Mit zunehmenden Nachrichtenberichten über die globale Erwärmung, die Luft-, Wasser- und Bodenverschmutzung und gleichzeitig den zunehmenden Druck auf die sichere Umwelt und die Nahrungsmittelversorgung einer wachsenden Bevölkerung werden Umweltwissenschaften und Umweltsanität zunehmend aufmerksam.

Mit dem zunehmenden globalen Bewusstsein für Umwelt- und Sicherheitsprobleme erkennen wir nicht nur die Notwendigkeit, proaktiv Maßnahmen zur Verhütung von Umweltverschmutzung und zum Schutz der öffentlichen Gesundheit zu ergreifen, sondern auch die Notwendigkeit, einige falsche Entscheidungen zu korrigieren, die vor Jahrzehnten getroffen wurden. Heute sind wir dankbar für die Bedürfnisse, die dazu beitragen, verschmutzte Luft und Wasser zu reinigen, den Boden zu reinigen und gefährliche Chemikalien wie Spielzeug, Kleidung, Kosmetik, Hautpflegeprodukte und Lebensmittel um uns herum zu ersetzen.

In diesen Bereichen spielen die Wechselwirkungen von Nanomaterialien eine entscheidende Rolle, und ein fundiertes Verständnis dieses Gebietes wird einen wichtigen Beitrag zur Charakterisierung, Bewertung, Prognose und Risikokontrolle leisten - bei der Sicherstellung von Gesundheit und Sicherheit in der Zukunft sowie zur Beseitigung von Verschmutzungen aus der Vergangenheit.

[Umwelt/Nanotoxikologie]

Heute sind Nanopartikel überall um uns herum. Diese winzigen Partikel sind bereits in Produkte wie Sonnenschutzmittel, Lebensmittelverpackungen, Medikamente, Bekleidung und Beschichtungen gelangt und treten ständig in neue Bereiche ein. Das potenzielle Risiko der absichtlichen und unbeabsichtigten Exposition von Nanopartikeln wurde jedoch nicht ausreichend bewertet. Dies weckte auch mehr Aufmerksamkeit auf die Nanotoxicologie.

Die Nanotechnologie ist ein relativ neues wissenschaftliches Feld, das die Tatsache nutzt, dass sich die Materialeigenschaften ändern, wenn die Größe von makroskopischer Verringerung auf Nanoskale abweicht. Die idealen Eigenschaften von technischen Nanomaterialien wurden in vielen verschiedenen Bereichen angewandt, und sie sind ständig auf der Suche nach neuen Anwendungsmethoden. Nicht nur die Verwendung und Verbreitung von Nanomaterialien nimmt zu, nanodimensionale Objekte können auch Nebenwirkungen von Prozessen wie Verbrennung und mechanischer Verschleiß verursachen.

Das Ergebnis ist die ständige Ausdehnung und Freisetzung von Nanomaterialien in unserer Umgebung und in der Umwelt, was die Exposition an Nanopartikeln erhöht. Diese zufriedenstellenden neuen Materialeigenschaften sind jedoch mit unbekannten Aspekten verbunden. Man weiß oft nicht, wie diese Partikel im gesamten Lebenszyklus interagieren und sich verhalten. Viele Anstrengungen und Ressourcen konzentrieren sich auf die Nanotoxikologie, um die Auswirkungen der bewussten und unbeabsichtigten Exposition an Nanomaterialien zu bewerten, um sicherzustellen, dass dies für Menschen und die Umwelt sicher ist.

Charakterisierung der Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit der Umgebung

Bei der Nanosicherheitsbewertung ist es von entscheidender Bedeutung, zu verstehen, wie sich Nanopartikel in exponierter Umgebung verhalten. Sie müssen Forschung in relevanten biologischen Umgebungen durchführen, in denen die Wechselwirkungen zwischen den Nanopartikeln und den Molekülen, denen sie während ihres gesamten Lebenszyklus begegnen, überwacht werden können. Die Art der Wechselwirkung mit der Umgebung hängt von dem Material, der Größe, der Oberflächenladung und der Funktionalität der Nanopartikel sowie der Umgebung wie dem pH-Wert ab. Wenn die Nanopartikel freigesetzt werden, beginnen sie, organische und anorganische Materialien zu absorbieren und bilden eine neue Schnittstelle, die sogenannte Corone oder Bioelektronenschicht, die der Umwelt neue Eigenschaften verleiht. QSense QCM-D kann solche Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und der Umgebung untersuchen, z. B. in dieser Studie wurde die Bioverträglichkeit von Nanopartikeln im menschlichen Verdauungssystem bewertet. In diesem Blog-Beitrag werden auch einige Beispiele für die Interaktion mit Nanopartikeln im relevanten Kontext überprüft. Die Auswirkungen von Nanopartikeln auf Phospholipidmembranen wurden auch erfolgreich mit Langmuir-Tanks untersucht.

[Umwelt/Reinigung von Wasser und Boden]

Wasser und Boden sind die beiden wichtigsten Elemente, die für die Gesundheit und das Wohlbefinden unserer Menschen und anderer Lebewesen auf diesem Planeten erforderlich sind. Diese beiden Bereiche bieten nicht nur die Umwelt für unser Überleben und unsere Entwicklung, sondern auch gesunde Böden und sauberes Wasser sind Voraussetzungen für die Sicherung der Nahrungskette für uns und zukünftige Generationen. Heute ist die Umweltverschmutzung von Wasser und Boden immer wichtiger.

Umweltverschmutzung ist von Menschen verursacht und kommt aus einer Vielzahl von Quellen. Die Industrie setzt giftige Nebenprodukte frei und verschmutzt Abwasser, landwirtschaftliche Dünger und Pestizide in den Untergrund. Andere Quellen sind unbehandeltes Abwasser, Öllecks, radioaktive Verschmutzung und saurer Regen, die alle eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Während wir das Bevölkerungswachstum und den weltweiten Reichtum beobachten, erleben wir die Degradation dieser beiden wichtigsten natürlichen Ressourcen. Mehr Menschen auf der Welt und ein hoher Konsumliebsstil, der von mehr Menschen verursacht wird, üben Druck auf die verfügbaren Ressourcen aus, um den wachsenden Konsum und sich ändernde Konsumgewohnheiten zu unterstützen. Um die Nachfrage der Verbraucher zu decken und gesunden Boden und sauberes Wasser zu gewährleisten, müssen verschmutztes Wasser und Böden gereinigt werden.

Wasserreinigung und -filterung

Sauberes Wasser ist eine immer knappere Ressource. Die Nachfrage nach qualitativ hochwertigem Wasser ist nicht nur die Versorgung einer wachsenden Zahl von Menschen auf der Erde mit Trinkwasser, sondern auch die Produktion und Landwirtschaft von Lebensmitteln und Kleidung, die einen hohen Verbrauch des Lebensstils unterstützen. Um zukünftigen Generationen eine nachhaltige Wasserversorgung und sichere Lebensräume für Wasserlebewesen zu gewährleisten, müssen wir die Ressourcennutzung verbessern und das Wasser recyceln, das wir verwendet haben. Wir müssen auch bereits verschmutzte Wasserquellen wie Flüsse, Seen und Meere reinigen. In Regionen mit mangelnder Süßwasserversorgung können Recycling und Entsalzung Lösungen für die Verbraucherbedarf bieten.

Eine effektive Methode zur Behandlung von Wasserverschmutzungen ist die Membranfiltration, die zur Wasserrückgewinnung, Wiederverwendung und Entsalzung verwendet werden kann. QSense QCM-D kann für die Entwicklung und Bewertung von Filtermembranen verwendet werden, um die Auflösung und Filtrationseigenschaften von Membranen zu charakterisieren, wie z. B. Reverse Osmose-Membranen für die Entsalzung von Meerwasser und Abwasserbehandlung sowie Membranenverschmutzung.

Bodenreinigung

Bodenreparatur ist der Prozess, bei dem ein verschmutzter Boden auf verschiedene Weise entfernt oder gereinigt wird. Bioreparation ist eine der sinnvollsten Methoden zur Reinigung des Bodens. Bei der Bioreparation werden Mikroben verwendet, um Schadstoffe im Boden abzubauen. Bioreparation wird häufig verwendet, um organische Schadstoffe wie Öl und ölbasierte Brennstoffe zu verarbeiten.

Die Hauptschwierigkeit bei der Bioreparation ist die Verfügbarkeit von Schadstoffen, da diese hydrophoben Verbindungen an Bodenpartikel binden und eine geringe Löslichkeit in Wasser aufweisen. Um den Kontakt von Schadstoffen mit Mikroorganismen zu erhöhen und damit abzubauen, werden in der Regel Oberflächenaktive verwendet. Oberflächenaktive Mittel können verwendet werden, um die Desorption und Löslichkeit von Ölkohlenwasserstoffen zu verbessern und damit ihre mikrobielle Assimilation zu fördern.

Die meisten auf dem Markt verkauften Oberflächenaktive werden aus Nebenprodukten von Öl synthetisiert. Zunehmende Umweltprobleme führen jedoch zur Entwicklung von alternativen natürlichen Oberflächenaktiven, um bestehende Produkte zu ersetzen. Diese biologischen Oberflächenaktiven sind in der Regel Polymere von Glykolipiden, Lipoproteinen, Phospholipiden, Fettsäuren oder deren chemischen Eigenschaften. Bei niedrigen Konzentrationen lösen sich Bio-Oberflächenaktive in Wasser, aber bei höheren Konzentrationen bilden sich Bündel. Der Punkt, an dem sich die Bündel bildet, wird als kritischer Bündelkonzentrationspunkt (CMC) bezeichnet. In der Regel werden die kritischen Bündelkonzentrationen von Bio-Oberflächenaktivlösungen gemessen, da die Lösung von Ölkohlenwasserstoffen in der Regel über dem CMC auftritt. Aus ökonomischer und ökologischer Sicht ist es wichtig, möglichst wenige Mengen an Oberflächenaktiven zu verwenden.

[Umwelt/Kohlenstoffsicherung]

Mit der zunehmenden Aufmerksamkeit auf die globale Erwärmung und ihre Auswirkungen auf den Planeten ist die Speicherung von Treibhausgasen, hauptsächlich Kohlendioxid, zum Thema vieler Forschungsgruppen geworden. Die sichere Erfassung von Kohlendioxid und die Speicherung in tiefen, alkalischen Wasserschichten gilt als praktisches Mittel zur Kontrolle der Emissionen von Kohlendioxid in die Atmosphäre.

Eines der potenziellen unterirdischen Systeme, die zur geologischen Archivierung in Betracht gezogen werden, umfasst tiefe Salzwasserschichten. Um eine erfolgreiche Kohlendioxidspeicherung zu erreichen, ist eine langfristige Erfassung von Kohlendioxid erforderlich. Dies erfordert ein Verständnis aller physikalischen und chemischen Erfassungsmechanismen, die Kohlendioxid speichern können. Die Erfassung von Kohlendioxid unter einer nicht durchdringbaren geschlossenen Schicht oder die Festlegung von Kohlendioxid in den Poren der Wasserschicht hat die größte und unmittelbarste Wirkung. Die Wirksamkeit beider Erfassungsmechanismen hängt vom Kapillardruck ab, daher spielen die Grenzflächenspannungseigenschaften zwischen Kohlendioxid-Salzwasser und Kohlendioxid-Gestein eine wichtige Rolle. Um diese Wechselwirkungen zu verstehen, müssen Messungen bei hohen Temperaturen und Drucken durchgeführt werden, um Wasserspeicherbedingungen zu simulieren.

CO2-Salzwasser (Gestein) Wechselwirkung unter hohem Druck

Die funktionelle Beziehung zwischen Spannung und Druck, Temperatur, Salzbesetzung und Konzentration der CO2-Salzwasser-Grenzfläche wurde untersucht. Abbildung 1 zeigt typische Schnittstellenspannungsmessungen, die zeigen, dass die Schnittstellenspannungswerte bei einem Druck von etwa 120 bar ausgeglichen sind.

Funktionale Beziehung zwischen Schnittstellenspannung (35.000 ppm) und Druck (45°C) zwischen CO2-Wasser und CO2-Salzwasser

Feuchtigkeit wird in der Regel als die Tendenz definiert, dass sich eine Flüssigkeit in Gegenwart einer anderen inkompatiblen Flüssigkeit ausbreitet und an einer festen Oberfläche haftet. Im Falle der Unterwasserschichten muss das Salzwasser-Kohlendioxid-Gesteinssystem berücksichtigt werden. Wenn der Felsen feucht ist, wird Salzwasser kleine Löcher besetzen und mit den meisten Felsen in Kontakt treten. Ebenso, wenn das eingespritzte CO2 am Ende den Felsen benetzt, wird es kleine Löcher einnehmen und mit den meisten Felsen in Kontakt treten. Veränderungen in der Feuchtigkeit werden durch Messung des Kontaktwinkels von CO2 auf der Mineraloberfläche im Salzwasser bei hohem Druck und hoher Temperatur untersucht.

[Bewertung der Umwelt/Bioverschmutzung und Biofilm]

Biologische Verschmutzung und Biofilmbildung außerhalb der natürlichen Ökosysteme sind eine Gefahr. Die Ansammlung von Bakterienkolonien (in der Regel in industriellen Umgebungen) zerstört das Grundmaterial, was zu Korrosion und Materialabfällen führt.

Dies führt zu Produktionsverlusten und erhöhten Kosten. Darüber hinaus kann es gesundheitliche Risiken verursachen, wie zum Beispiel eine Verringerung der Filtermembranleistung, die den Membranfluss beeinflusst und somit die Trinkwasserqualität beeinflusst.

Biofilm ist als Teil eines größeren Ökosystems in großer Zahl vorhanden, aber diese Mikrobieströme können auch in künstlichen Gebäuden überleben und sich vermehren, die für Mikroben eine feuchte und nahrhafte Umgebung bieten. Abwasserabflusse, Produktionsanlagen mit wasserkelteten Rohrleitungen, andere Rohrleitungssysteme wie Wasserleitungen oder Ölleitungen und Membransysteme wie Membranbioreaktoren und Reverse Osmosis-Membranen für die Abwasserfiltration sind in der Regel betroffen. Die Kosten für die Verluste durch biologische Verschmutzung sind enorm und die Folgen für menschliches Leben und Gesundheit sind sehr ernst. Daher ist es sehr wichtig, biologische Verschmutzung zu verstehen und zu verhindern.

Charakterisierung von Bioverschmutzung, Biofilmbildung und Antiverschmutzungsbeschichtungen

Biofilm ist das Haupthindernis für die Wirksamkeit von Membran- und Filtrationsprozessen. Zum Beispiel ist einer der wichtigsten Faktoren, die die Leistung des Membranbioreaktors beeinflussen, die Membranbeschmutzung durch extrazelluläre Polymerstoffe, die von Mikroben sekretiert werden. Obwohl Membranenreinigung umfassend untersucht wurde, sind Methoden zur Verhinderung von Verschmutzung attraktiver. Um die optimale langfristige Leistung der Membrane zu gewährleisten, ist es daher sinnvoll zu verstehen und zu charakterisieren, wie die Bedingungen, die Verschmutzung und Biofilmbildung minimieren und verhindern können. Mit dem QSense QCM-D, einer Technik zur Charakterisierung von Ablagerungs- und Kontaminationsprozessen sowie zur Erkennung der Biofilmbildung, können Informationen gesammelt werden, die zu einem besseren Verständnis der Beziehungen zwischen Membranoberflächeneigenschaften und Kontaminierungsneigungen beitragen. Diese Technologie kann auch zur Bewertung von Schaumstoff- und Verschmutzungslösungen sowie zur Unterstützung bei der Konstruktion von Verschmutzungsbeschichtungen verwendet werden.

Kontaktwinkel zur Charakterisierung der Membrane

Durch organische Substanzen wie Anorganika (Salze, Niederschlage wie Metallhydroxide und Carbonate), Koloide (suspendierte Partikel wie Siliziumdioxid), mikrobielle Schadstoffe und Partikel, die die Poren blockieren, die auf der Membranoberfläche oder durch den Schmutz entstehen, der sich aus Blocken bildet. Da die meisten Schadstoffe von Natur aus hydrophob sind, wird in der Regel angenommen, dass eine hydrophile Membran erforderlich ist. Die Verwendung verschiedener Beschichtungen und Oberflächenbehandlungen macht die Membrane wasserfreundlicher. Normalerweise werden Kontaktwinkelmessungen zur Beurteilung der Oberflächenhydrophilität verwendet.

[Umwelt/Enttintung]

Enttintung ist ein industrieller Prozess, der Tinte aus recycelten Papierfasern entfernt, um Enttintungspapier herzustellen.

Floating-Prozess in der Enttintung

Schaumstofffloating ist ein häufig verwendeter Enttintungsprozess. Es stammt aus dem üblicherweise in der Bergbauindustrie verwendeten Floating-Prozess. Das Prinzip des Floating-Prozesses ist einfach: In einem Floating-Tank streuen sich kleine Blasen in Zellstoff. Blasen steigen und sammeln hydrophobe Tintenpartikel. Daher werden die Tintenpartikel auf die Oberseite des Ölbehälters angehoben und ausgewählt, während die enttintete Zellstoff vom Tankboden gesammelt wird.

Die zerstreute Blase spielt in diesem Prozess eine entscheidende Rolle. Ihre Eigenschaften sind stark beeinflusst von flüssigen Medienbestandteilen, die aus Wasser und schwebenden Reagentien bestehen, wie Schaumstoffe, Sammler, Inhibitoren usw. Unter all diesen Reagenzien sind Schaumstoffe oberflächenaktive Substanzen, die die Schaumbildung und das Verhalten beeinflussen. Schaumstoffmoleküle adsorbieren auf der Blasenoberfläche und bilden eine Adsorptionsschicht. Während der Adsorption sinkt die Oberflächenspannung, bis der Gleichgewichtswert erreicht wird. Unter dynamischen Bedingungen hat die Dynamik der Adsorption von Oberflächenaktiven aus der Lösung einen wichtigen Einfluss auf das Verhalten der Blasen. Das Verständnis der Fluorenzeigenschaften der Adsorptionsschichten ist wichtig für die Charakterisierung kommerzieller Oberflächenaktive.

Download Application Abstract: Anwendung der Oszillationstropfentechnik zur Charakterisierung des Surfactants-Verhaltens während des Floating-Prozesses.