Environment and Energy

Transkript

1 NanoGeoScience Environment and Energy Det kan man bl.a. bruge nanoteknologien til: Vand, olie og affald Baggrund: NanoGeoScience er studier af naturens materialer på skalaer mindre end en mikrometer, hvilket svarer til en milliontedel af en milimeter eller en tusindedel af en bakteries længde. Teknikkerne er blevet udviklet i løbet af de seneste 20 år og gør det nu muligt at observere atomerne direkte. Allerede nu har nanoteknologien bidraget til ikke så få fremskridt f.eks hurtigere computere og nye og forbedrede materialer af forskellig karaktere. Når det handler om NanoGeoScience, kan teknikkerne anvendes til analyser af jord og sedimenter (partikler). Det samme gælder, når man skal analysere kemiske reaktioner mellem f.eks. vand og luft og naturlige faststoffer. Dette åbne vindue ind i molekylernes univers giver ny indsigt i de processer, der former vores verden. Både på det store plan dannelsen af vores landskaber og på det atomare plan, hvad der foregår af biologiske og kemiske processer i selve jorden. Med NanoGeoScience kan man forstå de naturlige processer, der koncentrerer sediment (partikler) til bjergarter og forvitrer bjergarter til jord igen. Olie: Nanoteknologi kan anvendes til udvikling af metoder der kan optimere olie udvindingen fra kalklaget i Østersøen. Analyser på atoma skala giver viden om kridtpartiklernes overflade og egenskaber og muliggør derved udvikling af en miljøvenlig metode der får olien til at slippe nemmere fri af kalken. Forureningsbekæmpelse: NanoGeoScience udvikler nye metoder til oprensning af vores grundvand. Atomar skala undersøgelser og analyser af jordmineralers reaktions- og bindingsevne 1

2 med giftige metalopløsninger og komponenter giver indsigt og viden, der er afgørende i udviklingen af nye oprensningsmetoder. Det samme er tilfældet med bl.a. binding og opsamling af CO 2 og andre drivhusgasser, der i øjeblikket får skyld for at være en væsentlig årsag til klimaforandringerne. Forskergruppens mål: Vores mål i NanoGeoScience forskningsgruppen er at samle ny grundlæggende viden og forståelse af reaktionerne mellem naturlige faststoffer og væsker og bruge det til bl.a.: At udvikle nanopartikler, der kan rense specifikke forureningsstoffer fra grundvandet. At udvikle nanopartikler, som kan binde og uskadeliggøre giftige stoffer i affald. At udvinde mere olie, som er bundet i kalklag. At reducere mængden af CO 2 i atmosfæren ved at binde den til faststoffer At løse gåder om skal-, ben-, og tanddannelse, hvilket bl.a. vil give vores kolleger i medicinforskning nye nøgler til udvikling af mere effektive behandlinger af knoglesygdomme. Finansiering: Vores forskningsbevillinger kommer fra Forskningsrådet for Natur og Univers, Højteknologifonden og Carlsbergfondet, fra flere forskellige EU-projekter og fra industrien i Danmark og Sverige. Finansieringen har bl.a. betydning for, at man kan kombinere grundforskning med industriens behov for at udvikle nye produkter og i samme ombæring støtte undervisning og uddannelse af unge forskere. EU støtten går bl.a. til projekter, der fokuserer på: Grundvands-kvalitetssikring. Miljøsikker opbevaring af affald herunder flyveaske og radioaktivt affald. CO 2 deponering og forsvarlig opbevaring af rest-produkter. Vores største projekt, Nano-Chalk, er støttet af HTF, Mærsk Olie og Gas AS og Københavns Universitet. NanoGeoScience gruppen består pt af 21 personer og vil vokse til i løbet af

3 Nano-skala viden om kokkoliter skaber mulighed for nikkelfrit grundvand og måske sygdomsbehandling Kridt består hovedsalig af kokkolitter, der er mikroskopiske kalkplader og som dannes af éncellede planktoniske alger. Kokkolitter består af mange nanoskala kalcitkrystaller, hvis komplicerede form og krystalorientering kontrolleres af algerne. Algerne danner dem ud fra calcium og karbonat fra havvand og styrer deres vækst, således at hver art har sin egen unikke og elegante kokkolitarkitektur. Vores viden om kalcit og kridt har ført til et studie af nikkels opførsel i kalk. En større del af det danske grundvand pumpes op fra kridtformationer. Visse steder har vandet herfra en naturlig høj koncentration af nikkel, som kan forårsage eksem hos forbrugeren. Viden om de kemiske reaktioner, der er ansvarlige for transport af nikkel i grundvand, giver os mulighed for med hjælp fra kalkens egenskaber at udvikle metoder til immobilisering af nikkeltransport. Derudover vil nano-skala studier af biologisk dannede kalcitkrystaller give os indblik i, hvordan kokkolitter dannes, og hvordan andre organismer udfælder de krystaller, der indgår i skaller, knogler og tænder. Denne forskning har betydning for vores forståelse af kalkformationer med vidtrækkende implikationer for materialevidenskab og behandling af sygdomme såsom osteoporose, (knogleskørhed), gigt og nyresten, hvor kroppens naturlige mineraldannelse går galt. Endelig har vores viden om kokkoliter dannet basis for Nano-chalk projektet. Nano-Chalk projektet optimering af olieudvinding Med de nuværende metoder er det ofte ikke muligt at udvinde mere end % af den olie, der findes i kalkreservoirer i Nordsøen. Gennem flere år har både forskere og oliefirmaer med moderne teknologi søgt at udvikle nye metoder. Udvindingsgraden af olie fra kridtlaget afhænger af størrelsen på hulrummene mellem kridtpartiklerne, og hvor tæt de hænger sammen. Man kan i dag presse en del af olien ud fra hulrummene, men en væsentlig rest af olien sidder fast på overfladerne af kridtpartikler og i hjørner. Jo mindre kridtpartiklerne er, jo mere olie kan der hænge fast. Med nanoteknologi er der skabt mulighed for at undersøge kalken på nano-skala, og derved opnå viden om kridtpartiklernes egenskaber. Målet med projektet er at udvikle en miljøvenlig metode til at påvirke partiklernes overflade, således at olien slipper nemmere fri af kalken. 3

4 Nanopartikler til brug ved rensning af forurenede grundvand Under grundvandsspejlet er der ofte ikke megen ilt. Den kan være opbrugt af bakterier eller ved reaktioner mellem vand og jordmineraler. I dette iltfrie miljø findes en række mineraler, hvoraf nogle reagerer hurtigt med miljøfremmede og giftige stoffer. Jernoxiderne er en familie af jordmineraler, som let reagerer og derved kan opfange uønskede stoffer. En del af vores forskning fokuserer på at optimere reaktionerne, så de kan bruges til rensning af grundvand eller som en komponent i en reaktiv barriere under en affaldsplads. Anvendelse af atomar-skala teknik kan bidrage til forståelse af Roundups opførelse i grundvandet Roundup er det mest anvendte ukrudtsmiddel i verden. Den aktive bestanddel i ukrudtsmidlet er et kort organisk molekyle. I molekylets ender sidder kemiske grupper, som bindes til en række mineraler i jorden. Fordi molekylet bindes kraftigt, har det hidtil været antaget, at ukrudtsmidlet bliver immobilt, når det kommer i kontakt med disse partikler. De seneste års fund af ukrudtsmidlet i grundvandet vidner dog om, at der foregår processer, vi endnu ikke forstår. Studier udført på atomar skala kan give os viden om og en forståelse af, hvordan ukrudtsmidlet og andre molekyler bindes til jordpartiklers overflade, og hvorledes de finder vej til grundvandet. Denne viden giver samtidig mulighed for, at vi udvikle metoder til begrænsning af denne transport. Højopløsningsteknik skaber viden om anvendelse af bakterier ved forureningsoprensning Bakterier findes næsten overalt i vores verden og udviser en forbløffende evne til at påvirke deres nærmeste omgivelser. De sidder på alle mineraloverflader, da disse kan tilbyde næring og et substrat for fæstning. Nogle bakterier fæstner sig til én type mineral, mens andre bakterier fortrækker andre. Måske leder bakterierne efter stoffer til deres vækst, som findes i mineralet, eller måske efter fremmede stoffer, der sidder på mineraloverfladen. Vi har undersøgt, hvilke mineraloverflader bakterierne naturligt vælger. Desuden har vi undersøgt, om de samme mineraloverflader var lige så attraktive, når de var dækket med stoffer, der naturligt opstår ved nedbrydning af oliespild. Ved hjælp af højopløsningsteknikker kan vi se levende bakterier og iagttage deres aktivitet og adfærd. Forståelse og viden om dette kan bl.a. benyttes til at øge bakteriefæstning i forbindelse med forureningsoprensning. Den samme viden kan også bruges af forskere, der ønsker at hæmme fæstning af bakterier på f.eks. tænder, medicinsk udstyr og knogleimplantater. 4

5 Grøn rust renser grundvand Der findes mange toksiske stoffer, som man ikke ønsker i sit drikkevand. Tunge metaller, pesticider, komponenter fra kemivask m.fl. udgør farlige bestanddele, hvis vandværket ikke anvender et rensningsanlæg. Flere af disse reagerer med jernoxider og i nogle tilfælde reduceres deres giftighed og mobilitet efter en reaktion. Man kender jern i dens oxiderede form som rød rust. I grundvandet, hvor der ingen ilt er, findes jern i en reduceret forbindelse, som grøn rust. Disse naturlige nanopartikler har høj reaktivitet, og er derved velegnet til at forhindre transport af nogle farlige komponenter. Vi har undersøgt, hvorledes grøn rust reagerer med miljøfremmede stoffer, f.eks. krom. Vores resultater viser, at grøn rust omdanner krom fra en meget giftig og letopløselig form til en relativ harmløs og uopløselig form, og derved beskytter grundvandet. Ved hjælp af nanoteknikker kan vi observere disse reaktioner, mens de sker. En forståelse af de processer, der finder sted i systemet, skaber mulighed for, at vi kan udvikle mikro- og nano-partikler, som kan bruges til oprensning af forurenet grundvand eller som en reaktiv barriere under affaldsdepoter. Viden om nanopartikler som grundlag for deponering af radioaktivt materiale Den svenske stat har i længere tid overvejet mulighederne for permanent og sikker henlæggelse af brugt radioaktivt brændsel. Dette skal ske ved at konstruere et depot på ca. 500 meters dybde i et krystallinsk grundfjeld. Her kan affaldet henfalde uforstyrret i år, afskåret fra det omkringliggende miljø. Den lange tidsmæssige horisont introducerer imidlertid komplicerende forhold, idet evt. ændringer i klimaet forandrer grundvandets kemi, og muligvis kompromitterer depotets sikkerhed. Vi undersøger om tidligere tiders klimaforandringer har medført væsentlige ændringer i grundvandets kemi ved at studere de nanopartikler, der naturligt dannedes på disse tidspunkter. Specielt deres form og kemiske sammensætning kan bruges som et fingeraftryk for den daværende grundvandssammensætning. Vores indledende undersøgelser tyder ikke på, at der er tegn på kritiske ændring af grundvandets kemi ved dybder over 100 m. SKB - Svensk Kärnbränslehantering AB - er også interesseret i vores forskning om grøn rust og kalcit som mulige komponenter i et reaktivt barrieresystem. Vores og andres forskning i et par EU-støttede projekter viser, at nogle af de 5

6 farlige radioaktiv komponenter, som neptunium, curium, americium og andre, bliver optaget og immobiliseret, når kalcit eller jernoxider er tilstede. 6