Войти в мой кабинет
Регистрация
ГОТОВЫЕ РАБОТЫ / ДИССЕРТАЦИЯ, ПРИРОДООБУСТРОЙСТВО И ВОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

Наночастицы серебра и палладия для очистки воды.

irina_krut2019 2490 руб. КУПИТЬ ЭТУ РАБОТУ
Страниц: 83 Заказ написания работы может стоить дешевле
Оригинальность: неизвестно После покупки вы можете повысить уникальность этой работы до 80-100% с помощью сервиса
Размещено: 04.01.2020
Магистерская диссертация по теме «Наночастицы серебра и палладия для очистки воды» содержит N страницы текстового документа, 29 рисунков, 29 таблиц и 129 использованных источников. Ключевые слова: наночастицы серебра, наночастицы палладия, биосинтез, бактерии, мульти резистентность бактерий, плазмонный резонанс. Цель работы: биосинтез и подбор оптимальных условий реакции для получения наночастиц серебра и палладия методом зелёной химии, пригодных для использования в фильтрах и системах очистки воды. В ходе работы были поставлены следующие задачи: • Поиск и оптимизация метода биосинтеза металлических наночастиц серебра и палладия при помощи метилотрофной батерии Methylopilus quaylei (MT) и её стрептомициноустойчивого штамма (SMR). • Подбор оптимального продуцента для биосинтеза наночастиц серебра и палладия. • Подбор оптимальных температур для синтеза наночастиц в присутствии M. quaylei (MT) и M. quaylei (SMR). • Подбор оптимального pH для синтеза наночастиц в присутствии M. quaylei (MT) и M. quaylei (SMR). • Характеристика особенностей НЧ серебра и палладия, полученных в подобранных условиях при помощи M. quaylei (MT) и M. quaylei (SMR). • Поиск и изучение возможных методов применения полученных наночастиц для очистки воды. В результате проделанной работы был изучен путь биосинтеза наночастиц серебра и палладия из солей (нитрат серебра и тетрахлорпалаидат натрия), получены устойчивые растворы наночастиц с характерными пиками при детектировании спектрофотометрическим методом, рассмотрены различные возможности их применения.
Введение

Обеспечение безопасной питьевой водой в настоящее время является первоочередной задачей для гуманитарных целей и остается большой глобальной проблемой для 21-го века. В результате нехватки пресной воды многие страны сосредоточены на поиске нетрадиционных источников воды, включая опреснение, сбор дождевой воды, очистку сточных вод и использование солоноватой воды. Водные патогенные микроорганизмы Escherichia coli, Shigella spp., Salmonella spp., Vibrio spp. и простейшие (Cryptosporidium) загрязняют водные ресурсы и вызывают различные заболевания. ВОЗ рекомендовала использовать любую воду, предназначенную для питья, при анализе которой не обнаружены колиформные и термотолерантные колиформные бактерии. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) указывает, что методы дезинфекции хлорированием, которые в настоящее время используются при обработке питьевой воды, могут эффективно бороться с микробными патогенами, но призывает найти альтернативные способы, позволяющие добиться обеззараживания воды и удаления загрязняющих веществ. Одним из наиболее важных применений нанотехнологий считается быстрый, дешевый, без каких-либо токсичных химических веществ и экологически чистый метод зеленой химии для синтеза наночастиц Вследствие исключительных характеристик наноразмерных частиц, таких как улучшенные свойства катализа и адсорбции, а также высокая реакционная способность, наноматериалы стали предметом активных исследований и разработок во всем мире в последние годы. Многочисленные исследования показали, что наноматериалы могут эффективно удалять различные загрязнители в воде и, таким образом, успешно применяться при очистке воды и сточных вод. В данной работе будут рассмотрены пути биосинтеза наночастиц серебра и палладия, а также возможные варианты их применения для очистки воды. В ходе работы были поставлены следующие задачи: • Поиск и оптимизация метода биосинтеза металлических наночастиц серебра и палладия при помощи метилотрофной батерии Methylopilus quaylei (MT) и её стрептомициноустойчивого штамма (SMR). • Подбор оптимального продуцента для биосинтеза наночастиц серебра и палладия. • Подбор оптимальных температур для синтеза наночастиц в присутствии M. quaylei (MT) и M. quaylei (SMR). • Подбор оптимального pH для синтеза наночастиц в присутствии M. quaylei (MT) и M. quaylei (SMR). • Характеристика особенностей НЧ серебра и палладия, полученных в подобранных условиях при помощи M. quaylei (MT) и M. quaylei (SMR). • Поиск и изучение возможных методов применения полученных наночастиц для очистки воды.
Содержание

Список принятых сокращений 5 Введение 6 I. Литературный обзор 8 1.1 Перспективы биосинтеза наночастиц металлов 8 1.2 Биологические аспекты синтеза наночастиц 9 1.3 Биосинтез наночастиц металлов при помощи бактерий 11 1.4 Наноматериалы для очистки воды и сточных вод 12 1.5 Наночастицы серебра 13 1.6 Наночастицы палладия 15 1.7 Альтернативные металлы 15 1.8 Наночастицы оксидов металлов 20 1.9 Углеродные нанотрубки 25 1.10 Нанокомпозиты 27 II. Теоретическая часть 33 2.1 Объекты исследования 33 2.2 Выбор оптимального продуцента для биосинтеза наночастиц серебра 34 2.3 Влияние температуры на биосинтез наночастиц серебра в присутствии Metylophilus quaylei MT 38 2.4 Влияние температуры и значения pH на биосинтез наночастиц серебра в присутствии Metylophilus quaylei MT 42 2.5 Выбор оптимального продуцента для биосинтеза наночастиц палладия 47 2.6 Влияние температуры на биосинтез наночастиц палладия в присутствии Metylophilus quaylei SMR 52 2.7 Влияние температуры и pH на биосинтез наночастиц палладия в присутствии Metylophilus quaylei SMR 54 III. Экспериментальная часть 58 3.1 Пpибopы и мaтеpиaлы 58 3.2 Приготовление питательной среды для культивирования 59 3.3 Культивирование чистой культуры метилотрофной бактерии M. quaylei 60 3.4 Исследование образцов методом ФКС и UV/Vis спектроскопии 60 3.5 Выбор оптимального объекта для биосинтеза наночастиц серебра и палладия 60 3.6 Влияние температуры на биосинтез наночастиц палладия и серебра в присутствии Metylophilus quaylei MT и SMR 61 3.7 Влияние температуры и значения pH на биосинтез наночастиц палладия и серебра в присутствии Metylophilus quaylei MT и SMR 62 3.8 Схема расчёта концентрации наночастиц на примере наночастиц серебра 63 3.9 Определение коэффициента экстинкции для наночастиц 65 Выводы: 67 Список использованной литературы: 68
Список литературы

1. C. Buzea, I. I. Pacheco, and K. Robbie, “Nanomaterials and nanoparticles: sources and toxicity,” Biointerphases, vol. 2, no. 4, pp. MR17–MR71, 2007. 2. V. Parmon, “Nanomaterials in catalysis,” Materials Research Innovations, vol. 12, no. 2, pp. 60–61, 2008. 3. X.-J. Liang, A. Kumar, D. Shi, and D. Cui, “Nanostructures for medicine and pharmaceuticals,” Journal of Nanomaterials, vol. 2012, Article ID 921897, 2 pages, 2012. 4. A. Kusior, J. Klich-Kafel, A. Trenczek-Zajac, K. Swierczek, M. Radecka, and K. Zakrzewska, “TiO2–SnO2nanomaterials for gas sensing and photocatalysis,” Journal of the European Ceramic Society, vol. 33, no. 12, pp. 2285–2290, 2013. 5. B. Bujoli, H. Roussiere, G. Montavon et al., “Novel phosphate–phosphonate hybrid nanomaterials applied to biology,” Progress in Solid State Chemistry, vol. 34, no. 2–4, pp. 257–266, 2006. 6. M. M. Khin, A. S. Nair, V. J. Babu, R. Murugan, and S. Ramakrishna, “A review on nanomaterials for environmental remediation,” Energy & Environmental Science, vol. 5, no. 8, pp. 8075–8109, 2012. 7. W.-W. Tang, G.-M. Zeng, J.-L. Gong et al., “Impact of humic/fulvic acid on the removal of heavy metals from aqueous solutions using nanomaterials: a review,” Science of the Total Environment, vol. 468-469, pp. 1014–1027, 2014. 8. J. Yan, L. Han, W. Gao, S. Xue, and M. Chen, “Biochar supported nanoscale zerovalent iron composite used as persulfate activator for removing trichloroethylene,” Bioresource Technology, vol. 175, pp. 269–274, 2015. 9. F. Liu, J. H. Yang, J. Zuo et al., “Graphene-supported nanoscale zero-valent iron: removal of phosphorus from aqueous solution and mechanistic study,” Journal of Environmental Sciences, vol. 26, no. 8, pp. 1751–1762, 2014. 10. R. S. Kalhapure, S. J. Sonawane, D. R. Sikwal et al., “Solid lipid nanoparticles of clotrimazole silver complex: an efficient nano antibacterial against Staphylococcus aureus and MRSA,” Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, vol. 136, pp. 651–658, 2015. 11. B. Borrego, G. Lorenzo, J. D. Mota-Morales et al., “Potential application of silver nanoparticles to control the infectivity of Rift Valley fever virus in vitro and in vivo,” Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, vol. 12, no. 5, pp. 1185–1192, 2016. 12. C. Krishnaraj, R. Ramachandran, K. Mohan, and P. T. Kalaichelvan, “Optimization for rapid synthesis of silver nanoparticles and its effect on phytopathogenic fungi,” Spectrochimica Acta—Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, vol. 93, pp. 95–99, 2012. 13. I. Sondi and B. Salopek-Sondi, “Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for Gram-negative bacteria,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 275, no. 1, pp. 177–182, 2004. 14. M. Danilczuk, A. Lund, J. Sadlo, H. Yamada, and J. Michalik, “Conduction electron spin resonance of small silver particles,” Spectrochimica Acta—Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, vol. 63, no. 1, pp. 189–191, 2006. 15. K. I. Dhanalekshmi and K. S. Meena, “DNA intercalation studies and antimicrobial activity of Ag@ZrO2core–shell nanoparticles in vitro,” Materials Science and Engineering: C, vol. 59, pp. 1063–1068, 2016. 16. S. Prabhu and E. K. Poulose, “Silver nanoparticles: mechanism of antimicrobial action, synthesis, medical applications, and toxicity effects,” International Nano Letters, vol. 2, no. 1, p. 32, 2012. 17. X. Li, J. J. Lenhart, and H. W. Walker, “Aggregation kinetics and dissolution of coated silver nanoparticles,” Langmuir, vol. 28, no. 2, pp. 1095–1104, 2012. 18. D. V. Quang, P. B. Sarawade, S. J. Jeon et al., “Effective water disinfection using silver nanoparticle containing silica beads,” Applied Surface Science, vol. 266, pp. 280–287, 2013. 19. T. A. Dankovich and D. G. Gray, “Bactericidal paper impregnated with silver nanoparticles for point-of-use water treatment,” Environmental Science and Technology, vol. 45, no. 5, pp. 1992–1998, 2011. 20. A. M. Ferreira, E. B. Roque, F. V. D. Fonseca, and C. P. Borges, “High flux microfiltration membranes with silver nanoparticles for water disinfection,” Desalination & Water Treatment, vol. 56, no. 13, pp. 3590–3598, 2015. 21. D. Ren and J. A. Smith, “Retention and transport of silver nanoparticles in a ceramic porous medium used for point-of-use water treatment,” Environmental Science and Technology, vol. 47, no. 8, pp. 3825–3832, 2013. 22. E. N. Kallman, V. A. Oyanedel-Craver, and J. A. Smith, “Ceramic filters impregnated with silver nanoparticles for point-of-use water treatment in rural guatemala,” Journal of Environmental Engineering, vol. 137, no. 6, pp. 407–415, 2011. 23. V. A. Oyanedel-Craver and J. A. Smith, “Sustainable colloidal-silver-impregnated ceramic filter for point-of-use water treatment,” Environmental Science and Technology, vol. 42, no. 3, pp. 927–933, 2008. 24. A. M. Mikelonis, S. Youn, and D. F. Lawler, “DLVO approximation methods for predicting the attachment of silver nanoparticles to ceramic membranes,” Langmuir, vol. 32, no. 7, pp. 1723–1731, 2016. 25. M. Rivero-Huguet and W. D. Marshall, “Reduction of hexavalent chromium mediated by micron- and nano-scale zero-valent metallic particles,” Journal of Environmental Monitoring, vol. 11, no. 5, pp. 1072–1079, 2009. 26. L. J. Matheson and P. G. Tratnyek, “Reductive dehalogenation of chlorinated methanes by iron metal,” Environmental Science and Technology, vol. 28, no. 12, pp. 2045–2053, 1994. 27. Y. Wang, Z. Fang, Y. Kang, and E. P. Tsang, “Immobilization and phytotoxicity of chromium in contaminated soil remediated by CMC-stabilized nZVI,” Journal of Hazardous Materials, vol. 275, pp. 230–237, 2014. 28. F. Fu, D. D. Dionysiou, and H. Liu, “The use of zero-valent iron for groundwater remediation and wastewater treatment: a review,” Journal of Hazardous Materials, vol. 267, pp. 194–205, 2014. 29. D.-W. Liang, Y.-H. Yang, W.-W. Xu, S.-K. Peng, S.-F. Lu, and Y. Xiang, “Nonionic surfactant greatly enhances the reductive debromination of polybrominated diphenyl ethers by nanoscale zero-valent iron: mechanism and kinetics,” Journal of Hazardous Materials, vol. 278, pp. 592–596, 2014. 30. Z. Xiong, B. Lai, P. Yang, Y. Zhou, J. Wang, and S. Fang, “Comparative study on the reactivity of Fe/Cu bimetallic particles and zero valent iron (ZVI) under different conditions of N2, air or without aeration,” Journal of Hazardous Materials, vol. 297, pp. 261–268, 2015. 31. G. E. Hoag, J. B. Collins, J. L. Holcomb, J. R. Hoag, M. N. Nadagouda, and R. S. Varma, “Degradation of bromothymol blue by ‘greener’ nano-scale zero-valent iron synthesized using tea polyphenols,” Journal of Materials Chemistry, vol. 19, no. 45, pp. 8671–8677, 2009. 32. X. Y. Wang, M. P. Zhu, H. L. Liu, J. Ma, and F. Li, “Modification of Pd–Fe nanoparticles for catalytic dechlorination of 2,4-dichlorophenol,” Science of the Total Environment, vol. 449, pp. 157–167, 2013. 33. M. N. Arancibia, S. E. Baltazar, A. Garcia et al., “Nanoscale zero valent supported by Zeolite and Montmorillonite: template effect of the removal of lead ion from an aqueous solution,” Journal of Hazardous Materials, vol. 301, pp. 371–380, 2016. 34. Z. Markova, K. M. Siskova, J. Filip et al., “Air stable magnetic bimetallic Fe-Ag nanoparticles for advanced antimicrobial treatment and phosphorus removal,” Environmental Science and Technology, vol. 47, no. 10, pp. 5285–5293, 2013. 35. G. G. Muradova, S. R. Gadjieva, L. Di Palma, and G. Vilardi, “Nitrates removal by bimetallic nanoparticles in water,” Chemical Engineering Transactions, vol. 47, pp. 205–210, 2016. 36. L. Ling, B. Pan, and W.-X. Zhang, “Removal of selenium from water with nanoscale zero-valent iron: mechanisms of intraparticle reduction of Se(IV),” Water Research, vol. 71, pp. 274–281, 2015. 37. L. Ling and W.-X. Zhang, “Enrichment and encapsulation of uranium with iron nanoparticle,” Journal of the American Chemical Society, vol. 137, no. 8, pp. 2788–2791, 2015. 38. M. T. Gueye, L. D. Palma, G. Allahverdeyeva et al., “Hexavalent chromium reduction by nano zero valent iron in soil,” Chemical Engineering Transactions, vol. 47, pp. 289–294, 2016. 39. W.-X. Zhang, “Nanoscale iron particles for environmental remediation: an overview,” Journal of Nanoparticle Research, vol. 5, no. 3-4, pp. 323–332, 2003. 40. S. G. Bratsch, “Standard electrode potentials and temperature coefficients in water at 298.15?K,” Journal of Physical and Chemical Reference Data, vol. 18, no. 1, pp. 1–21, 1989. 41. M. Stefaniuk, P. Oleszczuk, and Y. S. Ok, “Review on nano zerovalent iron (nZVI): From synthesis to environmental applications,” Chemical Engineering Journal, vol. 287, pp. 618–632, 2016. 42. Y. H. Liou, S.-L. Lo, C.-J. Lin, W. H. Kuan, and S. C. Weng, “Chemical reduction of an unbuffered nitrate solution using catalyzed and uncatalyzed nanoscale iron particles,” Journal of Hazardous Materials, vol. 127, no. 1–3, pp. 102–110, 2005. 43. R. Singh and V. Misra, “Stabilization of zero-valent iron nanoparticles: role of polymers and surfactants,” in Handbook of Nanoparticles, pp. 1–19, Springer, New York, NY, USA, 2015. 44. Z.-X. Chen, X.-Y. Jin, Z. Chen, M. Megharaj, and R. Naidu, “Removal of methyl orange from aqueous solution using bentonite-supported nanoscale zero-valent iron,” Journal of Colloid and Interface Science, vol. 363, no. 2, pp. 601–607, 2011. 45. X. Y. Li, L. H. Ai, and J. Jiang, “Nanoscale zerovalent iron decorated on graphene nanosheets for Cr(VI) removal from aqueous solution: surface corrosion retard induced the enhanced performance,” Chemical Engineering Journal, vol. 288, pp. 789–797, 2016. 46. X. S. Lv, X. Q. Xue, G. M. Jiang et al., “Nanoscale zero-valent iron (nZVI) assembled on magnetic Fe3O4/graphene for chromium (VI) removal from aqueous solution,” Journal of Colloid & Interface Science, vol. 417, pp. 51–59, 2014. 47. N. D. Berge and C. A. Ramsburg, “Oil-in-water emulsions for encapsulated delivery of reactive iron particles,” Environmental Science & Technology, vol. 43, no. 13, pp. 5060–5066, 2009. 48. V. Bokare, J.-L. Jung, Y.-Y. Chang, and Y.-S. Chang, “Reductive dechlorination of octachlorodibenzo-p-dioxin by nanosized zero-valent zinc: Modeling of rate kinetics and congener profile,” Journal of Hazardous Materials, vol. 250-251, pp. 397–402, 2013. 49. P. G. Tratnyek, A. J. Salter, J. T. Nurmi, and V. Sarathy, “Environmental applications of zerovalent metals: iron vs. zinc,” in Nanoscale Materials in Chemistry: Environmental Applications, vol. 1045 of ACS Symposium Series, chapter 9, pp. 165–178, 2010. 50. A. Fujishima and K. Honda, “Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode,” Nature, vol. 238, no. 5358, pp. 37–38, 1972. 51. K. Guesh, A. Mayoral, C. M. Alvarez, Y. Chebude, and I. Diaz, “Enhanced photocatalytic activity of TiO2supported on zeolites tested in real wastewaters from the textile industry of Ethiopia,” Microporous and Mesoporous Materials, vol. 225, pp. 88–97, 2016. 52. K. Imamura, T. Yoshikawa, K. Hashimoto, and H. Kominami, “Stoichiometric production of aminobenzenes and ketones by photocatalytic reduction of nitrobenzenes in secondary alcoholic suspension of titanium(IV) oxide under metal-free conditions,” Applied Catalysis B: Environmental, vol. 134-135, pp. 193–197, 2013. 53. S. B. Rawal, S. Bera, D. Lee, D.-J. Jang, and W. I. Lee, “Design of visible-light photocatalysts by coupling of narrow bandgap semiconductors and TiO2: effect of their relative energy band positions on the photocatalytic efficiency,” Catalysis Science and Technology, vol. 3, no. 7, pp. 1822–1830, 2013. 54. T. Ohsaka, K. Shinozaki, K. Tsuruta, and K. Hirano, “Photo-electrochemical degradation of some chlorinated organic compounds on n-TiO2 electrode,” Chemosphere, vol. 73, no. 8, pp. 1279–1283, 2008. 55. M. Guo, W. Song, T. Wang, Y. Li, X. Wang, and X. Du, “Phenyl-functionalization of titanium dioxide-nanosheets coating fabricated on a titanium wire for selective solid-phase microextraction of polycyclic aromatic hydrocarbons from environment water samples,” Talanta, vol. 144, pp. 998–1006, 2015. 56. Y. Lee, S. Kim, P. Venkateswaran, J. Jang, H. Kim, and J. Kim, “Anion co-doped Titania for solar photocatalytic degradation of dyes,” Carbon letters, vol. 9, no. 2, pp. 131–136, 2008. 57. A. T. Nguyen, C.-T. Hsieh, and R.-S. Juang, “Substituent effects on photodegradation of phenols in binary mixtures by hybrid H2O2 and TiO2 suspensions under UV irradiation,” Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, vol. 62, pp. 68–75, 2016. 58. M. G. Alalm, A. Tawfik, and S. Ookawara, “Comparison of solar TiO2 photocatalysis and solar photo-Fenton for treatment of pesticides industry wastewater: operational conditions, kinetics, and costs,” Journal of Water Process Engineering, vol. 8, pp. 55–63, 2015. 59. G. Moon, D. Kim, H. Kim, A. D. Bokare, and W. Choi, “Platinum-like behavior of reduced graphene oxide as a cocatalyst on TiO2 for the efficient photocatalytic oxidation of arsenite,” Environmental Science & Technology Letters, vol. 1, no. 2, pp. 185–190, 2014. 60. S. H. Kim, S. W. Lee, G. M. Lee, B.-T. Lee, S.-T. Yun, and S.-O. Kim, “Monitoring of TiO2-catalytic UV-LED photo-oxidation of cyanide contained in mine wastewater and leachate,” Chemosphere, vol. 143, pp. 106–114, 2016. 61. Z. P. Chen, Y. Li, M. Guo et al., “One-pot synthesis of Mn-doped TiO2 grown on graphene and the mechanism for removal of Cr(VI) and Cr(III),” Journal of Hazardous Materials, vol. 310, pp. 188–198, 2016. 62. A. Mills and S. Le Hunte, “An overview of semiconductor photocatalysis,” Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, vol. 108, no. 1, pp. 1–35, 1997. 63. H. A. Foster, I. B. Ditta, S. Varghese, and A. Steele, “Photocatalytic disinfection using titanium dioxide: spectrum and mechanism of antimicrobial activity,” Applied Microbiology and Biotechnology, vol. 90, no. 6, pp. 1847–1868, 2011. 64. M. Anpo, S. Kishiguchi, Y. Ichihashi et al., “The design and development of second-generation titanium oxide photocatalysts able to operate under visible light irradiation by applying a metal ion-implantation method,” Research on Chemical Intermediates, vol. 27, no. 4-5, pp. 459–467, 2001. 65. W. Mu, J.-M. Herrmann, and P. Pichat, “Room temperature photocatalytic oxidation of liquid cyclohexane into cyclohexanone over neat and modified TiO2,” Catalysis Letters, vol. 3, no. 1, pp. 73–84, 1989. 66. M. K. Seery, R. George, P. Floris, and S. C. Pillai, “Silver doped titanium dioxide nanomaterials for enhanced visible light photocatalysis,” Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, vol. 189, no. 2-3, pp. 258–263, 2007. 67. K. Page, R. G. Palgrave, I. P. Parkin, M. Wilson, S. L. P. Savin, and A. V. Chadwick, “Titania and silver–titania composite films on glass—potent antimicrobial coatings,” Journal of Materials Chemistry, vol. 17, no. 1, pp. 95–104, 2007. 68. J.-P. Kim, I.-H. Cho, I.-T. Kim, C.-U. Kim, N. H. Heo, and S.-H. Suh, “Manufacturing of anti-viral inorganic materials from colloidal silver and titanium oxide,” Revue Roumaine de Chimie, vol. 51, no. 11, pp. 1121–1129, 2006. 69. C.-C. Liu, Y.-H. Hsieh, P.-F. Lai, C.-H. Li, and C.-L. Kao, “Photodegradation treatment of azo dye wastewater by UV/TiO2 process,” Dyes and Pigments, vol. 68, no. 2-3, pp. 191–195, 2006. 70. Q. Wang, X. Wang, Z. Wang, J. Huang, and Y. Wang, “PVDF membranes with simultaneously enhanced permeability and selectivity by breaking the tradeoff effect via atomic layer deposition of TiO2,” Journal of Membrane Science, vol. 442, pp. 57–64, 2013. 71. S. Meng, J. Mansouri, Y. Ye, and V. Chen, “Effect of templating agents on the properties and membrane distillation performance of TiO2-coated PVDF membranes,” Journal of Membrane Science, vol. 450, pp. 48–59, 2014. 72. A. Razmjou, J. Mansouri, V. Chen, M. Lim, and R. Amal, “Titania nanocomposite polyethersulfone ultrafiltration membranes fabricated using a low temperature hydrothermal coating process,” Journal of Membrane Science, vol. 380, no. 1-2, pp. 98–113, 2011. 73. A. Razmjou, A. R. L. Holmes, H. Li, J. Mansouri, and V. Chen, “The effect of modified TiO2nanoparticles on the polyethersulfone ultrafiltration hollow fiber membranes,” Desalination, vol. 287, pp. 271–280, 2012. 74. L. M. Hamming, R. Qiao, P. B. Messersmith, and L. C. Brinson, “Effects of dispersion and interfacial modification on the macroscale properties of TiO2 polymer-matrix nanocomposites,” Composites Science and Technology, vol. 69, no. 11-12, pp. 1880–1886, 2009. 75. S. Rajesh, S. Senthilkumar, A. Jayalakshmi, M. T. Nirmala, A. F. Ismail, and D. Mohan, “Preparation and performance evaluation of poly (amide–imide) and TiO2 nanoparticles impregnated polysulfone nanofiltration membranes in the removal of humic substances,” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol. 418, pp. 92–104, 2013. 76. W. Kangwansupamonkon, W. Jitbunpot, and S. Kiatkamjornwong, “Photocatalytic efficiency of TiO2/poly[acrylamide-co-(acrylic acid)] composite for textile dye degradation,” Polymer Degradation and Stability, vol. 95, no. 9, pp. 1894–1902, 2010. 77. E. Bet-Moushoul, Y. Mansourpanah, K. Farhadi, and M. Tabatabaei, “TiO2 nanocomposite based polymeric membranes: a review on performance improvement for various applications in chemical engineering processes,” Chemical Engineering Journal, vol. 283, pp. 29–46, 2016. 78. O. Sacco, M. Stoller, V. Vaiano, P. Ciambelli, A. Chianese, and D. Sannino, “Photocatalytic degradation of organic dyes under visible light on N-doped TiO2 photocatalysts,” International Journal of Photoenergy, vol. 2012, Article ID 626759, 8 pages, 2012. 79. M. Stoller, L. Miranda, and A. Chianese, “Optimal feed location in a spinning disc reactor for the production of TiO2 nanoparticles,” Chemical Engineering Transactions, vol. 17, pp. 993–998, 2009. 80. A. Janotti and C. G. Van de Walle, “Fundamentals of zinc oxide as a semiconductor,” Reports on Progress in Physics, vol. 72, no. 12, Article ID 126501, 2009. 81. D. C. Reynolds, D. C. Look, B. Jogai, C. W. Litton, G. Cantwell, and W. C. Harsch, “Valence-band ordering in ZnO,” Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics, vol. 60, no. 4, pp. 2340–2344, 1999. 82. Y. Chen, D. M. Bagnall, H.-J. Koh et al., “Plasma assisted molecular beam epitaxy of ZnO on c-plane sapphire: growth and characterization,” Journal of Applied Physics, vol. 84, no. 7, pp. 3912–3918, 1998. 83. M. L. Schmidt and D. J. L. MacManus, “ZnO-nanostructures, defects, and devices,” Materials Today, vol. 10, pp. 40–48, 2007. 84. N. Daneshvar, D. Salari, and A. R. Khataee, “Photocatalytic degradation of azo dye acid red 14 in water on ZnO as an alternative catalyst to TiO2,” Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, vol. 162, no. 2-3, pp. 317–322, 2004. 85. M. A. Behnajady, N. Modirshahla, and R. Hamzavi, “Kinetic study on photocatalytic degradation of C.I. Acid Yellow 23 by ZnO photocatalyst,” Journal of Hazardous Materials, vol. 133, no. 1–3, pp. 226–232, 2006. 86. C. Gomez-Solis, J. C. Ballesteros, L. M. Torres-Martinez et al., “Rapid synthesis of ZnO nano-corncobs from Nital solution and its application in the photodegradation of methyl orange,” Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, vol. 298, pp. 49–54, 2015. 87. K. M. Lee, C. W. Lai, K. S. Ngai, and J. C. Juan, “Recent developments of zinc oxide based photocatalyst in water treatment technology: a review,” Water Research, vol. 88, pp. 428–448, 2016. 88. M. Samadi, A. Pourjavadi, and A. Z. Moshfegh, “Role of CdO addition on the growth and photocatalytic activity of electrospun ZnO nanofibers: UV vs. visible light,” Applied Surface Science, vol. 298, pp. 147–154, 2014. 89. I.-T. Liu, M.-H. Hon, and L. G. Teoh, “The preparation, characterization and photocatalytic activity of radical-shaped CeO2/ZnO microstructures,” Ceramics International, vol. 40, no. 3, pp. 4019–4024, 2014. 90. M. T. Uddin, Y. Nicolas, C. Olivier et al., “Nanostructured SnO2-ZnO heterojunction photocatalysts showing enhanced photocatalytic activity for the degradation of organic dyes,” Inorganic Chemistry, vol. 51, no. 14, pp. 7764–7773, 2012. 91. H. R. Pant, C. H. Park, B. Pant, L. D. Tijing, H. Y. Kim, and C. S. Kim, “Synthesis, characterization, and photocatalytic properties of ZnO nano-flower containing TiO2 NPs,” Ceramics International, vol. 38, no. 4, pp. 2943–2950, 2012. 92. K. Dai, L. Lu, C. Liang et al., “Graphene oxide modified ZnO nanorods hybrid with high reusable photocatalytic activity under UV-LED irradiation,” Materials Chemistry and Physics, vol. 143, no. 3, pp. 1410–1416, 2014. 93. X. Zhou, T. Shi, and H. Zhou, “Hydrothermal preparation of ZnO-reduced graphene oxide hybrid with high performance in photocatalytic degradation,” Applied Surface Science, vol. 258, no. 17, pp. 6204–6211, 2012. 94. Y. Lei, F. Chen, Y. Luo, and L. Zhang, “Three-dimensional magnetic graphene oxide foam/Fe3O4nanocomposite as an efficient absorbent for Cr(VI) removal,” Journal of Materials Science, vol. 49, no. 12, pp. 4236–4245, 2014. 95. L. Tan, J. Xu, X. Xue et al., “Multifunctional nanocomposite Fe3O4@SiO2-mPD/SP for selective removal of Pb(II) and Cr(VI) from aqueous solutions,” RSC Advances, vol. 4, no. 86, pp. 45920–45929, 2014. 96. A.-F. Ngomsik, A. Bee, D. Talbot, and G. Cote, “Magnetic solid-liquid extraction of Eu(III), La(III), Ni(II) and Co(II) with maghemite nanoparticles,” Separation and Purification Technology, vol. 86, pp. 1–8, 2012. 97. C. L. Warner, R. S. Addleman, A. D. Cinson et al., “High-performance, superparamagnetic, nanoparticle-based heavy metal sorbents for removal of contaminants from natural waters,” ChemSusChem, vol. 3, no. 6, pp. 749–757, 2010. 98. F. Ge, M.-M. Li, H. Ye, and B.-X. Zhao, “Effective removal of heavy metal ions Cd2+, Zn2+, Pb2+, Cu2+from aqueous solution by polymer-modified magnetic nanoparticles,” Journal of Hazardous Materials, vol. 211-212, pp. 366–372, 2012. 99. R. A. Khaydarov, R. R. Khaydarov, and O. Gapurova, “Water purification from metal ions using carbon nanoparticle-conjugated polymer nanocomposites,” Water Research, vol. 44, no. 6, pp. 1927–1933, 2010. 100. H. Liang, B. Xu, and Z. Wang, “Self-assembled 3D flower-like ?-Fe2O3 microstructures and their superior capability for heavy metal ion removal,” Materials Chemistry and Physics, vol. 141, no. 2-3, pp. 727–734, 2013. 101. H. J. Shipley, K. E. Engates, and V. A. Grover, “Removal of Pb(II), Cd(II), Cu(II), and Zn(II) by hematite nanoparticles: effect of sorbent concentration, pH, temperature, and exhaustion,” Environmental Science and Pollution Research, vol. 20, no. 3, pp. 1727–1736, 2013. 102. A. Chatterjee and B. L. Deopura, “Carbon nanotubes and nanofibre: an overview,” Fibers and Polymers, vol. 3, no. 4, pp. 134–139, 2002. 103. X. Peng, Y. Li, Z. Luan et al., “Adsorption of 1,2-dichlorobenzene from water to carbon nanotubes,” Chemical Physics Letters, vol. 376, no. 1-2, pp. 154–158, 2003. 104. C. Lu, F. S. Su, and S. Hu, “Surface modification of carbon nanotubes for enhancing BTEX adsorption from aqueous solutions,” Applied Surface Science, vol. 254, no. 21, pp. 7035–7041, 2008. 105. H.-H. Cho, K. Wepasnick, B. A. Smith, F. K. Bangash, D. H. Fairbrother, and W. P. Ball, “Sorption of aqueous Zn[II] and Cd[II] by multiwall carbon nanotubes: the relative roles of oxygen-containing functional groups and graphenic carbon,” Langmuir, vol. 26, no. 2, pp. 967–981, 2010. 106. Y.-H. Li, J. Ding, Z. Luan et al., “Competitive adsorption of Pb2+, Cu2+ and Cd2+ ions from aqueous solutions by multiwalled carbon nanotubes,” Carbon, vol. 41, no. 14, pp. 2787–2792, 2003. 107. T. Madrakian, A. Afkhami, M. Ahmadi, and H. Bagheri, “Removal of some cationic dyes from aqueous solutions using magnetic-modified multi-walled carbon nanotubes,” Journal of Hazardous Materials, vol. 196, pp. 109–114, 2011. 108. Y.-L. Zhao and J. F. Stoddart, “Noncovalent functionalization of single-walled carbon nanotubes,” Accounts of Chemical Research, vol. 42, no. 8, pp. 1161–1171, 2009. 109. C.-M. Yang, J. S. Park, K. H. An et al., “Selective removal of metallic single-walled carbon nanotubes with small diameters by using nitric and sulfuric acids,” Journal of Physical Chemistry B, vol. 109, no. 41, pp. 19242–19248, 2005. 110. P. Z. Ray and H. J. Shipley, “Inorganic nano-adsorbents for the removal of heavy metals and arsenic: a review,” RSC Advances, vol. 5, no. 38, pp. 29885–29907, 2015. 111. A. S. Adeleye, J. R. Conway, K. Garner, Y. Huang, Y. Su, and A. A. Keller, “Engineered nanomaterials for water treatment and remediation: costs, benefits, and applicability,” Chemical Engineering Journal, vol. 286, pp. 640–662, 2016. 112. Y.-H. Li, S. Wang, J. Wei et al., “Lead adsorption on carbon nanotubes,” Chemical Physics Letters, vol. 357, no. 3-4, pp. 263–266, 2002. 113. A. S. Adeleye and A. A. Keller, “Long-term colloidal stability and metal leaching of single wall carbon nanotubes: effect of temperature and extracellular polymeric substances,” Water Research, vol. 49, pp. 236–250, 2014. 114. V. K. Gupta, S. Agarwal, and T. A. Saleh, “Chromium removal by combining the magnetic properties of iron oxide with adsorption properties of carbon nanotubes,” Water Research, vol. 45, no. 6, pp. 2207–2212, 2011. 115. A. Azari, A.-A. Babaei, R. R. Kalantary, A. Esrafili, M. Moazzen, and B. Kakavandi, “Nitrate removal from aqueous solution using carbon nanotubes magnetized by nano zero-valent iron,” Journal of Mazandaran University of Medical Sciences, vol. 23, no. 2, pp. 14–27, 2014. 116. M. Peyravi, M. Jahanshahi, A. Rahimpour, A. Javadi, and S. Hajavi, “Novel thin film nanocomposite membranes incorporated with functionalized TiO2 nanoparticles for organic solvent nanofiltration,” Chemical Engineering Journal, vol. 241, pp. 155–166, 2014. 117. S. J. Tesh and T. B. Scott, “Nano-composites for water remediation: a review,” Advanced Materials, vol. 26, no. 35, pp. 6056–6068, 2014. 118. X. Ma, A. Gurung, and Y. Deng, “Phytotoxicity and uptake of nanoscale zero-valent iron (nZVI) by two plant species,” Science of the Total Environment, vol. 443, pp. 844–849, 2013. 119. X. L. Chen, J. O’Halloran, and M. A. K. Jansen, “The toxicity of zinc oxide nanoparticles to Lemna minor(L.) is predominantly caused by dissolved Zn,” Aquatic Toxicology, vol. 174, pp. 46–53, 2016. 120. F. M. Li, Z. Liang, X. Zheng, W. Zhao, M. Wu, and Z. Y. Wang, “Toxicity of nano-TiO2 on algae and the site of reactive oxygen species production,” Aquatic Toxicology, vol. 158, pp. 1–13, 2015. 121. WHO/UNICEF, Progress on Drinking Water and Sanitation: 2012. 122. Gao, J., et al., Dispersion and toxicity of selected manufactured nanomaterials in natural river water samples: effects of water chemical composition. Environ Sci Technol, 2009. 43: p. 3322-3328. 123. Kim, J., Antibacterial activity of Ag+ ion-containing silver nanoparticles prepared using the alcohol reduction method. J. Ind. Eng. Chem., 2007. 13: p. 718-722. 124. Vertelov, G., et al., A versatile synthesis of highly bactericidal myramistin stabilized silver nanoparticles. nanotechnology, 2008. 19 (355707-355708). 125. Yoon, K., et al., Antimicrobial effect of silver particles on bacterial contamination of activated carbon fibers. Environ. Sci. Technol., 2008. 42: p. 1251-1255. 126. Balogh, L., et al., Dendrimer-silver complexes and nanocomposites as antimicrobial agents. Nano. Lett., 2001. 1: p. 18-21. 127. Liu, J. and R.H. Hurt, Ion release kinetics and particle persistence in aqueous nano-silver colloids. Environ. Sci. Technol., 2010(44): p. 2169-2175. 128. Boschi-Pinto, C., L. Velebit, and K. Shibuya, Estimating child mortality due to diarrhea in developing countries. World Health Organization Bulletin, 2008. 86: p. 710-717. 129. CMWG, Best Practice Recommendations for Local Manufacturing of Ceramic Pot Filters for Household Water Treatment. 2011: Atlanta, GA, USA
Отрывок из работы

I. Литературный обзор 1.1 Перспективы биосинтеза наночастиц металлов Наночастицы металлов - дисперсные частицы с размером в диапазоне 10-1000 нм [10,11], применяемые в обширном спектре таких важных отраслей, как электроника, медицина, оптика, катализ и др., которые можно получить при помощи различных физических и химических методов. В связи с этим в последнее время большой интерес вызывает биосинтез и получение стабильных металлических наночастиц по принципам «зелёных» технологий, используя в качестве продуцентов растения [37, 38], грибы [39, 40], бактерии и их метаболиты [39-42]. Важнейшей особенностью наночастиц является их отношение площади поверхности к объему, что позволяет им более продуктивно взаимодействовать с другими веществами (например, с растворителями или реактивами при каталитических реакциях) [9,10]. Металлические наночастицы представляют собой одну важную и широко изученную группу материалов, демонстрирующую большое разнообразие и множество различных способов применения. Существуют три основных условия для синтеза НЧ: 1) выбор экологически чистых растворителей, 2) присутствие восстанавливающего агента и 3) нетоксичный материал для стабилизации полученных НЧ. Наночастицы, полученные при использовании растений, грибов и бактерий, имеют несколько потенциальных применений во всех областях науки и техники. Восстановление ионов металлов происходит за счет белков, аминов, аминокислот, фенолов, сахаров, кетонов, альдегидов и карбоновых кислот, присутствующих в растениях и микробах. Геометрическую форму, размер и стабильность наночастиц можно контролировать, контролируя рН, температуру, время инкубации и концентрацию растительного экстракта и соли металла. Изначальная способность микроорганизмов синтезировать металлические наночастицы объясняется адаптивными механизмами биодеградации растворимых солей металлов при помощи восстановления токсичных ионов до нетоксичных наночастиц. Учитывая индивидуальные различия данных механизмов, продуктов метаболита и оптимальных условий культивирования, можно получать наночастицы металлов разных размеров и форм. Таким образом, образование наночастиц является «побочным продуктом» механизма природной резистентности против воздействия конкретного металла, и данное явление можно успешно использовать как альтернативный способ для получения НЧ металлов. Получаемые наночастицы могут обладать уникальными оптическими, физическими, химическими, магнитными и электрическими свойствами по сравнению с более крупными частицами[12,13]. Эти особенности перспективно использовать для создания биосенсоров следующего поколения, электроники, катализаторов и противомикробных препаратов [9,13]. Например, в связи с ростом резистентности микроорганизмов к антибиотикам в последние годы исследования начали фокусироваться на получении антибактериальных наночастиц как потенциально новых медицинских инструментов. Благодаря обширному спектру антибактериального действия наночастицы серебра и золота эффективно ингибируют рост как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий [14,15]. В то же время серебряные наночастицы также могут использоваться в качестве оптических датчиков для образования небольших молекул адсорбатов [16]. 1.2 Биологические аспекты синтеза наночастиц Это может быть достигнуто с помощью биологических методов. Многие бактерии, грибы и растения продемонстрировали способность синтезировать металлические наночастицы, и все они имеют свои преимущества и недостатки [19-21]. Важную роль в производстве биосинтетических НЧ играют внутриклеточный или внеклеточный синтез, температура роста, время синтеза, легкость экстракции и процентное соотношение, синтезируемое в процентах от соотношения пробы. Нахождение правильного биологического метода может зависеть от ряда переменных. Самое главное, что тип исследуемой наночастицы металла имеет жизненно важное значение, так как в целом организмы развили устойчивость против небольшого количества металлов, что потенциально ограничивает выбор организма. Однако синтетическая биология начинает решать эти проблемы, чтобы создать более обобщенную площадку, способную синтезировать больше одного типа металлической наночастицы, используя один и тот же продуцент [22]. «Зелёный» синтез биогенных металлических наночастиц можно разделить на две категории. Первая - биовосстановление, при котором ионы металлов химически редуцируются в более биологически устойчивые формы. Многие продуценты обладают способностью использовать диссимиляционное восстановление металлов, в котором восстановление иона металла связано с окислением фермента [33]. Это приводит к образованию стабильных инертных металлических НЧ, которые затем могут быть легко выделены образца. Вторая категория – биосорбция, включающая связывание ионов металлов из образца в самом продуценте, например, на клеточной стенке, не требующее затрат энергии. Некоторые бактерии, грибы и растения экспрессируют пептиды или имеют модифицированную клеточную стенку, которая связывается с ионами металлов. Таким образом, они способны образовывать стабильные комплексы в форме наночастиц [29]. Металлические наночастицы становятся все более важными благодаря их потенциальному применению во многих областях. Поэтому нужно разработать экологически чистый и недорогой способ их синтеза. Существуют многочисленные продуценты, обладающие способностью синтезировать наночастицы и, следовательно, они могут быть использованы и модифицированы для того, чтобы получить наиболее оптимальный вариант для технологического синтеза НЧ металлов. 1.3 Биосинтез наночастиц металлов при помощи бактерий Исследования использования бактерий как средства для биосинтеза наночастиц металлов в значительной степени сфокусированы на прокариотах. Бактерии являются хорошим материалом для изучения благодаря их изобилию в окружающей среде и способности адаптироваться к экстремальным условиям, помимо этого они быстро растут и недороги для культивирования. Такие условия для роста, как температура, время инкубации и оксигенации можно легко контролировать. В исследованиях, проведённых авторами [36], было обнаружено, что изменение pH среды во время инкубации бактерий приводит к получению наночастиц различных размеров и форм. Контроль таких свойств и показателей очень важен, т.к. наночастицы с разными характеристиками необходимы для применения в областях оптики, в качестве катализаторов или антимикробных препаратов. Данная группа исследователей предложила интересный метод биосинтеза наночастиц золота при помощи бактерий. Авторы наблюдали внеклеточное образование наночастиц золота с размером 10-20 нм бактерией Rhodopseudomonas Capsulata и предположили, что наночастицы были синтезированы посредством воздействия NADH-зависимой редуктазы, как было показано в [25], наличие этого фермента очень важно в биосинтезе металлов. Рисунок 1– предложенный механизм восстановления ионов золота до золотых наночастиц. Биоредукция инициируется путём переноса электрона из NADH на NADH-зависимую редуктазу в качестве электронного носителя с образованием NAD+. Полученные электроны переходят к ионам золота, которые восстанавливаются до элементарных НЧ золота. [36] 1.4 Наноматериалы для очистки воды и сточных вод Металлические наночастицы с нулевой валентностью Понятие «наноматериалы» описывает материалы, структурные компоненты которых имеют размеры (по меньшей мере, в одном измерении) от 1 до 100 нм [1]. Из-за небольших размеров наноматериалов их механические, электрические, оптические и магнитные свойства значительно отличаются от обычных материалов. Широкий спектр наноматериалов обладает характеристиками катализа, адсорбции и высокой реакционной способности. В последние десятилетия наноматериалы активно исследуются, разрабатываются и успешно применяются во многих областях, таких как катализ [2], медицина [3], зондирование [4] и биология [5]. В частности, применение наноматериалов для очистки воды и сточных вод привлекло широкое внимание. Благодаря своим небольшим размерам и, следовательно, большим удельным поверхностям, наноматериалы обладают высокой адсорбционной и реакционной способностью. Более того, подвижность наноматериалов в растворе высока [6]. Сообщалось, что тяжелые металлы [7], органические загрязнители [8], неорганические анионы [9] и бактерии [10] успешно удаляются различными видами наноматериалов. На основе многочисленных исследований наноматериалы показывают большие перспективы для применения в очистке питьевой воды и сточных вод. В настоящее время наиболее тщательно изученные наноматериалы для очистки воды и сточных вод в основном включают наночастицы металлов с нулевой валентностью, наночастицы оксидов металлов, углеродные нанотрубки (УНТ) и нанокомпозиты. 1.5 Наночастицы серебра Наночастицы серебра (НЧ Ag) очень токсичны для микроорганизмов и, таким образом, обладают сильным антибактериальным действием против широкого спектра микроорганизмов, включая вирусы [11], бактерии [10] и грибы [12]. Наночастицы серебра широко используются для дезинфекции воды в качестве хорошего антимикробного агента. Механизм антимикробного действия серебряных наночастиц точно не известен и остается открытым. В последние годы было выдвинуто несколько теорий. Сообщалось, что серебряные наночастицы способны прилипать к клеточной стенке бактерий и впоследствии проникать в нее, что приводит к структурным изменениям клеточной мембраны и, таким образом, увеличивает ее проницаемость [13]. Кроме того, когда серебряные наночастицы находятся в контакте с бактериями, могут образовываться свободные радикалы. Они обладают способностью повреждать клеточную мембрану и считаются причиной гибели клеток [14]. Кроме того, поскольку ДНК содержит большое количество серы и фосфора, Ag-агенты могут действовать вместе с ней и таким образом разрушать ее. Это еще одно объяснение гибели клеток, вызванной серебряными наночастицами [15]. Более того, при распаде серебряных наночастиц высвобождаются антимикробные ионы Ag +, которые могут взаимодействовать с тиоловыми группами многих жизненно важных ферментов, инактивировать их и нарушать нормальные функции в клетке [16]. Антимикробная способность является хорошо известным свойством НЧ Ag. НЧ Ag может инактивировать широкий спектр микроорганизмов. Предыдущие исследования предложили три механизма антимикробной активности НЧ Ag (рис. 2): (1) Может прикрепляться к клеточной мембране и нарушать проницаемость и дыхательные функции клетки и убивать их таким образом. (2) Реактивные формы кислорода (РФК) могут генерироваться на поверхности наночастиц и вызывать повреждение ДНК, оказывая окислительный стресс [35]; (3) Ионы серебра, высвобождаемые из НЧ Ag, также могут вызывать нарушение выработки АТФ и репликации ДНК [36, 37]. ч Рисунок 2: Предполгаемые механизмы взаимодействия НЧ Ag с бактериальной клеткой (1-3) [121] 1.6 Наночастицы палладия Палладий - член платиновой группы металлов, которые являются высоко активными катализаторами и в настоящее время активно используются для дегалогенирования и гидрирования реакций [49]. Хорошо известно, что наночастицы палладия имеют широкий спектр применения, например, они служат важным катализатором в реакциях связывания C-C. Более того, они широко используются в области определения водорода и спектроскопии комбинационного рассеяния на поверхности (SERS) [46-48]. существуют много возможностей для изучения потенциальных свойств наночастиц Pd в области защиты окружающей среды. На данный момент уже были представлены несколько стратегий биосинтетического получения наночастиц этого металла при помощи различных восстановителей и стабилизаторов, но на данный момент до сих пор остаётся серьёзная задача разработки технологии и конечной подготовки выделенного продукта. 1.7 Альтернативные металлы 1.7.1 Наночастицы железа В последние годы различные металлические наночастицы с нулеой валентностью, такие как Fe, Zn, Al и Ni, в обработке загрязнения воды привлекли широкий исследовательский интерес. Стандартные потенциалы восстановления Fe, Al, Ni и Zn приведены в таблице 1. ? Таблица 1 – стандартные восстановительные потенциалы различных металлов [40] Из-за чрезвычайно высокой восстановительной способности наноразмерный Al с нулевой валентностью является термодинамически нестабильным в присутствии воды, что способствует образованию оксидов/гидроксидов на поверхности, препятствуя переносу электронов с поверхности металла на загрязняющие вещества [25]. По сравнению с Fe, Ni имеет менее отрицательный стандартный восстановительный потенциал, что указывает на более низкую восстановительную способность. Обладая умеренным стандартным потенциало, нано-Fe или Zn с нулевой валентностью обладают хорошим потенциалом в качестве восстановителей по сравнению со многими редокс-лабильными загрязнителями. Несмотря на более слабую способность к восстановлению, Fe обладает многими значительными преимуществами по сравнению с Zn для применений в обработке загрязнения воды, включая превосходные адсорбционные свойства, осаждение и окисление (в присутствии растворенного кислорода) и низкую стоимость. Таким образом, наночастицы железа с нулевой валентностью были наиболее широко изученными наночастицами металла с нулевой валентностью. Благодаря чрезвычайно малым размерам и, следовательно, большой удельной площади поверхности, НЧ железа с нулевой валентностью обладают хорошими адсорбционными свойствами и сильной восстановительной способностью [26]. Эти характеристики в наибольшей степени способствуют отличной производительности при удалении загрязнений. В анаэробных условиях, как показано в (1) - (2), Fe0 может окисляться H2O или H+ и генерировать Fe2+ и H2, которые также являются потенциальными восстановителями загрязняющих веществ. В реакции окисления-восстановления между НЧ железа с нулевой валентностью и загрязнителями Fe2+ будет окисляться до Fe3+, который может образовывать Fe(OH)3 с повышением pH. Как обычный и эффективный флокулянт, Fe(OH)3 способствует удалению загрязнений, например, Cr (VI) [27]. Более того, железо с нулевой валентностью могжет разлагать и окислять различные органические соединения в присутствии растворенного кислорода, поскольку железо с нулевой валентностью переводит два электрона в O2 для производства H2O2 (см. (3)). Результирующая H2O2 может быть восстановлена до H2O с помощью Fe(0) (см. (4)). Кроме того, комбинация H2O2 и Fe2+ (известная как реакция Фентона) может генерировать гидроксильные радикалы (HO•), которые обладают сильной окислительной способностью в отношении широкого спектра органических соединений (см. (5)) [28]: Благодаря эффектам адсорбции, восстановления, осаждения и окисления (в присутствии растворённого кислорода) НЧ железа с нулевой валентностью успешно применяются для удаления широкого спектра загрязняющих веществ, включая галогенированные органические соединения [29], нитроароматические соединения [30], органические красители [31], фенолы [32], тяжелые металлы [33], неорганические анионы, такие как фосфаты [34] и нитраты [35], металлоиды [36] и радиоэлементы [37]. Более того, исследования по применению НЧ железа с нулевой валентностью для очистки воды и сточных вод не ограничиваются водой или лабораторными исследованиями. В последние годы НЧ железа с нулевой валентностью также применялся для восстановления почвы [38] и уже имеются достижения пилотного и полномасштабного применения на реальных полевых загрязнённых участках [39]. Несмотря на многие преимущества, НЧ железа с нулевой валентностью также имеют свои недостатки, такие как агрегация, окисление и трудности отделения от деградированной системы. Для решения этих проблем были предложены различные подходы к модификации для повышения эффективности НЧ железа с нулевой валентностью при очистке воды и сточных вод. Общие подходы к модификации включают в основном легирование другими металлами, покрытие поверхности, конъюгирование с подложками, инкапсуляцию в матрице и эмульгирование [41]. Предполагается, что легирование другими металлами повышает реактивность НЧ железа с нулевой валентностью [42]. Как поверхностное покрытие, так и сопряжение с носителями могут предотвратить агрегацию и повысить диспергируемость НЧ [43, 44]. Кроме того, как сопряжение с носителями, так и инкапсуляция в матрице способствуют отделению этих НЧ железа (0) от деградированной системы [45, 46]. Кроме того, эмульгирование НЧ железа с нулевой валентностью направлено на решение проблемы их доставки в плотной неводной фазе жидкости [47]. 1.7.2 Наночастицы цинка Хотя большинство исследований по борьбе с загрязнениями в воде и очистке сточных вод с помощью наночастиц металла с нулевой валентностью было сосредоточено на железе, в качестве альтернативы также рассматривался Zn [48]. При более отрицательном стандартном восстановительном потенциале (таблица 1) Zn является более сильным восстановителем по сравнению с Fe. Следовательно, скорость разложения загрязняющих веществ наночастицами цинка может быть выше, чем у НЧ Fe с нулевой валентностью. Большинство исследований применения нано-нуль-валентного цинка (НЧ Zn c нулевой валентностью) было сосредоточено на реакции дегалогенирования. Исследования показали, что скорость восстановления CCl4 с помощью НЧ Zn c нулевой валентностью в большей степени зависела от химического состава раствора, чем от размера частиц или морфологии поверхности. Сравнивая реакционную способность различных типов НЧ Zn и Fe c нулевой валентностью, было обнаружено, что НЧ Zn может разлагать CCl4 быстрее и полностью, чем НЧ Fe при благоприятных условиях [49]. Кроме того, было проведено исследование для изучения деградации октахлордибензо-п-диоксина в воде с четырьмя различными нуль-валентными металлическими наночастицами: нуль-валентный цинк, нуль-валентное железо, нуль-валентный валентный алюминий и нулевой валентный никель. На основании результатов эксперимента, только НЧ Zn были способны эффективно разлагать октахлордибензо-п-диоксина в воде до низкохлорированных конгенеров и, таким образом, они стали первыми зарегистрированными наночастицами металла с нулевой валентностью, подходящими для дехлорирования октахлордибензо-п-диоксина в условиях окружающей среды [48]. Тем не менее, хотя несколько исследований показали, что уменьшение загрязнения с помощью НЧ Zn может быть успешным, их применение ограничено деградацией галогенированных органических соединений, особенно CCl4. До настоящего времени о очистке других видов загрязнений с помощью НЧ Zn сообщалось редко. Поэтому экспериментальное или полномасштабное применение НЧ Z еще не было достигнуто на загрязненных полевых участках [49]. 1.8 Наночастицы оксидов металлов 1.8.1. Наночастицы TiO2 Фотокаталитическая деградация привлекает большое внимание с 1972 года в качестве новой и перспективной технологии, когда Фуджишима и Хонда [50] наблюдали электрохимический фотолиз воды на полупроводниковом электроде TiO2. В последние годы технология фотокаталитической деградации успешно применяется при деградации загрязняющих веществ в воде и сточных водах. В присутствии света и катализатора загрязняющие вещества могут постепенно окисляться в промежуточные продукты с низкой молекулярной массой и в конечном итоге превращаться в CO2, H2O и анионы, такие как NO3-, PO43- и Cl-. Большинство обычных фотокатализаторов представляют собой металлооксидные или сульфидные полупроводники, среди которых TiO2 наиболее активно исследовался в последние десятилетия. Благодаря высокой фотокаталитической активности, разумной цене, фотостабильности, а также химической и биологической стабильности [51–53], TiO2 является наиболее удобным фотокатализатором на сегодняшний день. Как показано на рисунке 3, после УФ-облучения TiO2 будет генерировать активные формы кислорода (АФК), которые могут полностью разлагать загрязняющие вещества за очень короткое время. Кроме того, НЧ TiO2 обладают низкой селективностью и поэтому подходят для разложения всех видов загрязнений, таких как хлорированные органические соединения [54], полициклические ароматические углеводороды [55], красители [56], фенолы [57], пестициды [58], мышьяк [59], цианид [60] и тяжелые металлы [61]. Более того, гидроксильные радикалы, генерируемые при УФ-облучении (? < 400 нм), позволяют наночастицам TiO2 нарушать функцию и структуру различных клеток [62]. Фотокаталитические свойства НЧ TiO2 способны убивать широкий спектр микроорганизмов, таких как грамотрицательные и грамположительные бактерии, а также грибы, водоросли, простейшие и вирусы [63].
Не смогли найти подходящую работу?
Вы можете заказать учебную работу от 100 рублей у наших авторов.
Оформите заказ и авторы начнут откликаться уже через 5 мин!
Похожие работы
Диссертация, Природообустройство и водопользование, 189 страниц
5670 руб.
Диссертация, Природообустройство и водопользование, 74 страницы
750 руб.
Диссертация, Природообустройство и водопользование, 65 страниц
550 руб.
Диссертация, Природообустройство и водопользование, 56 страниц
490 руб.
Диссертация, Природообустройство и водопользование, 52 страницы
1560 руб.
Служба поддержки сервиса
+7(499)346-70-08
Принимаем к оплате
Способы оплаты
© «Препод24»

Все права защищены

Разработка движка сайта

/slider/1.jpg /slider/2.jpg /slider/3.jpg /slider/4.jpg /slider/5.jpg