çevre nanoteknolojisi.pdf

Yrd.Do.Dr.Anda Akdemir evresel Nanoteknoloji Ders Notlar-1

EVRESEL NANOTEKNOLOJ DERS NOTLARI

BLM-1: NANOTEKNOLOJNN GELM

Richard Feynman 1959 daki bir konferansta Aada daha ok yer var balkl bir konuma yapmtr. Bu konumasnda, eer atom ve molekl byklklerinde imalat yaplabilirse birok yeni keiflerin olabileceini ve bunun gereklemesi iin ilk bata nano lekte zel lme ve retim yntemlerinin gelitirilmesi gerektiini sylemitir.

Nanoteknoloji, atom ve molekllerinin bir araya getirilmesi ile nanometre leklerde ilevli yaplarn oluturulmasdr. 1 nanometre (nm)=10-9 metre=nsan sann yz binde biri=atomun apnn 10 kat kadardr.ekil de kyaslama asndan nano boyutun alt ve st katmanlar verilmitir.

Nanoteknoloji, nanolek ebatlarndaki yaplarn ve bileenlerin fiziksel, kimyasal, biyolojik zellikleri deien malzeme ve sistemlerle ilgilenir. Nanolekte belli bir ilevi olabilecek yaplarn malzemelerini ve kendilerini kontroll bir ekilde retebilmek, zelliklerini ve ilevlerini belirleyecek nanoebatlarda aygt yapabilmek, bu aygtlar gnlk hayatmzda kullanlr hale getirmek nanobilim ve nanoteknolojinin hedefidir.

Sinek (1 cm)

Sa ap (75000 nm)

Gzn grme snr (10000 nm)

Nanotel (100 nm)

DNA Genilii (2 nm)

CNT Genilii (1,3 nm)

Fulleren (1 nm)

Hidrojen Atomu

(0,1 nm)

Krmz Kan Hcreleri

(5000 nm)

Mikroelektromekanik sistemleri (1000 nm)

E.Koli Bakterisi

(2000 nm)


Nanolekteki yaplarn farkllklar sadece ebatlarnn kkl ile ilgili deil, ayrca kk ebatlarda farkl fiziksel zelliklerin ortaya kmas ile de ilikilidir. Ebatlar kldke mikroskobik zellikler daha belirgin hale gelir. Bunun en nemli sonularndan biri atomlarn geometrik dzeninin maddenin fiziksel zelliklerini etkilemesidir. Karbondan yaplan malzemeler bu konuda ok iyi rnektir.

1980 lerde nanoyaplarn fiziksel byklklerini lmek ve nano lekte malzeme retmeyi amalayan taramal tnellemeli mikroskoplar, atom kuvveti mikroskobu ve yakn alan mikroskobu gelitirilmitir.

1985 yllarnda karbon nanotoplar (C60), 1991 de Lijima ok duvarl karbon nanotpleri kefedildi. 1993 de Rice niversitesinde ilk nanoteknoloji laboratuvar kuruldu. 1997 de nanotp yardmyla elektrik akm llmtr. 2001da ZnO nanotel lazer gerekletirilmitir. 2002 de sper rgl nanoteller yapld. 2005 ilk drt tekerlekli nano araba hareket ettirilmitir.

2006 ylnda Bilkent niversitesinde Ulusal Nanoteknoloji Aratrma Merkezi(UNAM) kurulmutur. Aratrma merkezi nanobiyoteknoloji, manomalzeme, kimya, enerji ve hidrojen ekonomisi, nanotriboloji yzey kaplama ve katalizr tasarm konularnda aratrmalar yapmaktadr.

BLM-2: NANOMATERYALLER

2.1. Karbon

Karbon elementi canllarn temel tadr. Btn canllarn karbon esasl hayat olduundan ve organik maddelerde karbon vazgeilmez oldugundan nanoteknoloji asndan da karbon atomu ok nemlidir. Nanoteknolojide nemli iki unsur vardr. Bunlardan biri uygun malzeme ve dieri ise onu ileyebilecek teknik dzenektir. Karbon bu bakmdan da rakipsizdir. Karbon atomlarndan olusan malzemeler karbon atomlarnn kendi aralarndaki baglanma geometrisine gre ok farkl fiziksel ve kimyasal zellikler gsterirler. Karbon atomunun byle bir zelllie sahip olmasnn sebebi, 6 tane elektronunun olmasdr. Karbon atomu 6 elektronu ile periyodik tabloda IV. grup elementlerinin ilk elemandr. Karbon atomunun elektronlarndan ilk ikisinin baglanmaya hi etkisinin olmamas, ayrca ilk iki elektron ile geri kalan elektronlarn enerjileri arasndaki farkn da byk olmas karbonun farkl yaplar oluturabilmesini saglamaktadr. Bu zelliklerde baka bir elementin olmamas karbon atomunu rakipsiz yapmaktadr.

2.2. Karbon nanotop (Fulleren (=C60))

Nanobilimde atlan ilk adm, 1985 ylnda C60 moleklnn deneysel olarak ilk defa elde edilmesidir. C60 molekl, 60 tane karbon atomunun futbol topu eklinde bir kafes yaps halini alarak oluturdugu molekldr.

2.3. Karbon Nanotpler (CNT)

1991 ylnda elektron mikroskopisti Japon Sumio Iijima tarafndan ark boalmas ile kefedilen karbon nanotpleri, C60 moleklnn iki eit paraya blnp aralarna grafit silindir yerletirilmesi ve molekler


karbon fiberlerin her iki ucundan balkla kapatlmas ile meydana getirilmitir. Tp halindeki eklinden dolay nanotp olarak adlandrlmtr. ie dizilmi silindirlerden olutuu iin nano tpler tek duvarl nano tpler (SWCNT) ve ok duvarl nano tpler (MWCNT) olarak iki ekilde gelitirilmitir. Tek sra karbon atomundan oluan bir grafin katmannn, silindir eklinde bklerek ularnn birletirildii ve grafin iersindeki balarn aynsndan oluturulduu dnlrse bu yap tek katmanl bir karbon nanotple ayn yap olur.

Grafin SWCNT

SWCNT MWCNT


2.4. Nanokiller (Nanoclay)

Tabakal mineral yapdaki silikatlardan oluan nanopartikllerdir. Kimyasal bileimi ve morfolojisine bal olarak nanokiller birka snfta adlandrlr;

Montmorillonit

Bentonit

Kaolinit

Hektorit

Haloysit(doal olarak oluan sulu bazl alminyum silikat nanotpleri)

Nanokiller adsorpsiyon yntemi ile ar metal ve organik kirleticilerin artmnda kullanlr. Dk maliyeti, yeniden kullanlabilirlii, yksek sorpsiyon kapasitesi, kolay geri kazanm, geni yzey ve poroz hacminden dolay tercih edilir. amur oluumu en byk dezavantajdr.

2.5. Dendrimerler

Dallanm yapdaki byk ve kompleks moleklere sahip sentetik polimerlerdir. Genelde kre yada oval olarak nano dzeyde dall polimer yaplardr. Esnek molekler yaplarndan dolay oklu-ilevsellik ve spesifik ekillerde daha byk ve kompleks organize yaplarn elde edilmesinde kullanlr. Klasik polimerlerin aksine 3 boyutlu dallanma gsterir. ekilde adm adm dendrimerlerin oluumu gsterilmitir. Enkapslasyon yntemi ile toprak ve sudaki ar metallerin ve organik kirleticilerin artmnda kullanlr. Avantajlar arasnda basit ayrma ilemi, yeniden kullanlabilme, amur oluumunun gzlenmemesi, ppb seviyesindeki dk konsantrasyonlarda bile artm gerekletirmesi ve maliyet verimliliine sahip olmas vardr. En byk dezavantaj ise pahal olmasdr.

2.6. Miseller (Micelles)

Sv kolloid iinde dalan yzey aktif madde agregalardr. Adsorpsiyon teknii ile topraktan organik kirleticilerin artmnda kullanlr. Yerinde artm gerekletirmesi ve suyu seven organik kirleticiler ile yksek benzerlik gstermesi en byk avantajlardr. Pahal olmas da dezavantajlarndan biridir.


BLM-3: NANOMATERYALLERN RETM VE LM YNTEMLER:

3.1. Nanomateryallerin retim Yntemleri:

Karbon nanotpleri genel olarak ark boalm, lazer andrma ve karbon buhar birikimi olmak zere ayr metotla retilmektedir.

3.1.1 Ark Boaltm (Arc Discharge) Yntemi:

nert gaz (helyum, argon vb) ortamnda grafit elektrotlar yksek arklama (20V, 50-100 A, 50-70 mbar altnda) srasnda temas halinde olmayacak kadar biribirine yakn tutularak (yaklask 1 mm) uygulanan akm ile iki elektrot arasnda yksek scaklkta bir ak meydana gelir. Bu ak ile anottan buharlaan karbonun bir ksm katotta silindirik olarak tekrar yogunlar. Bu silindirik tortunun merkezinde hem nanotpler hem de nanoparacklar olusur. Zaman zaman katalizr olarak metal paracklar (agrlka % 1) eklenebilir. ekilde ark buharlama ynteminin almas ematik gsterilmitir.

ekil. Ark Buharlama Yntemi

3.1.2 Lazer Andrma (Laser Ablation) Yntemi:

Ark buharlatrmadaki benzer artlar ve reaksiyonlar gerekleir. Bu teknikte yksek scaklk frnnda (1200

oC) kuartz tp ierisindeki grafit ve metal katalizr paracklar zerine lazer sinyali gnderilir ve

buharlatrlr. Buharlatrlan maddeler souduka kk karbon moleklleri ve atomlar daha byk kmeler oluturmak zere younlar ve tayc argon gaz oluan nanotpleri bakr toplaycya toplar. Ark yntemine gre daha kaliteli SWCNT ler ve MWCNT ler retilebilir. ekilde lazer andrma ynteminin almas ematik gsterilmitir.


ekil. Lazer Andrma Yntemi

3.1.3 Karbon Buhar Birikimi (Carbon Vapor Deposition, CVD) Yntemi

Bu metotta gaz faznda bir karbon ile gaz haldeki karbon moleklne enerjinin gemesi iin enerji kayna olarak stlm bobin kullanlr. Gaz kayna genelde metan, etan veya karbon monoksittir. Gaz fazndaki karbon Nikel, Demir veya Kobalt gibi bir katalizr ile kaplanr. Daha asonra nanotpler kimyasal veya sl tavlama ile andrlan yzeyler zerinde kmeler oluturulur. Daha byk miktarlarda rnler bu metotla elde edilebilir. ekilde karbon buhar birikiminin(CVD) almas ematik gsterilmitir.

ekil. CVD Yntemi

3.2.Nanomateryallerin lm Yntemleri

3.2.1.Geirimli Elektron Mikroskobu (TEM):

Numune iinden geirilen yksek enerjili elektronlarn daha detayl grntlenmesini salar. TEMde grnt ve krnm bilgisi, ortasnda ok kk bir delik bulunan numuneye paralel bir elektron demeti gndermek ve numuneden dorudan geen krnma uramam nlar ve numunenin belirli


dzlemlerinden krnma uram nlar numunenin altnda toplanayarak lm yaplr. ekilde TEM in ematik ve fotorafik grnm verilmitir.

ekil. Geirimli Elektron Mikroskobu (TEM)

ekilde TEM den alnan baz nano malzemelere ait grnmler verilmitir.

TiO2 Nano Ag CNT ZVI

ekil. Baz nanomalzemelerin TEM Grnts

3.2.2. Taramal Elektron Mikroskobu (SEM):

ekilde SEM in ematik ve fotorafik grnm verilmitir.

ekil. Taramal Elektron Mikroskobu (SEM)


ekilde SEM den alnan baz nano malzemelere ait grnmler verilmitir.

TiO2 ZVI Nano Kil MWCNT

3.2.3. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM):

Atomik kuvvet mikroskobu, bir kola tuturulan ucun mekanik hareketine gre, numune yzeyinde tarama yapmas ve mekanik koldaki sapmalarn optik bir dzenek ile tespit edilmesi esasna gre alr. ekilde AFM nin fotorafik grnm verilmitir.

ekilde AFM den alnan baz nano malzemelere ait grnmler verilmitir.

CNT TiO2


BLM-4: NANOTEKNOLOJ VE SU KRLL UYGULAMALARI

Nanomateryaller ime suyu ve atksu artmnda filtre materyalli olarak kullanlmaya balanmtr. Son yllarda nano boyuttaki demir oksit (magnetit-Fe3O4) organik/inorganik kirleticilerin artlmasnda uygulanmaya balanmtr. Demir oksitlerin tercih edilme sebepleri;

Fizikokimyasal metotlarla demir oksitlerin retilebilmesinin kolay olmas,

Adsorblama kapasitesi ve yzey alannn geni olmas, yzeyde yksek aktivite salamas,

Artlan sudan metal ykl demir oksitlerin ayrtrlmasnn kolay olmas,

Nanopartikllerin yeniden kullanlabilir ve rejenere olmas,

Titanyum dioksit (TiO2) ile fotokatalitik oksidasyon yoluyla su artmnda gelecek vaat etmektedir. UV altnda 6-20 nm boyuttaki TiO2 nanopartiklleri organik kirleticileri paralar ve absorbe edebilir. rnein sulardaki arsenin gideriminde TiO2 kullanm mmkndr. Ancak TiO2 ile artm ileminde baz problemlerde ortaya kar;

Grnr k altnda dk artm verimi salamas,

Organik kirleticilerin paralanma kinetikleri TiO2 nanopartikllerinde artsa bile k yayan elektronlar ve delikler arasnda yeniden birleme gereklemesi,

TiO2 lerin kirlenmi sucul ortamda nanofotokimyasal ayrmnn zor olmas,

Askdaki TiO2 nin kolay rejenere olmamas,

Bu problemleri ortadan kaldrmak iin demir oksit nano partikller ( Fe3O4, CoFe2O3 veya (Ba, S, Pb)Fe12O19) TiO2 ile kaplanr.

EPA tarafndan PCB lerin artmnda nano paladyum yerletirilmi yksz demir iyonlar (ZVI) kullanlmtr. Demir PCB leri deklorinize eder ve nanopaladyum reaksiyonda katalizr grevi yapar. Su artldnda PCB tamamen adsorbe olur ve klorobifenil deklorinize olur.

Yaplan bir almada ticari olarak retilen ve demir ieren bir nanofiltrasyon membran (NF XN45) ile atksuda 2-5 g/l konsantrasyonda bulunan Cr+3 ve Cr+6 iyonlarnn artm gerekletirilmitir. Artm neticesinde 18

oC lik iletme scaklnda % 98,4 orannda Cr+3 giderimi salanmtr. Ayn almada Cr

+6 giderimi iin mikro ve nano boyuttaki demir ieren nanaofiltrasyon malzemelesi kullanldnda

giderim hzlar ve adsorbalama kapasiteleri aada verildii gibi sonulanmtr;

m Fe eren Nanofiltre m Fe eren Nanofiltre Giderim Hz 0,0063 mg Cr/m2.dak 0,157 mg Cr/m2.dak Kapasite 1,53-1,75 mg Cr/g Fe 84-109,3 mg Cr/g Fe

Ticari olarak retilen (Sigma-Aldrich) toz haldeki nanoalminyum (Al2O3) ile atksudan nitrat giderimi almasnda, 25 C scaklk ve 4,4 ph artlarnda nitrat sorpsiyon kapasitesi 4,0 mg/g olarak belirlenmitir.

Xi vd. (2010) yaptklar almada, ZVI ile sulu zeltide Pb+2 nin adsorblanmas almas gerekletirmilerdir. Ticari olarak (Fluko firmas) alnan ZVI ile laboratuvar ortamnda artlandrlan ZVI nn gierim verimleri kyaslanmtr. Sonuta ticari ZVI nin spesifik yzey alan 10,11 m2/g iken, deneysel hazrlanan ZVI nn spesifik yzeyi alan 80,4 m2/g ykseltilmitir. Bunun neticesinde deneysel hazrlanan ZVI nn % 99,9 orannda Pb+2 giderdii belirlenmitir.

Pahimpour vd. (2011) gm (Ag+) nano partiklleri su artmnda dezenfeksiyon amal ve deniz suyundan tuzun uzakatrlmasnda memberan proseslerinde uygulamlardr.


Niasta bazl magnetit (Fe3O4) nanopartiklleri ile sulardan arsenik giderimi yaplan bir almada 280 mg/l balang konsantrasyonu iin yaklak 10 saat artm sresinde bir alma yaplmtr. alma sonucunda niasta ilavesinin arttrld magnetit ile arsenik gideriminde % 100 e yakn artm salanm olup % 0,065 niasta ilaveli magnetitlerde en yksek arsenik giderimi salanmtr.

Baz ar metallerin nanomateryaller ile artm ve adsorbalama kapasiteleri tabloda verilmitir.

Tablo. Ar Metal Gideriminde Kullanlan Materyallerin Adsorblama Kapasitesileri (Ron vd. 2011)

Ar Metal Nanomateryal Adsorblama Kapasitesi (mg/g)

Kurun (Pb+2) MWCNT Doal Bentonit Odun Kmr Aktif Karbon

49,71

19,19

4,13

30,11

Bakr (Cu+2) SWCNT/MWCNT NaOCI Modifiyeli CNT

Aktif Karbon

Odun Tala Zeolit

8,25

47,39

19,50

37,17

8,13

Nikel (Ni+2

) MWCNT

NaOCI Modifiyeli MWCNT

Granl Aktif Karbon Montmorillonit

3,72

38,46

2,88

12,89


BLM-5: NANOTEKNOLOJ VE HAVA KRLL UYGULAMALARI

Hava kirlilii kontrolnde nanomateryaller iki farkl ekilde kullanlrlar;

Hidrojen gaz depolama amal kullanm,

Kirletici gaz sensrleri olarak,

Kirletici gaz artmnda filtre malzemesi olarak

Katalizr olarak

5.1.Nanomateryallerin Hidrojen Depolamada Kullanm

Tek duvarl karbon nanotplerin (SWCNT) ok duyarl karbon

nanotplere (MWCNT) gre daha fazla hidrojen depolad

belirlenmitir. Ancak metann katalitik paralanmas ile retilen alkali

metal ilaveli ok duvarl karbon nanotplerin (MWCNT) hidrojen

depolama kapasitesi yksektir. Teorik olarak SWCNT ler % 14

hacimsel hidrojen depolarken, MWCNT ler % 7.7 hidrojen

depolayabilirler. Yaplan almalarn birinde, 653 K scaklk altnda

lityum ilaveli karbon nanotplerin % 20 orannda hidrojen depolad

grlmtr. Allemann (2000) SWCNT lerle yapt bir almada 0,67

bar ve 600 K scaklk altnda % 7 hidrojen depolamay baarmtr.

Bodaway vd. (2011) zeytin ileme fabrikas atksuyundan nano yapdaki titanyum dioksit (TiO2) ile

hidrojen retimi ve organik madde giderimi almas yapmlardr. alma sonucunda toz haldeki TiO2

kullanm ile;

Giri KO Miktar 8410 mg/l Kullanlan TiO2 2 g/l Reaksiyon Zaman 2 saat KO Giderimi % 87 Oluan Hidrojen 36 mmol

5.2.Kirletici Gaz Sensrleri Olarak Kullanm:

Karbon monoksit, azot dioksit , ozone ve dier kirleticiler kimyasal sensrlerle uzun sreli olarak llebilmekte olup, metal oksit sensrlerle alglanarak da llebilmektedir. Avadaki gaz molekllerinin ok kk konsantrasyonlar elektriksel dire gsterirler ve bu direnin yayd sinyaller sensr yardmyla alnarak okunabilir konsantrasyon birimine evrilirler. Burada elektriksel iletkenlik nemli olup; ykseltgen gazarda (CO gibi) elektriksel iletkenlik artarken indirgen gazlarda (NO2 gibi) elektriksel iletkenlik azalr.

A: Platinyum ieren SnO2 nanokristalleri B: Isnan platinyum

ekil. nce film Gas sensr Dokuma


Aadaki ekilde SnO2 ile hazrlanan bir gaz sensr gsterimi verilmitir.

Yaplan bir almada karbon monoksit (CO) lm iin hazrlanan bir SnO2 sensrnn gerek zamanl lm yapan CO cihazyla lm sinyalleri aadaki grafikte karlatrlmtr. Burada elektroforez kaplama yntemi kullanlmtr. (Coratto MC vd., 2001). Grafik incelendiinde sensr sonularnn olduka verimli olduu grlmektedir

ekil. CO Sensr ve lm Cihaz Karlatrmas (Coratto MC vd., 2001).

SnO2 ile gelitirilen gaz sensrleri katk maddeleri ilave edilmek suretiyle birok gazn alglanmasnda da kullanlabilir.rnein; Nanomateryal Katk Maddesi Alglanan Gaz SnO2 Sb2O3, Au H2S

SnO2 Sb, Pt NOx

SnO2 Pt CH4 SnO2 Pd HCx

SnO2 Cd CH4

Pummakarnchana vd. (2005) yaptklar bir hava kirlilii lm almas esnasnda saysal hava kirlilii haritas oluturmak iin nanolekli gaz sensrlerinden faydalanmlardr. 12 istasyonda azot dioksit (NO2) lm gerekletirmek iin ZnO sensr kullanmlardr.

Buso vd. (2008) Au-TiO2 nanokompozit materyal ile karbon monoksit (CO)

ve hidrojen (H2) alglayc sensrler zerine yaptklar almalarnda, CO ve H2 k ve iletkenlik sensrlerini kullanarak absorbans deiimlerini incelemilerdir. Farkl dalga boylar (nm) iin CO ve H2 absorbans miktarlar grafikte gsterilmitir.


Arshad vd. (2008) yaptklar almada TiO2-Porfirin ile kaplanm mikrosensr yardmyla uucu organik bileikleri alglamay baarmlardr. Deneysel olarak hazrlanan nankompozit materyal ile elektroforez kaplama ile kaplanan sensr yardmyla ayn gruptaki etanol, propanol, toluen ve o-xylene alglayabilmilerdir.Deneysel dzenek aada verilmitir.

5.3. Kirletici Gaz Artmnda Filtre Materyali Olarak Kullanm:

Dolgulu kolonda hava kirleticilerinin artm yaygn artm yntemlerinden biridir. zellikle aktif karbon bu sistemlerde ok yaygn kullanlr. Son yllarda filtre malzemesi olarak nanomateryallerin kullanlarak kirleticilerin artm youna gidilmitir.

Lu vd. (2002) yaptklar almada, dolgulu kolonda kkrt dioksit (SO2) gidermek iin nanomateryal olarak TiO2 kullanmlardr. Kullanlan TiO2 deneysel olarak laboratuvarda hazrlanarak elde edilmitir. Elde edilen filtre malzemesi TiO2 0,312 cm

3/g poroz hacmine ve 89 m

2/g BET yzey alanna sahiptir. Hazrlanan deneysel dzenek aada verilmi olup, kolon ykseklii 60 cm, kolon i ap 1,6 cm iletme scakl 50 oC, giri SO2 miktar 2500 ppm ve gaz giri hz 0,22 m/s alnmtr. Elde edilen artm verimi ise grafikte gsterilmitir.

Lu vd. (2010) da yaptklar almada, modifiye ok duvarl karbon nanotp (MWCNT) ile karbon dioksit tutulmasn aratrmlardr. almada kullanlan CNT ticari olarak retilmi olan (L-tipi, Nanotech Port Co. China) bir adsorbenttir. Kimyasal ajanlar (zeolit, silika gibi) kullanlarak MWCNT modifiye edilmitir. Deneysel dzenee ait ematik gsterim aada verilmitir. Kullanlan MWCNT boyu 5-15 m arasndadr. Adsorblama kolonu 20 cm uzunluunda ve 1,5 cm kalnlndadr. Kolon 1 gram MWCNT ile doldurulmutur. Scaklk 5-45 oC arasnda kontrol edilmitir. Sonular grafik halinde verilmitir. Burada; RAW: Ham CNT,

EDA: N-[3-(trimethoxysilyl)propyl] ethylenediamine,

PEI: Polyethylenimine,

APTS: Riedel-de Hen, analytical reagent


5.4. Katalizr Olarak Kullanm

Yaktlarn yaklmasnda kullanlan yaygn katalizrlere ilave olarak nanoyapdaki katalitik materyaller Al2O3, CeCO2, SiO2, TiO2 ve Y-ZrO2 kullanlmaya balanmtr. Katalitik materyaller otomobil ekzoslarndan azot monoksitin (NO) azaltmnda nerilmektedir. Aratrmalar katalizr olarak Pt/TiO2 ve Pt/SiO2 in kurunun nemli bir ksmn ve NO nun % 20-25 lik ksmn azalttn gstermitir.


BLM-6: NANOMATERYALLERN YERALTI SUYU KRLL UYGULAMALARI

Yeralt suyunun yerinde(in situ) artm (remediasyon) ileminde nanoteknoloji reaktif geirgen bariyer (PRB) olarak kullanlrlar. PRB sistemlerinde bariyer arasndan geen yeralt suyundaki kirleticiler hareketsiz kalr ve ayrrlar. Bylece nanomateryal ile birleerek artm salanr. PRB sistemlerinde kullanlan nanomateryal trleri;

Nano lekli zeolit,

Metal oksitler,

Karbon nanotpler (CNT),

Soy (asal) metaller,

Titanyum dioksit (TiO2),

Yksz Demir yonlar (ZVI),

Yksz demir iyonlar (ZVI) kolay hazrlanmalar, ekonomik olmas ve toksik zellikte olmamas nedeniyle daha yaygn kullanlrlar.

ZVI yzeyinde kirletici (per kloro etilen PCE) reaksiyona girer. ZVI ekilde grld gibi, PCE deklorize olurken Fe

+2 ye ykseltgenir.

a) PCE deklorizasyonu, b) Klorlu solvent giderilen nano lekli bimetalik partikl(BNP)

Yeralt suyu remediasyonunda Demir partikllerinin kullanld yaklam;


a) Klasik Geirgen Reaktif Bariyer (PRB); Bu sistemlerde genelde milimetre boyutunda yksz demir iyonlar (ZVI) kullanlr.

Kirlenmi yeraltsuyu PRB Artlm yeraltsuyu

b) Reaktif Artlm Blge Oluumu: Sulu granl etrafnda kirletici tutulur.

Kirlenmi yeraltsuyu Reaktif Artlm Blge Artlm yeraltsuyu

c) Tanabilir nanopartikllerin enjeksiyonu ile youn susuz fazdaki svlarn (DNAPL) artm

Dk Geirgenli Tabaka

Youn susuz svlar (Dense non-Aqueous Phase Liquid-DNAPL) yerlat suyundaki yaygn kirleticiler olarak artlmas olduka nemlidir. DNAPL ler iinde bilinen en nemlileri tri kloro etilen (TCE), poli klorlu bifeniller (PCB) ve poli aromatik hidrokarbonlar (PAH) dr. Nano partikller ile reaksiyona giren DNAPL nin remediasyonu ematik olarak aada gsterilmitir;

Demir Granl

Sulu granl

Sulu

granl


a) DNAPL kaynak blgesine enjeksiyon kuyusundan tanm;

b) Su/NAPL arayzeyinden ayrlma:

c) DNAPL ile reaksiyon:

PRB sistemlerinin avantajlar;

Enerji kaynana ihtiya duymazlar.

Yeniden retimi ve deiimi iin yaklak 10-20 yl gemesi gerekir.

Pompal kullanlan sistemlere gre daha ekonomiktir.

lk yatrm maliyeti yksek olmasna ramen iletme masraflar dktr.

PRB sistemlerinin dezavantajlar;

Bariyerdeki kimyasal ve/veya biyolojik kelme formlar tam olarak anlalamamtr.

Zaman art ile kirletici giderim verimlerindeki deiim tam olarak anlalamamtr.

O tketimi tam olarak anlalamamtr.


Yksek pH tam olarak anlalamamtr.

Yerlat suyu hidrolik iletkenliinin modifikasyonu tam olarak anlalamamtr.

Bariyer zerine yan etkisi ile ZVI kullanlan PRB lerin kullanm mrndeki deiim tam olarak anlalamamtr.

BLM-7: NANOTEKNOLOJNN EVRESEL VE SALIK ETKLER

Nano malzemeler ok yaygn kullanm alanlar olmasna karlk nano boyutta olmalar ve canl

organizmalara kolay nfus edebilmesinden dolay olumsuz etkileri olacana dair yakn zamanda

almalar balamtr. Ancak nanoteknolojinin son 20 ylda ortaya kmasndan dolay bu teknolojinin

olas risklerinin ortaya kmasnnda uzun zaman olaca ortadadr. Nano malzemelerin insanlar zerinde

olumsuz etkileri olduuna dair henz kesinlemi aratrmalar sz konusu deildir. Ancak

mikroorganizmalar zerinde yaplan almalar durumun risklerinin gerek olduunu gstermektedir.

Baz nano materyallerin olumsuz etkileri aada verilmitir;

7.1. Nanogm:

Kolloidal gm ve gm iyonla anti mikrobiyal olarak uzun sredir kullanlmaktadr. Son yllarda, nano lekli gm partiklleri alternatif olarak aratrlmaya balanmtr. Nano gm, E.coli lmesinde nanopartikl olmayan ve suda znebilen gm iyonlar kadar etkilidir. Nano gm partikller mikroplaron membrann dna kmasn engeller ve destabilize eder. Bu lm hcrenin ierii ile ilikilidir ve spesifik bir mikrobiyal etkidir. Nano gm memeli hcre membranlarn etkilemez. Baz ticari gm trlerinin insanlarda toksik etkisi olmad retici firmalar tarafndan iddia edilmektedir. Ancak bu konuda aratrmalar devam etmektedir.

7.2. Fulleren (C60=Buckyballs):

C60 pazarda bulunan birok deri kreminde mevcuttur ve antioksidant olarak kullanlr. Hcre membranlarnda katalitik etkileri gzlenmitir. Hcrenin yaama kabiliyetini azaltmaktadr. Ayrca desenfektantlarn iindeki antibakteriyel aktivitelere olan etkileri de aratrlmaktadr. C60 suda znmez. Kararl kristal yapdadr ve bu nedenle sulu zeltilerdeki mikrobiyal aktiviteyi inhibe eder. Hazrlanma yntemine bal olarak sudaki askda fullerenler, 0,09-0,95 mg/l Bacillus subtilus un geliimini inhibe edebilirler. Kmelenmi partikllerin bykl toksisiteyi etkiler. Daha kk kmeler kristallenme seviyesine bal olarak byk kmelere gre daha toksiktir.

7.3. Titanyum Dioksit (TiO2):

En yaygn kullanlan titanyum dioksit UV a maruz kaldnda fotokatalitik olarak etki gsterir. Sulardaki asidik pH ile E.coli bakterilerde ilave stres meydana getirmektedir. Fotokatalitie maruz kalan E.coli bakterilerinde lmcl etki grlmtr. UV maruz kalm TiO2 gram negatif bakterilerde pozitif bakterilere gre daha fazla incelme grlmtr. Hcre memranlarnda hidroksi radikalleri oluumu gzlenmitir.

7.4. Yksz Demir yonlar (ZVI):

ZVI larn yeryzeyini kaplayan demir iyonlar kadar toksik etki yapt ve zellikle kirlenmi yeralt sularnn iyiletirilmesi esnasnda uzun mesafelere yeralt suyu ile tanmamas nerilir. Bununla birlikte evresel etkilerine ait spesifik almalar henz netlememitir.


7.5. evresel Risk Deerlendirmesi:

Nano partikllerin evresel etkilerinin deerlendirilmesinde evresel risk deerlendirme ynetimi aamalar geerlidir. Nanomalzemelerin potansiyel risk deerlendirmesi 4 aamada gerekleir;

1. Tehlikenin Tanmlanmas:Tehlikenin varolduu nanomateryalleri kapsayan senaryolar ve aktivite almas nedir.

2. Toksisitenin Bilinmesi:Nanomateryallerin olas etkileri ile ilgili mevcut aratrma verileri nelerdir.

3. Maruz Kalmann Deerlendirilmesi: Nanomateryaller iin alanlarn gerek maruziyetleri ile ilgili mevcut lm verileri nelerdir.

4. Risk Karakterizasyonu: Spesifik aktivite veya senaryolar esnasnda nanomateryallere maruz kalan alanlarn olas salk riskleri nelerdir.

Nanopartikllerin toksikolojisi incelendiinde 5 D kural geerlidir; 1.DOZ (=Dose) : Alnan nanomateryal miktar nedir ? 2.BRKM (=Deposition) : Nanomateryaller vcutta nerede birikir ? 3.BOYUT(=Dimension) : Nanomateryalin byklk zellikleri nelerdir ? 4.MUKAVEMET (=Durability) : Nanomateryallerin vcutta bozunmas ne kadar iyi oluyor ? 5.BAIIKLIK (=Dispensation) : Nanomateryallerin etkilerinden vcudu koruyan savunma mekanizmalar nelerdir ?

Karbon nanotplerin genel anlamda potansiyel etkileri ematik olarak verilirse;

Eklemsel Blgelerde Ksa Uzun Organik metaller Translokasyon (kromozomlar (20m) aras para deiimi)

Oksidatif stres (serbest radikallerin ar oluumu) ve iltihaplanma

SWCNT/MWCNT

zlemeyen

ekirdek

zlebilen

ekirdek


Nanomateryallerin mikroorganizmalar zerindeki etkileri zet halinde tabloda verilmitir.

Nanomateryal Konsantrasyon Maruz Kalma

Sresi

Trler Biti Noktas

Nanogm 0-100 g/m3 24 saat Escherichia coli Nanogm hcre duvarlarnda tahribatn artna ve E.coli hcrelerinin lmne yol aar.

TiO2, SiO2, ZnO 10-5000 ppm 6 saat Bacillus subtillis,

E.Coli

SiO2 toksisitesi azdr fakat ZnO daha toksiktir. Gram-pozitif

bakteri btn nanomateryallere gram negatif bakterilerden daha

fazla duyarldr.

Nanoalminyum 0-10000 mg/kg.kum

2 ay Phaseolus

vulgaris, lolium

perenne

Phaseolus vulgaris veya lolium

perenne etkileri snrldr. In ve solunumun azalmasna neden olurlar.

C60(Fulleren) ,

TiO2

0-10 ppm 2 gn Daphnia magna C60 konsantrasyonundaki art lm orannn arttrr.

C60(Fulleren) 0-0,5 ppm 2 gn Daphnia magna Beyin ve solungalarda C60 ile lipid peroksidasyonu(yalarn ykseltgenmesi sonucu bozulmas) artar. Balklarda lm oran artar.

ZnO, CuO, TiO2 0-1000 mg/l 0-2

gn Vibrio fisheri,

D.Magna,

T.Platyurus

Hem Nano ve hemde

hacimsel(byk) ZnO yksek toksik zelliktedir.

SWCNT 0-20 mg/l 96 saat D.Magna D.magna nanotpleri sindirir

SWCNT 0-0.5 mg/l 10 gn D.magna Serbest radikalleri balayan enzim olan glutatyon artna neden olur

Nanoselenyum

ve sodyum

selenit

100 g/l 10 gn Medaka Oksidatif stresin artna yol aralar ve nanoselenyum selenite gre daha toksiktir.


YARARLANILAN KAYNAKLAR:

Anonymous, 2005, Trkiyede Nanoteknoloji, Bilim ve Teknik Dergisi Eki, Ankara

Booker, R., Boysen, E., 2005, Nanotechnology for Dummies, Wiles Publishing Inc,

Bhushan, B. (edit.), 2007, Handbook of Nanotechnology, Springer Berlin, New York

Erko, ., 2010, Nanobilim ve Nanoteknoloji, ODT Yaynclk, Ankara

Joo, S.H., Cheng, I.F., 2006, Nanotechnology for Environmental Remediation, Springer Science

Neumann, R.V.,2010, Nanotechnology and The Environment, Nova Science Publisher Inc.

Sellers, K. ve di.,2009, Nanotechnology and The Environment, CRC Press

Theodore, L., Kuntz, L.G., 2005, Nanotechnology:Environmental Implications and Solutions,

Wiley InterScience

Wiesner, M.R.,Bottero, J.Y, 2007, Environmental Nanotechnology, McGraw-Hill Inc.

Tratnyek, P.G., Johnson, R.L., 2006. Nanotechnology for Environmental Cleanup, Nanotoday,

1.2. 44-48

Savage, N. vd., 2009. Nanotechnology Applications for Clean Water. William Andrew Inc. Joo, S.H. Cheng, I.F., 2006. Nanotechnology for Environmental Remediation, Springer Science

Business Media, Inc.

Fan, M., vd. 2010. Environanotechnology, Elsevier B.V. UK

Carotta MC, Martinelli G, Crema L, Malag C, Merli M, Ghiotti G, et al. Nanostructured thick-film gas sensors for atmospheric pollutant monitoring: quantitative analysis on field tests. Sens

Actuators B 2001;76:33642. Pummakarnchana, O., Tripathi, N., Dutta, J., 2005. Air pollution monitoring and GIS modeling: a

new use of nanotechnology based solid state gas sensors. Science and Technology of advanced

materials, 6, 251-255.

Lu, Y., Li, D., 2002. Experimental Study of Nanometer Ti02 for Use as an Adsorbent for SO2

Removal. Dev. Chem. Eng. Mineral Process., 10(3/4), pp. 443-457.

Senkan, S. 2005. Nanostructured Catalytic Materials for NOx Reduction Using Combinatorial Methodologies. Proceedings Nanotechnology and the Environment: Applications and Implications, Progress Review Workshop III. Arlington, VA. 2628 October.

Buso, D. vd. 2008. Gold nanoparticle-doped TiO semiconductor thin films : Gas sensing properties. Alessandro Advanced Functional Materials, 18, 23, pp. 3843-3849, 2008.

Arshad, I. vd. 2008. Selectivity of Quartz Crystal Microbalance Gas Sensor Coated With Ti02-Porphyrin Nanocomposite Thin Films Towards Volatile Organic Compounds. leSE 2008 Proc.

2008, Johor Bahru, Malaysia.

Anonymous, 2007. A nanotechnology White Paper. EPA 100/B-07/001

TBTAK. 2006. Trkiye de Nanoteknoloji Bilim ve Teknik. Aralk.2006. Ankara. Akbulut, H. 2006. Karbon Nanotpler Ders Notu. Sakarya niversitesi. Metalurji ve Malzeme

Mhendislii. Sakarya. Baykara, T., vd. 2010. Nanoteknoloji ve Nano-Malzeme Sreleri. TBTAK Mam Malzeme

Enstits. Ankara

Documents

çevre nanoteknolojisi.pdf