И.В.Анциферова, А.И. Зенков, И.М. Будянская

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Оценка влияния наночастиц на окружающую среду и человека

Сегодня мир переходит к шестому технологическому укладу, рассчитанному на 50–60 лет XXI в. (рис. 1).[1] В докладе на международной конференции ЮНЕСКО, посвященной роли науки в XXI веке, сотрудник Institute for global futures Дж.Кэнтон прогнозирует, что в третьем тысячелетии добьются успеха и процветания те государства, которые сумеют лучше организовать социальные системы, связанные с нанотехнологиями (организация, обучение, развитие). Использование нанотехнологий может привести к экономии времени, получению максимума благ за меньшую цену и повышению уровня жизни. Сочетание нанотехнологий с такими достижениями XXI века, как компьютеры, сети и биотехнологии, создаст новые возможности, которых человеческое общество не знало за всю историю.

Развитие науки сегодня становится новой парадигмой социально-экономического развития и в России, следствием чего является необходимость внедрять инновационные подходы во всех сферах жизни. В XXI веке наноидустрия будет определять прогресс и состояние дел во всех областях человеческой деятельности. Проведённый Российской Академией наук анализ спроса на результаты научно-исследовательской работы по приоритетным направлениям развития науки и технологии определил самые востребованные научные направления: энергетика и энергосбережения, информационные и телекоммуционные системы, индустрия наносистем и наноматериалов.

По данным исследований, выполненных Российской Академией наук по указанию Президента Российской Федерации, можно сделать вывод, что в стране действительно есть результаты научных разработок, соответствующие мировому уровню и превышающему его. По состоянию на 2008 год в России есть исследования и разработки в области критических технологий, которые являются прорывными практически по всем направлениям шестого технологического уклада.[2] Анализируя структуру и основные отрасли российской экономики по степени конкурентоспособности на мировом рынке, можно прийти к выводу, что имеется шанс осуществить технологический прорыв (возможности по занятию значимой доли на мировом рынке − 10–15 %) в области авиастроения, ядерной энергетики, ракетно-космических систем и отдельных сегментов рынка наноиндустрии, где у нас есть серьезные научно-технологические заделы и существует определенный технологический паритет, а не отставание от мирового уровня.[3].

Одно из важнейших направлений нанотехнологии давно и успешно развивающихся в России сегодня - получение наноразмерных порошков (нанопорошков. Наночастицы или нанопорошки, размером до 100 нм, способны к самостоятельному выстраиванию в отдельные структуры и обладают улучшенными каталитическими, адсорбционными и оптическими свойствами. В нанопорошках вещество измельчено до размеров, при которых скачкообразно меняются их свойства. Они обладают комплексом физических, химических, биологических свойств, которые достаточно сильно отличаются от свойств этого же вещества в форме сплошных фаз или дисперсий. В процессе получения нанопорошка необходимо понимать, когда и при каких размерах, у него меняются наносвойства.

Вмешательство человека в преобразование материального мира на материальном и квантовом уровне требует соответствующего духовного осмысления. Для того, чтобы правильно выработать решения, необходимо тщательно анализировать и учитывать последствия достижений науки и хозяйственных стратегий, а также их влияние на общество, и экологию.[4] Развитие производства и использования наноматериалов может привести к загрязнению окружающей среды, проникая в живые организмы и воздействуя на здоровье человека. Опасения относительно токсичности наноматериалов напрямую связаны с их размерами, с высокой удельной поверхностью, которая обуславливает высокую химическую активность и высокую способность к проникновению в организм. Несвоевременная оценка значимости и опасности нанотехнологий может снизить положительный эффект от их внедрения.

Для общих исследований влияния нанопорошков на окружающую среду и персонал определялись физические и химические свойства наночастиц, опасные факторы воздействия на окружающую среду, здоровье и безопасность в целом, характер потенциального воздействия на человека и окружающую среду. На этом этапе целью проведенных исследований было исследовать строение и свойства нанопорошков на основе никеля, кобальта, железа, алюминия, титана, циркония, а именно: форму, размер и характер распределения по размерам наночастиц; рельеф поверхности биологически активных наночастиц металлов; фазовый состав.

Мы использовали нанопорошки с размером от 20нм до 100нм. Исследование удельной поверхности на установки «Сорби» показало, что удельная поверхность колеблется от 2.45м2/г до 43.9м2/г. Исследование морфологии нанопорошков проводили сканирующим электронным микроскопом «ultra-55» фирмы «Cari zeiss» Порошки вне зависимости от размера имеют в основе кристаллическую фазу и характеризуются овальной формой. Наночастицы никеля, железа и кобальта обладают способностью образовывать конгломераты, что обусловлено аутогезионным и адгезионным взаимодействием. Смачиваемость наночастиц определяется взаимодействием молекул на границе твердой, жидкой и газообразной фаз, что приводит к образованию на их поверхности частиц жидкостной пленки, являющейся показателем их биологической активности. При перемещении потоков нанопорошков происходит их электризация, при этом величина удельного заряда зависит как от вида нанопорошка, так и от материала контактирующей поверхности.

Установлено, что причиной возникновения вредных факторов, влияющих на окружающую среду может стать не только состав сырья, но и такие свойства нанопорошков, как воспламеняемость и взрываемость. Нанопорошки в слое или осевшие частицы веществ не взрываются, однако при воздействии соответствующего инициатора могут воспламеняться и гореть. Пожаро- и взрывоопасность процессов обусловлена применением тонкодисперсных порошков, а также легковоспламеняющихся и хорошо горящих основных и вспомогательных материалов (водород, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ). Взрывным процессам присущи высокие скорости распространения. Над слоем осевших нанопорошков активных металлов возможно распространение взрывной волны со сверхзвуковыми скоростями.

Оценка потенциальных экологических аспектов по критерию «концентрация наночастиц» проводилась на основе результатов аналитического контроля воздуха в укрытии оборудования технологической линии. Величина предельно допустимой концентрации (ПДК) вредных примесей в атмосфере на рабочих местах и вентиляционных выбросах регламентируется. Санитарными нормами проектирования промышленного предприятия ПДК устанавливается на основании медико-биологических и гигиенических исследований. ПДК нанопорошков составляет 0.6 мг/м3, (согласно ГН 5.1313-03) с учетом поправочного коэффициента 0.1. При оценке пожаровзрывоопасности взвешенной нановзвеси определяют нижний концентрационный предел распространения пламени (НКПР), температуры воспламенения и самовоспламенения взвеси.

Для разработки мероприятий по предупреждению возникновения воздействия на окружающую среду потенциальных экологических аспектов проведена идентификация экологических аспектов с помощью метода функционального моделирования технологических процессов по стандарту IDEF0. Идентифицированы как прямые (связанные со штатной деятельностью) экологические аспекты, так и косвенные (потенциальные), возникающие в результате нештатных ситуаций. С помощью диаграммы Ишикавы выявлены причины, приводящие к возникновению аварийных ситуаций и, как следствие, к аварийным выбросам.

Выявленные причины ранжированы по степени важности на основе экспертных оценок с использованием методов парного сравнения и Парето. Важнейшими из них, составляющими в область 80 %, считаются: нарушение требований пожарной безопасности, нарушение правил эксплуатации оборудования, неработающая вентиляция, несовершенство измельчительного оборудования, нанопорошок не заданного гранулометрического состава, неоднородность распределения легирующих элементов.

На основе FME- анализа и согласно комплексному показателю RPZ предложены корректировочные мероприятия, обеспечивающие безопасность нанопорошков, которые сводятся к необходимости внедрения новых технологических процессов, а также необходимости использования материалов заданного гранулометрического состава и принятия новых технических решений по снижению экологических рисков.[5]

Для комплексной оценки свойств нанопорошков, представляющих потенциальную опасность здоровью персонала, разработан алгоритм оценки рисков, который учитывает все известные признаки, влияющие на потенциальную опасность для здоровья человека. Этот метод включает оценку их потенциально неблагоприятных биологических эффектов на основе анализа имеющихся данных о физических, физико-химических, молекулярно-биологических, цитологических, токсикологических и экологических характеристиках наночастиц.

Выявление свойств нанопорошков, представляющих потенциальную опасность для здоровья человека, является прогнозно-аналитической процедурой, включающей сбор научной, научно-технической, методической, нормативной информации о свойствах и биологических эффектах наночастиц[6]. Использование этого алгоритма и метода математического моделирования позволит оценить свойства нанопорошков с точки зрения возможных вредных последствий от экспонирования наночастицами организма человека на трех уровнях: низкий, средний, высокий, а также повлияет на принятие решения по проведению токсиколого-гигиенических исследований и их планирование. Это позволит разработать мероприятия для минимизации воздействия нанодисперсных порошков на окружающую среду и персонал.

Литература:

1. Хартман У. Очарование нанотехнологии. У. Хартман, пер. с японск. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008 .-173.с.

2. Анциферов В.Н. Наука о материалах и высокие технологии. Современные проблемы, прогноз развития в Российской Федерации.-Учебное пособие-Пермь: Изд-во Перм.гос.тех.ун-та,2009.-44с.

3. Дынкин Л.А Вестник Российской академии наук.-Т.79,2009.-№3-с.202-206.

4. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси; пер. с японск. – 2-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008 г. – 134 с: ил.

5. Анциферова И. В. Управление экологическими рисками при получении материалов из титана методом порошковой металлургии Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. 2004г, Пермь

6. Методологические проблемы изучения и оценки био-и нанотехнологии(нановолны, частицы, структуры, процессы, биообъекты) в экологии человека и гигиене окружающей среды./Материалы пленума Научного совета по экологии человека и окружающей среды РАМН и Миндравсоцразвития Российской Федерации. Под редакцией академика РАМН Ю.А.Рахманина. Москва 2009г