книги / Подходы к оценке безопасности наноматериалов

связанное с производством продукта при наблюдении за всем его циклом жизни.

Карта качества − является инструментом управления регулирования процессов производства, которые находятся под статистическим контролем. Она используется в рамках статистического регулирования процесса. Применение карты позволяет рано распознать отклонения от последовательности процесса производства.

Парето-диаграмма − графически (в виде колонок) представляет зависимость проблемы от причин в последовательности их значений. Парето-принцип свидетельствует, что 20 % причин вызывает 80 % последствий. С помощью диаграммы устанавливаются причины наибольших воздействий на окружающую среду. Паретодиаграмма указывает, какую причину нужно устранить в первую очередь.

Диаграмма корреляции − представляет графическое соотношение между двумя переменными величинами процесса. При наличии линейной зависимости может быть выявлена закономерность между исследуемыми параметрами процесса.

Причинно-следственная диаграмма – структурирует технику анализа проблем и представляет все возможные ключевые проблемы (например, воздействие на окружающую среду) графически. Подробным исследованием разделения причин можно оценивать влияние каждой из них на проблему. Это позволяет учесть все причины, влияющие на проблему, например на ухудшение состояния окружающей среды.

Группа качества – представляет собой небольшую группу сотрудников (до 5 человек), которые регулярно собираются для обсуждения проблем, встречающихся на каком-либо участке работы. Целью группы качества является: улучшение производственной культуры путем повышения производительности и качества; уменьшение воздействия на окружающую среду; снижение издержек производства; улучшение удовлетворения работой и мотивации. Участие сотрудников в группе качества должно быть добровольным.

51

Анализ воздействия технологии – заключается в сборе сведе-

ний о воздействии производственных продуктов на окружающую среду и выработке рекомендаций по уменьшению этого воздействия

спомощью проведения соответствующих мероприятий. При производстве новых продуктов в ходе их создания необходимо выявлять возможные вредные воздействия технологии и предотвращать их

спомощью принятия лучших решений. При анализе воздействия технологий нужно оценивать последствия использования технологий и влияния продуктов. Оценка последствий технологий – инструмент, который используется для учета и прогноза воздействия определенных технологий на человека и окружающую среду. Анализ воздействия технологий предполагает, что использование технологии в связи с промышленным производством и массовым потреблением является экономической и экологической проблемами.

Все вышеприведенные методы создавались независимо друг от друга, поэтому целесообразно использовать их в единой системе.

4.1. Оценка жизненного цикла продукции нанотехнологий

Комплексные методы, такие как метод оценки жизненного цикла (ОЖЦ), играют важную роль в управлении воздействием нанотехнологии на окружающую среду и здоровье человека. Рассматриваемый подход также может быть использован для сравнения экологических характеристик продуктов новых и традиционных технологий.

Внедрение новых технологий влечет за собой возникновение противоречий между принципом предупреждения негативного воздействия и потенциальными преимуществами, связанными с использованием нанотехнологий. Кроме того, меры, принимаемые для защиты природной среды и здоровья населения, могут оказать неопределенное воздействие на развитие общества. Например, отказ от использования наноматериалов означает также исключение их возможного положительного влияния на население и окружающую среду. Таким образом, чтобы отдельные люди и население в целом приняли потенциальный риск, связанный с применением нанотех-

52

нологий, необходимо получить и предоставить достоверную информацию об их положительном влиянии.

Оценка жизненного цикла – это метод, который позволяет оценить экологические аспекты и потенциальные воздействия на протяжении всего жизненного цикла продукции. Традиционная модель жизненного цикла того или иного продукта представлена на рис. 11. Оценка жизненного цикла позволяет провести комплексную оценку нанотехнологий, а также их сравнение с традиционными технологиями (табл. 4).

Рис. 11. Традиционная модель жизненного цикла продукта

Таблица 4

Сравнение стадий жизненного цикла традиционного продукта и наноматериала

53

При этом воздействие на окружающую среду и ресурсы включает в себя изменение климата, разрушение озонового слоя, токсическое воздействие на здоровье населения и экосистемы, истощение ресурсов, использование водных ресурсов и многое другое.

Стадии жизненного цикла продукции нанотехнологий могут быть представлены следующим образом (рис. 12):

54

– одного-единственного метода проведения исследований ОЖЦ не существует.

Для проведения оценки жизненного цикла наноматериалов необходимо обладать подробной информацией о физико-химических свойствах, размере частиц, удельной поверхности, экотоксичности

иповедении их в окружающей среде. Для каждой стадии жизненного цикла материала необходимо:

1.Провести обзор информации о материале, его различных формах, примесях, которые могут появиться в результате промышленной переработки или трансформаций в окружающей среде.

2.Ранжирование информации по степени важности. Там, где существуют информационные пробелы, определяются возможности их заполнения. Информация о свойствах и поведении наноматериала может служить основой для определения его опасности.

3.Характеристика опасности проводится на основе всей собранной информации.

В настоящее время не существует стандартных методов или даже широко применяемых методов для оценки поведения наноматериалов в окружающей среде. Когда подходящий аналитический метод становится доступным, становится возможным модифицировать традиционные методы оценки так, чтобы они отвечали особенностям наноматериалов. Кроме того, применительно к наноматериалам недостаточно известно, какие из физико-химических характеристик определяют их транспорт между различными природными средами. Так, для традиционных веществ растворимость в воде

идавление паров имеют важное значение. Но в отношении наноматериалов, с учетом того, что большинство из них обладают низкой растворимостью и низким давлением насыщенных паров, другие их физико-химические свойства, такие как способность к агломерации, поверхностный заряд, дисперсность, плотность частиц, размер частиц, могут быть ключевыми в определении степени распространения наноматериалов в окружающей среде [12].

Такие факторы, как органическая или неорганическая природа наноматериала, его физико-химические свойства, и существующая аналитическая методология определения присутствия самого веще-

56

ства или его побочных продуктов в окружающей среде являются наиболее существенными при выборе теста для выявления устойчивости того или иного материала. Например, биодеградацию оценивают только для органических наноматериалов, в то время как фотопревращения оцениваются и для неорганических, если существует возможность обнаружения наноматериалов в воздухе, поверхностных водах и почве.

Оценка нанотехнологий и наноматериалов с использованием метода ОЖЦ открывает возможности для заинтересованных сторон осуществлять активные действия, направленные на снижение и предупреждение потенциального негативного воздействия на здоровье человека и окружающую среду на всех этапах жизненного цикла продукции. Кроме того, в случае установления токсикологической безопасности продукции, метод ОЖЦ может стать основой для получения информации, необходимой для поддержки решений, связанных с развитием определенных нанопродуктов.

Для государственных агентств анализ жизненного цикла нанотехнологий является источником информации для поддержки разрабатываемых законодательных и иных актов в области обеспечения безопасности, защиты потребителей, охраны окружающей среды. Выявленные на ранних стадиях преимущества и недостатки нанотехнологий могут быть последовательно учтены в международной политике в отношении продукции нанотехнологий. Результаты проведения ОЖЦ могут быть предоставлены общественности для обеспечения населения достоверной информацией, которая впоследствии может стать основой роста использования нанопродуктов.

В области нанотехнологий отсутствие жестких рамок при проведении ОЖЦ может помочь в идентификации возможностей для предупреждения загрязнения и сокращении потребления ресурсов.

4.1.1.Получение сырья

ипроизводство конечного продукта

При выборе сырья для наноматериалов учитывается его состав и геометрические параметры (форма и размер), а также химикофизические свойства. Сырьем для наноматериалов могут быть ор-

57

ганические соединения (дендримеры, полимеры), неорганические соединения (металлы, оксиды металлов, гидроксиды металлов), углеродные соединения (углеродные нанотрубки) или несколько соединений одновременно. Состав учитывается при выборе способа производства конечного продукта, оценке его воздействия на окружающую среду и его утилизации. Например, экстракция и обогащение металлов и минералов, необходимые для производства наночастиц, могут быть энергоемкими и ресурсоемкими процессами, в результате которых образуются отходы, которые необходимо утилизировать, что ведет к задалживанию земель. В случае использования наносеребра, если материал накапливается в значительных количествах в окружающей среде, его антибактериальные свойства могут способствовать увеличению экотоскичности и нарушению пищевых цепей.

Мы уже выделяли два основных пути производства наноматериалов: «сверху вниз» (уменьшение размеров микроскопических элементов до нанометрического масштаба) и «снизу вверх» (контролируемое объединение атомных и молекулярных агрегатов в более крупные системы).

Основой сегодняшней наноиндустрии является управляемый механосинтез, т.е. составление молекул из атомов с помощью их сближения до тех пор, пока не вступят в действие соответствующие химические связи. Для обеспечения механосинтеза необходим манипулятор, способный захватывать отдельные атомы и молекулы и манипулировать ими в радиусе до 100 нм. Наноманипулятор должен управляться либо макрокомпьютером, либо нанокомпьютером, встроенным в робота-сборщика (ассемблера), управляющего манипулятором.

Зондовая микроскопия, с помощью которой в настоящее время производят перемещение отдельных молекул и атомов, ограничена в диапазоне действия, в связи с чем сама процедура сборки объектов из молекул на наноуровне не может пока еще быть автоматизирована. Таким образом, человек сегодня не только потребитель продуктов нанотехнологии, но и участник процесса их производства. Существует мнение, что к 2020–2025 гг. система «нанокомпью-

58

тер – манипулятор» (взамен системы «человек – компьютер – манипулятор») будет получена и тогда проблема компьютерного воспроизводства без участия человека будет решена.

Для получения нанотрубок наиболее широко используется метод, основанный на термическом распылении графитового электрода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия. В дуговом разряде между анодом катодом при напряжении 20–25 В, стабилизированном постоянном токе дуги 50–100 А, межэлектродном расстоянии 0,5–2,0 мм и давлении гелия 100–500 Торр происходит интенсивное распыление материала анода. Часть продуктов распыления, содержащая графит, сажу и фуллерены осаждается на охлаждаемых стенках камеры, часть, содержащая графит и многослойные углеродные нанотрубки, осаждается на поверхности катода. На выход нанотрубок влияет множество факторов. Наиболее важным является давление гелия в реакционной камере, которое в оптимальных, с точки зрения производства нанотрубок, условиях составляет 500 Торр, а не 100–150 Торр, как в случае фуллеренов. Другим не менее важным фактором является ток дуги: максимальный выход нанотрубок наблюдается при минимально возможном токе дуги, необходимом для ее стабильного горения. Эффективное охлаждение стенок камеры и электродов также важно во избежание растрескивания анода и для его равномерного испарения, что влияет на содержание нанотрубок в катодном депозите.

Широко применяемый способ получения углеродных нанотрубок основан на использовании процесса разложения ацетилена в присутствии катализаторов. В качестве катализаторов использовались частицы металлов Ni, Co, Cu и Fe размером несколько нанометров. В кварцевую трубку длиной 60 см, внутренним диаметром 4 мм помещается керамическая лодочка с 20–50 мг катализатора. Смесь ацетилена C2H2 (2,5–10 %) и азота прокачивается через трубку в течение нескольких часов при температуре 500–1100 °С, после чего система охлаждается до комнатной температуры.

Основная идея электролитического синтеза состоит в том, чтобы получить углеродные нанотрубки, пропуская электрический ток между графитовыми электродами, находящимися в расплавленной

59

ионной соли. Графитовый катод расходуется в процессе реакции и служит источником атомов углерода. В результате формируется широкий спектр наноматериалов. Анод представляет собой лодочку, сделанную из высокочистого графита и заполненную хлоридом лития. Лодочка нагревается до температуры плавления хлорида лития (604 °С) на воздухе или в атмосфере инертного газа (аргона). В расплавленный хлорид лития погружается катод и в течение одной минуты между электродами пропускается ток 1–30 А. Далее расплав электролита, содержащий частицы углерода, охлаждается до комнатной температуры. Для того чтобы выделить частицы углерода, получившиеся вследствие эрозии катода, соль растворялась

вводе. Осадок выделялся, растворялся в толуоле и диспергировался

вультразвуковой ванне. В зависимости от условий эксперимента диаметр нанотрубок, образованных цилиндрическими графеновыми слоями, колебался от 2 до 20 нм. Длина многослойных углеродных нанотрубок достигала 5 мкм. Найдены оптимальные условия по току – 3–5 А. При высоком значении тока (10–30 А) образуются только закапсулированные частицы и аморфный углерод. При низких значениях тока (менее 1 А) образуется только аморфный углерод.

Вметоде квазисвободной конденсации пара углеродный пар образуется в результате резистивного нагрева графитовой ленты и конденсируется на подложку из высокоупорядоченного пиролитического графита, охлаждаемую до температуры 300 °С в вакууме

10–8 Торр. ПЭМ-исследования полученных пленок толщиной 2–6 нм показывают, что они содержат углеродные нанотрубки диаметром 1–7 нм, длиной до 200 нм, большинство из которых заканчивается сферическими окончаниями. Содержание нанотрубок в осадке превышает 50 %. Для многослойных нанотрубок расстояние между образующими их графеновыми слоями составляет 0,34 нм. Трубки располагаются на подложке практически горизонтально.

Все процессы происходят с определенным затратом энергии. Поэтому необходимо учитывать энергопотребление для оценки воздействия на окружающую среду, так как оно связано с потреблением топлива и образованием парниковых газов. На рис. 13 представ-

60