесса очистки грунтовых вод

Объектом моделирования был выбран участок почвенной среды с параметрами, заданными на основе геохимической модели. В качестве загрязнителя почвенной среды и грунтовых вод взят диоксид урана 1ГО2, а

реагентом в составе ПРБ является наноразмерное нуль-валентное железо (ННВЖ).

Модель потока является одной из составных частей концептуальной модели, рассматриваемой в рамках диссертационной работы, и отражает процессы, протекающие в потоке речной воды. Кроме того, модель была усложнена добавлением в нее раствора диоксида урана, служащего индикатором процесса смешивания, а также искомым загрязняющим веществом для очистки. Разработку модели потока целесообразно проводить в несколько этапов - от простой модели к комплексной.

На первом этапе проводится разработка и параметризация упрощенной модели водной среды, а также слоя гальки под ней. Необходимо разрабатывать несколько вариантов, отличающихся друг от друга количеством моделируемых участков и, как следствие, детализацией процесса моделирования. Результаты первого этапа моделирования позволят приблизительно определить места установки ПРБ.

На следующем этапе проводится усложнение структуры базовой модели с целью более подробного описания процессов, происходящих в грунтовом слое. При этом осуществляется задание каждого слоя и уточнение их параметров.

На третьем этапе разрабатывается комплексная модель на основе усложненной модели, созданной на предыдущем этапе. Комплексная модель наиболее полно отражает реальную картину взаимодействия грунтового слоя со слоем гальки в русле реки. По результатам анализа комплексной модели выясняются особенности поведения условного моделируемого участка, а также картина взаимодействия между всеми слоями. Данная модель позволяет в принципе смоделировать реальный участок с целью анализа процессов, происходящих при его загрязнении различными веществами.

Основной целью геохимического моделирования является наиболее подробное отображение химических и физических свойств влажной почвенной среды с целью получения данных о воздействии параметров среды

на реагенты, использующиеся для очистки. В случае моделирования процесса очистки с использованием ННВЖ, существует большое количество ключевых факторов, влияющих на его эффективность, основные из которых следующие: плотность почвы, гидравлическая проводимость (вертикальная и горизонтальная), уровень кислотности почвы, химический состав.

Кроме того, необходимо достаточно подробное моделирование каждого участка влажной почвенной среды с целью определения пути распространения пятна загрязнителя, а также оптимального участка для расположения полупроницаемого реакционного барьера (ПРБ).

Процесс геохимического моделирования включает создание блок-схемы почвенных слоев, основанной на данных геологических изысканий, проводившихся или необходимых для последующего проведения в данном районе. Блок-схема обязательно должна включать в себя типы почвенных слоев, их химические и физические параметры, глубину залегания и т. п. Также необходимо рассматривать условия взаимодействия между различными почвенными слоями, так как это в значительной степени влияет на картину распространения загрязняющего вещества, а также на эффективность очистки.

Выбранная нами концептуальная модель состоит из четырех блоков: водный поток, слой гальки, верхний слой грунта, нижний слой грунта. Такое количество блоков выбрано для упрощения процесса моделирования (в более сложных геохимических условиях их количество может достигать 10).

Каждый блок имеет собственные физические и химические свойства, а также уникальную картину взаимодействия с соседними блоками. Основными параметрами для каждого блока являются: гидравлическая проводимость, коэффициент пористости, удельный выход и удельное накопление загрязнения.

Любая модель геохимического взаимодействия является комплексной, поэтому существует два подхода к ее формированию.

1. Формирование по принципу «сверху вниз», т.е. сначала задается большая часть параметров и при этом производится достаточной большой объем вычислений, однако существует вероятность неучета некоторых данных при составлении модели.

2. Формирование по принципу «снизу вверх», при котором модель формируется постепенно, от простого уровня до более сложного с учетом всех данных. Такой подход отличается большой эффективностью, именно поэтому он принят при создании нашей модели.

Создание геохимической модели позволяет решить следующие задачи:

— определение картины распространения пятна диоксида урана в водоносном слое;

— определение влияния установки ПРБ, имеющего в составе ННВЖ, на концентрацию диоксида урана.

По аналогии с подходом, применявшимся при создании модели потока, геохимическая модель создается также в несколько этапов. Непосредственно перед созданием модели принимаются несколько допущений: задание условного состава грунтовой воды, источников питания водой моделируемой зоны, состава пятна загрязнителя, определение основных процессов, влияющих на ПРБ с ННВЖ, размещенный в водоносном слое.

При создании модели потока определяются лишь основные составляющие моделируемого участка, а также их взаимное расположение, а на этапе создания геохимической модели проводится окончательное задание химического состава каждого из моделируемых участков, при этом вводится определенная концентрации диоксида урана для задания параметров пятна загрязнителя.

Как уже было отмечено, основным процессом, благодаря которому ННВЖ имеет столь высокий потенциал для очистки, является коррозия. Кроме этого, в случае взаимодействия с соединениями урана, существует два дополнительных эффекта:

— Создание восстановительных условий в среде вокруг ПРБ ввиду использования акцепторов электронов в грунтовой воде, смежных осаждениях и почве. В результате система становится анаэробной благодаря восстановлению растворенного кислорода и окисленных нитратами загрязняющих примесей, таких как и(У1) и Тс (VII) до менее растворимых состояний 1Д1У) и Тс(1У). Микробные процессы также могут частично влиять на процессы коррозии и совместные реакции восстановления.

— Продукты коррозии железа, такие как трехвалентный гидроксид Ре(Ш) являются превосходными сорбентами для радионуклидов, в частности, соединения анионов имеют тенденцию к увеличению сорбционных свойств при щелочных условиях.

Геохимическая среда вокруг ПРБ регулируется в основном процессом коррозии нуль-валентного железа. Процесс восстановления шестивалентного урана до менее растворимых форм происходит в соответствии с реакциям (9) и (10). Таким образом можно определить два варианта поведения соединения и(1У) после завершения процесса восстановления: осаждение в качестве уранитов; осаждение в качестве аморфных соединений диоксида урана.

Разработанная модель позволяет исследовать химические условия, которые устанавливаются промежуточными реакциями продуктов коррозии минералов, формирующихся при анаэробных условиях. При моделировании рассматривается гомогенное распространение продуктов коррозии, при этом нельзя анализировать возможные изменения свойств ПРБ, которые возникают в момент восстановления урана. Тем не менее, модель способна рассматривать временные геохимические изменения, являющиеся результатом воздействия грунтового потока (например, засорение ПРБ).

В рамках диссертационной работы рассмотрено программное обеспечение для расчета процессов переноса и очистки загрязняющих веществ в водной среде на основе разработанной методики моделирования. Пере-

чень таких программных продуктов приведен в приложении диссертационной работы.

Большая часть представленного программного обеспечения рассчитана на решение общих задач моделирования поведения наночастиц без учета специфики той или иной области применения. Однако на практике, как в нашем случае, часто возникают ситуации, когда необходимо производить моделирование непосредственно процесса взаимодействия наност-руктурных материалов с внешней средой для получения более подробной картины и предсказания некоторых особенностей такого взаимодействия.

Среди программ для такого моделирования химических реакций и процессов переноса в грунтовых водах следует выделить программу РН11ЕЕ<ЗС. Основными преимуществами указанной программы являются развитые алгоритмы численных методов решения уравнений и наличие взаимосвязанных различных баз данных по термодинамическим параметрам элементов, соединений и реакций. Это позволяет рассчитывать, в частности, различные обратимые реакции (водные, минеральные, газовые, ионообменные равновесия) и необратимые реакции (массоперенос реагентов, кинетика, смешивание растворов, температурные изменения).

Для моделирования трехмерного распространения загрязняющих веществ подходит программный комплекс РНАБТ, который включает в себя программу РНЯЕЕ()С и программу расчета и переноса трехмерных потоков грунтовых вод и загрязнителей Н5ТЗЭ. Программный комплекс РНАБТ способен моделировать широкий диапазон равновесных и кинетических геохимических реакций, и может быть использован для изучения природных и загрязненных грунтовых систем.

выводы

1. Проведен анализ наиболее опасных факторов воздействия энергетики на экологическое состояние окружающей среды. Рассмотрены основные способы очистки окружающей среды, показаны их достоинства и недостатки. В результате проведенного анализа выявлено, что существующие технологии очистки не всегда справляются со все возрастающим объемом загрязнений и поэтому необходима разработка новой концепции и технологий, использующих инновационные достижения науки.

2. В качестве новой концепции систем очистки окружающей среды предложено использовать наноразмерные материалы. Показана перспективность и большая экономическая эффективность применения способов in situ («на месте») с использованием наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ) по сравнению с применяющимся способом ex situ.

3. Исследованы процессы очистки водной среды от вредных веществ с применением нуль-валентного железа. Предложена физико-химическая модель взаимодействия ННВЖ с различными загрязняющими материалами и показана эффективность такой очистки.

4. Изложены результаты практического применения ННВЖ для очистки водной среды от соединений мышьяка и урана. Для удаления соединений урана из грунтовых вод рекомендовано применение полупроницаемых реакционных барьеров и поглощающих реакционных зон, содержащих ННВЖ.

5. Разработана методика компьютерного моделирования очистки грунтовых вод от соединений диоксида урана U02 с помощью полупроницаемого реакционного барьера, реагентом в котором является наноразмер-ное нуль-валентное железо.

6. Рассмотрено программное обеспечение для расчета процессов переноса и очистки загрязняющих веществ в водной среде на основе разработанной методики моделирования. Для трехмерного моделирования ре-

комендуется применять программный комплекс РНАБТ, который включает в себя программу РНЯЕЕС^С, моделирующую химические реакции, и программу расчета и переноса потоков грунтовых вод и загрязнений Н8ТЗО.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Использование наноматериалов для очистки грунтовых вод // Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы международной научно-технической конференции. М.: Издательство МГОУ, 2009. С. 461-463.

2. Ибрагимов И. М. Зотов П. С. Применение наноструктурных материалов для процессов водоочистки // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. №5. С. 21-22.

3. Ибрагимов И. М., Зотов П. С. Применение наноструктурных материалов для поглощения диоксида углерода, выделяемого тепловыми электростанциями // IV Международная научно-практическая конференция «Энергия и энергоэффективные технологии», г. Липецк, 28-30 октября 2010 г.: сб. докладов. Липецк, 2010. С. 155-156.

4. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Перспективы применения наноструктурных материалов для очистки водной среды от вредного воздействия энергетических объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №5. С. 15-16.

5. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Применение наноструктурных материалов для контроля и защиты окружающей среды // Естественные и технические науки. 2011. №2(52). С. 126-129.

Заказ № 45-П/12/2012 Подписано в печать 14.12.2012 Тираж 60 экз. Усл. пл. 1,25

"Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таИ: info@cfr.ru

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Зотов, Павел Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА СОСТОЯНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

1.1. Основные источники загрязнения окружающей среды

1.2. Методы очистки водной среды

1.3. Постановка задач исследования

Глава 2. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

2.1. Наносистемы для защиты окружающей среды

2.2. Преимущества и недостатки применения наноматериалов при защите окружающей среды

2.3. Методы очистки водной среды с помощью наноструктурных материалов

Глава 3. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНОГО НУЛЬ-ВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДНОЙ СРЕДЫ

3.1. Физико-химические основы применения ННВЖ для очистки водной среды

3.2.Технологии синтеза наночастиц ННВЖ

3.3. Методы оценки и изменения параметров ННВЖ

3.4. Методология очистки грунтовых вод с помощью ННВЖ

3.5. Применение ННВЖ для очистки грунтовых вод от соединений мышьяка

3.6. Применение ННВЖ для очистки радиоактивных жидких отходов от соединений урана

Глава 4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЧИСТКИ ГРУНТОВЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ НАНОЧАСТИЦ НУЛЬ-ВАЛЕНТНОГО ЖЕЛЕЗА

4.1. Обзор методов компьютерного моделирования поведения наночастиц

4.2. Методика расчетного моделирования процесса очистки грунтовых вод

4.3. Программное обеспечение для моделирования гидравлических и геохимических процессов в подземных потоках

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по биологии, на тему "Применение наноразмерного нуль-валентного железа для очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах"

На протяжении всего периода развития человечества происходило постоянное воздействие на природу, мощность которого определялась состоянием производственных сил и уровнем развития технологий. Использование природных ресурсов для удовлетворения человеческих потребностей началось еще в средние века, усилилось в период создания первых машинных технологий и возросло до максимума в период НТР. Уже на протяжении более чем 50 лет антропогенное воздействие человечества на биосферу приводит к самым губительным последствиям за всю историю, к нарушению экологического равновесия в природе.

Урбанизация и сопутствующие ей факторы (такие как неудержимое развитие потребительского общества, непрофессионализм и просчеты при реализации технологий, легкомысленное отношение к экологии, колоссальное использование природных ресурсов при малом проценте восстановления) приводят к истощению природных ресурсов, а также к грандиозным по своим масштабам техногенным катастрофам, так или иначе затронувшим население всей планеты. Последние события, произошедшие на АЭС «Фукусима 1», а также события 25-летней давности, произошедшие на ЧАЭС, показали важность формирования новой концепции взаимоотношений человека и биосферы. При этом одной из основных экологических проблем является переизбыток отходов как бытового, так и промышленного происхождения, главным источником которых можно назвать ТЭК.

Любая отрасль энергетики использует огромное количество природных ресурсов для обеспечения своей работоспособности, что приводит к образованию органических и неорганических отходов. Часть отходов выводится в атмосферу, часть сбрасывается в гидросферу, но в любом случае они наносят непоправимый ущерб окружающей среде.

Для очистки атмосферных загрязнений используют: — рассеивание вредных выбросов на высоту; механические методы очистки (пылеуловители, скрубберы, фильтры); физические методы очистки (электроосаждение и акустическая коагуляция); адсорбцию, каталитические методы.

Для очистки гидросферы от вредных соединений используют: механические методы (уловители, центрифуги, решетки и септики); физико-химические методы (коагуляция, флотация, ионный обмен, экстракция); химические методы (нейтрализация, окисление, восстановление); биологические методы очистки.

Для очистки литосферы используют: переработку промышленных отходов; захоронение промышленных отходов.

Указанные методы показали свою эффективность, но на сегодняшний день они не справляются с все возрастающим объемом промышленных отходов. Проблемой являются также значительная стоимость и трудоемкость некоторых процессов (например, трудоемкость процесса очистки грунтовых вод путем непосредственного выкачивания загрязненного объема почвы). Именно поэтому возникает необходимость применения в этой области достижений нанотехнологии. Уникальные свойства наноматериалов, такие как большая поверхностная плотность, высокая адсорбционная емкость и реактивность были отмечены еще в ходе первых исследований и оказались подходящими для решения экологических проблем. В последнее время были разработаны различные типы наноматериалов, которые показали свою эффективность при нейтрализации различных типов загрязнений: наноразмер-ное нуль-валентное железо, цеолиты, наномембраны и др. Кроме непосредственной нейтрализации загрязнителей, наноматериалы применяют также для создания чувствительных датчиков наличия загрязнений в атмосфере и гидросфере. Однако внедрение указанных материалов в промышленное производство проходит не такими быстрыми темпами, как этого хотелось бы экологам.

Основной причиной этого является недостаточная изученность таких параметров наноматериалов, как проникающая (диффузионная) способность, поведение в очищаемых средах (время жизни и реактивность), а также пути химических реакций при воздействии тех или иных условий окружающей среды. Изучение затрудняется невозможностью получения эмпирических данных традиционными методами в силу сверхмалых размеров частиц и отсутствия подходящего оборудования.

Целыо диссертационной работы является исследование способов очистки водной среды от загрязняющих веществ, образующихся на энергетических объектах, с помощью использования наноразмерного нуль-валентного железа.

Актуальность поставленной цели обусловлена тем, что существующие в настоящий момент технологии по очистке водной среды не обеспечивают решение этой проблемы, вызванной возрастающими объемами загрязнений, в связи с бурным развитием энергетики за последние годы. Водная среда является одним из критически важных компонентов биосферы, обуславливающих само существование жизненных форм на планете. Загрязнение водной среды относится к наиболее трудным для очистки видам загрязнений по следующим причинам: труднодоступность отдельных элементов гидросферы (например, грунтовых вод в почвенном слое) для очистки традиционными методами; большие финансовые и энергозатраты; неспособность стандартных систем очистки справиться с постоянно усложняющимся химическим составом новых загрязнителей.

Применение наноструктурных материалов в качестве реагентов для очистки, а также в качестве основы для построения комплексных очистных систем позволяет эффективно решить часть из отмеченных задач.

Применение вычислительных средств для прогнозирования адсорбции загрязнителей водной среды наноструктурными материалами, в частности, наноразмерным нуль-валентным железом позволяет значительно сократить затраты на проведение полевых экспериментов, а также снизить риски от предполагаемого негативного воздействия напоматериалов на окружающую среду.

Первая глава диссертационной работы посвящена анализу воздействия энергетических объектов на экологическое состояние окружающей среды. Рассмотрены основные отрасли энергетики, их вредное воздействие на окружающую среду, особое внимание уделено проблемам атомной энергетики как одной из наиболее динамично развивающихся и, в свете последних событий в Японии, наиболее проблемных отраслей. Также рассмотрены основные методы очистки окружающей среды, их основные достоинства и недостатки. В рамках проведенного анализа показана неспособность существующих методов очистки справляться с все возрастающими объемами загрязнителей и с усложняющимся их составом и обоснована необходимость применения на-ноструктурных материалов для очистки окружающей среды.

Во второй главе диссертационной работы приведен анализ существующих на сегодня наноструктурных материалов, уже применяемых для очистки окружающей среды, либо находящихся в стадии лабораторных исследований. Изложены основные преимущества и недостатки применения нанома-териалов для защиты окружающей среды.

В третьей главе работы рассмотрены преимущества и недостатки наиболее популярного на сегодняшний день наноструктурного материала - на-норазмерного нуль-валентного железа (ННВЖ), обладающего высокими адсорбционной и реакционной способностями. Приведены методики синтеза наноразмерного нуль-валентного железа, а также технологии, позволяющие оценивать и определять основные химические и физические параметры данного материала. Проведен анализ возможности применения наноразмерного нуль-валентного железа для очистки окружающей среды, в частности, грунтовых вод от загрязняющих веществ. Рассмотрены экспериментальные данные и показана необходимость моделирования поведения наноструктурных материалов с помощью средств вычислительной техники.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена компьютерному моделированию процесса очистки грунтовых вод с помощью наноструктурных материалов. Разработана методика расчетного моделирования процесса очистки грунтовых вод от соединений урана с помощью наноразмерного нуль-валентного железа. Рассмотрены возможности программного комплекса РНА8Т для расчета процессов очистки по предлагаемой методике моделирования.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю доктору технических наук Ибрагимову Ильдару Маратовичу за неоценимую помощь при написании данной диссертационной работы.

Заключение Диссертация по теме "Экология (по отраслям)", Зотов, Павел Сергеевич

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ наиболее опасных факторов воздействия энергетики на экологическое состояние окружающей среды. Рассмотрены основные способы очистки окружающей среды, показаны их достоинства и недостатки. В результате проведенного анализа выявлено, что существующие технологии очистки не всегда справляются со все возрастающим объемом загрязнений и поэтому необходима разработка новой концепции и технологий, использующих инновационные достижения науки.

2. В качестве новой концепции систем очистки окружающей среды предложено использовать наноразмерные материалы. Показана перспективность и большая экономическая эффективность применения способов in situ («на месте») с использованием наноразмерного нуль-валентного железа (ННВЖ) по сравнению с применяющимся способом ex situ.

3. Исследованы процессы очистки водной среды от вредных веществ с применением нуль-валентного железа. Предложена физико-химическая модель взаимодействия ННВЖ с различными загрязняющими материалами и показана эффективность такой очистки.

4. Изложены результаты практического применения ННВЖ для очистки водной среды от соединений мышьяка и урана. Для удаления соединений урана из грунтовых вод рекомендовано применение полупроницаемых реакционных барьеров и поглощающих реакционных зон, содержащих ННВЖ.

5. Разработана методика компьютерного моделирования очистки фунтовых вод от соединений диоксида урана UO2 с помощью полупроницаемого реакционного барьера, реагентом в котором является наноразмерное нуль-валентное железо.

6. Рассмотрено программное обеспечение для расчета процессов переноса и очистки загрязняющих веществ в водной среде на основе разработанной методики моделирования. Для трехмерного моделирования рекомендуется применять программный комплекс PHAST, который включает в себя программу PHREEQC, моделирующую химические реакции, и программу расчета и переноса потоков грунтовых вод и загрязнений IIST3D.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Зотов, Павел Сергеевич, Москва

1. Аникеев В. А., Воронов В. Н., Седлов А. С. Экологическая безопасность топливно-энергетического комплекса России // Новое в российской электроэнергетике. 2005. № 12.20.

2. Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области нано-частиц, наноструктур и нанокомпозитов в Российской Федерации. М.: Издательство ЛКИ, 2008. 344 с.

3. Беликов А., Палицкая Т., Лепихин К. Атомная энергетика: безопасность как приоритет // Росэнергоатом. 2007. № 3. С. 3-7.

4. Головин Ю. И. Введение в нанотехнику. М.: Машиностроение, 2007. 496 с.

5. Данилов-Данильян В. И., Залиханов М. Ч., Лосев К. С. Экологическая безопасность. Общие принципы и российский аспект. М.: Издательство МНЭПУ, 2001.329 с.

6. Джирард Дж. Е. Основы химии окружающей среды. М.: ФИЗ-МАТЛИТ, 2008. 640 с.

7. Дривер, Дж. Геохимия природных вод. М.: Мир, 1985. 440 с.

8. Елисеев А. А., Лукашин А. В. Функциональные наноматериалы. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 456 с.

9. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Использование наноматериалов для очистки грунтовых вод // Нанотехнологии и наноматериалы: Материалы международной научно технической конференции. М.: Издательство МГОУ, 2009. С. 461-463.

10. Зотов П. С., Ибрагимов И. М. Перспективы применения наност-руктурных материалов для очистки водной среды от вредного воздействия энергетических объектов // Энергосбережение и водоподготовка. 2010. №5. С. 15-16.

11. Ибрагимов И. М. Зотов П. С. Применение наноструктурных материалов для процессов водоочистки // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. №5. С. 21-22.

12. Ибрагимов И. М., Ковшов А. И., Назаров Ю. Ф. Основы компьютерного моделирования наносистем: Учебное пособие. Спб.: Издательство «Лань», 2009.-384 с.

13. Ковшов А. Н., Назаров Ю. Ф., Ибрагимов И. М. Методы компьютерного моделирования наноструктур // II Международный форум по нано-технологиям «Роснанотех-2009», Москва, 6-8 октября: сб. тезисов докладов. М, 2009. С. 206-207.

14. Ковшов А. Н., Назаров 10. Ф., Ибрагимов И. М. Основы нанотехнологии в технике. М.: Издательский центр «Академия», 2009. 240 с.

15. Лосев К. С. Экологические проблемы и перспективы устойчивого развития России в XXI веке. М.: Космосинформ, 2001. 399 с.

16. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения за 2005 год / Сборник статей под ред. П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2006. 152 с.

17. Наноматериалы. Нанотехнологии. Наносистемная техника. Мировые достижения 2008 год / Сборник статей под ред. П. П. Мальцева. М.: Техносфера, 2008. 432 с.

18. Наноструктурные материалы / Под ред. Р. Ханиика, А. Хилл. М.: Техносфера, 2009. 488 с.

19. Повышение экологической безопасности тепловых электростанций / А. И. Абрамов, Д. П. Елизаров, А. Н. Ремезов и др. М.: Издательство МЭИ, 2001.378 с.

20. Пул-мл. Ч., Оуэне Ф. Нанотехнологии. М.: Техносфера, 2007. 376с.

21. Рамбиди Н.Г., Березкин А. В. Физические и химические основы нанотехнологий. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. - 456 с.

22. Семёнова И. В. Промышленная экология. М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 528 с.

23. Справочник Шпрингера по нанотехнологиям (в 3-х томах) / Под ред. Б. Бхушана. М.: Техносфера, 2010.

24. Ступин Д. Ю. Загрязнение почв и новейшие технологии их восстановления. СПб.: Издательство «Лань», 2009. - 432 с.

25. Шевердяев О. PI. 1Танотехнологии и наноматериалы. М.: Издательство МГОУ, 2009. 112 с.

26. Энергетика и экология России в XXI веке: Обзор / Институт энергетической стратегии, Фонд «Институт глобальных проблем энергоэффективности и экологии». М.: ГУ ИЭС: ИГПЭиЭ, 2001. 65 с.

27. Abesser С. Development of a geochemical transport model for the Gatehampton abstraction site using PPIAST. Keyworth, Nottingham, British Geological Survey, 2009. 45 P.

28. Appelo C. A. J., Rolle M. PPIT3D: A reactive multicomponent transport model for saturated porous media // Ground Water. 2010. V. 48. P. 627-632.

29. Crawford J. Geochemical Modelling A Review of Current Capabilities and Future Directions // SNV Report 262. Sweidish Environmental Protection Agency. Stockholm, 1999. 39 p.

30. Elliott D.W, Lien H-L., Zhang W-X. Nanoscale zero-valent iron (nZVI) for site remediation // Environmental Applications of Nanomaterials: Synthesis, Sorbents and Sensors / London: Imperial College Press, 2007, Chapter 2, P. 25-48.

31. Fiedor J. N., Bostick W. D., Jarabek R. J., Farrell J. Understanding the Mechanisms of Uranium Removal from Groundwater by Zero-Valent Iron Using X-Ray Photoelectron Spectroscopy // Envir. Sei. Techn. 1998. V. 32. P. 1466 -1473.

32. Filipponi L., Sutherland D. Applications of nanotechnology: Environment NanoCap FP6 Project, 2007. 14 p.

33. Fryxell Glen. E., Cao G., Environmental applications of Nanomateri-als: London: Imperial College Press. 2007. 507 P.

34. Groza N., Radulescu R., Panturu E., Filcenco-Olteanu A., Panturu R. I. Zero-Valent Iron Used for Radioactive Waste Water Treatment. // Chem. Bull. "POLITEHNICA" Univ (Timisoara). 2009. V. 54 (68). P. 21 -25.

35. Gu B., Liang L., Dickey M. J. et al. Reductive Precipitation of Ura-nium(IV) by Zero-Valent Iron // Environ. Sei. Technol. 1998. V. 32. P. 3366-3373.

36. Holch J. Thermodynamic and kinetic degradation reactions of organic substances in groundwater modeled with PHREEQC. Freiburg: Institut fuer Ply-drologie. Albert-Ludwigs Universitaet Freiburg i. Br., June 2008.

37. Johnson R. H. Reactive Transport Modeling for the Proposed Dewey Burdock Uranium In-Situ Recovery Mine, Edgemont, South Dakota, USA // Mine Water Managing the Challenges / Eds. Rüde R. T., Freund A. and Wolkersdorfer C.). Aachen, 2011. P. 221 - 225.

38. Joo S. H., Cheng I. F. Nanotechnology for Environmental Remediation. New York: Springer, 2006. 165 p.

39. Junyapoon S. Use of Zero-valent Iron for Wastewater Treatment // KMITL Sei. Tech. J. 2005. V. 5. N. 3. P. 587 595.

40. Kam B., Kuiken T., Otto M. Nanotechnology and in Situ Remediation: a Review of the Benefits and Potential Risks // Environmental Health Perspectives. 2009. V. 117. N. 12. P. 1832 1831

41. Kessler H., Mathers S., Lelliott M., Hughes A., Macdonald D. Rigorous 3D geological models as the basis for groundwater modelling. In: Three-dimensional geologic mapping for groundwater applications, Workshop extended abstracts, Denver, Colorado, 2007.

42. Komnitsas K., Bartzas G., Paspaliaris I. Inorganic Contaminant Fate Assessment in Zero-Valent Iron Treatment Walls // Environmental Forensics. 2006. V. 7. P. 207-217.

43. Konikow L. F. Use of numerical models to simulate groundwater flow and transport // Modelling. Environmental isotopes in the hydrological cycle: Principles and applications. / Ed. Y.Yurtsever. IAEA, Vienna, 1999. P. 75-116.

44. Konikow L. F. The Secret to Successful Solute-Transport Modeling // Ground Water. 2011. V. 49. N. 2. P. 144 159.

45. Krajangpan S., Chisholm B. J., Kalita H., Bezbaruah A. N., Challenges in Groundwater Remediation with Iron Nanoparticles: Enabling Colloidal Stability // Nanotechnologies for Water Environment Applications. 2009. P. 191 -212.

46. Kumar C. P. Groundwater flow models: an overview // Groundwater Modelling and Management / Eds. N. C. Ghosh & K. D. Sharma. New Delhi: Capital Publishing Company, 2006. P. 153-178.

47. Kwong S., Small J., Tahar B. Modelling the Remediation of Contaminated Groundwater Using Zero-Valent Iron Barrier // WM'07 Conference, February 25-March 1, 2007, Tucson, AZ.

48. Kwong S., Small J., Thompson O. R. Modelling Uranium Waste Residue Release and Transport Within a Near Surface Repository 9137. // WM2009 Conference, March 1-5, 2009, Phoenix, AZ.

49. Lewinski N. Nanotechnology for Waste Minimization and Pollution Prevention. NNEMS Report, Aug. 2008. 57 p.

50. Louris T., Kunz R. G. Nanotechnology: Environmental Implications and Solutions: John Wiley and Sons. Inc. 2005. 378 P.

51. Lowry G. Nanomaterials for Groundwater Remediation // Environmental Nanotechnology: Applications and Impacts of Nanomaterials / Eds. M. R. Wiesner and J.-Y. Bottero. New York: McGraw-Hill, 2007. P. 297-336.

52. Manning B., Raj Kanek S., Charlet L. et al. Removal of Arsenic (III) from Groundwater by Nanoscale Zero-Valent Iron // Environ. Sei. Technol. 2005. V. 39. P. 1291 -1298.

53. Mbudi C., Merkel B. A Laboratory Assessment of Uranium and Arsenic Removal Efficiency from Schneckenstein Uranium Tailing Leachates Using Scrap Iron // Wiss. Mitt. Inst. Geol. TU BAF, 2005.V. 28, P. 43-48.

54. Merkel B. J., Planer-Friedrich B. Groundwater Geochemistry. A practical Guide to Modeling of Natural and Contaminated Aquatic Systems. Berlin: Springer. 2005. 200 P.

55. Mueller N. C., Novack B. Nano zero valent iron The solution for water and soil remediation? Report of the ObservatoryNANO, 2010.

56. Nanotechnology for site remediation fact sheet // US Environmental Protection Agency. EPA 542-F-08-009, October 2008. 17 p.

57. Noubactep C. A critical review on the mechanism of contaminant removal in Fe°-I-I20 systems // Environ. Technol. 2008. V. 29 (8)/ P. 909-920.

58. Nowack B. Pollution Prevention and Treatment Using Nanotechnology // Nanotechnology. Vol. 2: Environmental aspects / Ed. By H. Krug. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co, 2008. P. 1-15.

59. Parkhurst D. L., Kipp K. L., Charlton S. R. PHAST Version 2 — A program for simulating groundwater flow, solute transport, and multicomponent geochemical reactions: U.S. Geological Survey Techniques and Methods 6-A35, 2010. 235 p.

60. Potential Nano-Enabled Environmental Applications for Radionuclides. US Environmental Protection Agency. EPA 402-R-90-002, 2009. 152 p.

61. Ranjan D., Tripathi A. K. Computational Nanotechnology: An As-sesment // Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures. V. 4. P. 233 241.

62. Reilly T. E., Harbaugh A. W. Guidelines for Evaluating Ground-Water Flow Models. US Geological Survey Scientific Investigations Report 20045038, 2004. 30 p.

63. Savage N., Diallo M. S. Nanomaterials and water purification: Opportunities and challenges // Journal of Nanoparticles Research. 2005. V. 7. P. 331 -342.

64. Segar D., Basberg L., Saether O. M. An introduction to hydrogeologi-cal and geochemical models and modeling. The Geological Survey of Norway (NGU). Report No 97.117, 1997. 108 p.

65. Tansel B. New technologies for water and wastewater treatment: A survey of recent patents // Recent Patents on Chemical Engineering. 2008. V. 1. P. 17-26.

66. Tratnyek P. G., Johnson R. L. Nanotechnologies for environmental cleanup //Nanotoday. 2006. V. 1. N. 2. P. 44-48.

67. Wei-xian Z. Nanoscale iron particles for environmental remediation: An overview // Journal ofNanoparticle Research. 2003. V. 5. P. 323 332

68. Wiesner M. R., Bottero J.-Y. Nanotechnology and the Environment Remediation // Environmental Nanotechnology: Applications and Impacts of Nanomaterials / Eds. M. R. Wiesner and J.-Y. Bottero. New York: McGraw-Hill, 2007. P. 3-14.

69. Zhang W. Nanoscale Iron Particles for Environmental Remediation: An Overview // Journal of Nanoparticle Research. 2003. N.5. P.323-332.