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纳米技术/环境影响

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纳米技术的潜在环境影响

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到目前为止,大多数关注点都集中在纳米粒子的潜在健康和环境风险上,只有少数研究对整个生命周期内的总体环境影响进行了研究,例如生态足迹 (EF)生命周期分析 (LCA)。纳米产品的生命周期可能既包括对人类健康和环境的风险,也包括与不同阶段相关的环境影响。

在从原材料提取到最终处置的整个生命周期中,了解和评估纳米技术的环境影响和益处的主题仅在少数研究中得到解决。美国环保署 (EPA) 和 NCER 赞助了一些项目来研究生命周期评估方法。其中只有一个项目已发布了关于汽车催化剂[1] 和汽车纳米复合材料[2] 的研究结果,而一个项目则由德国政府资助[3]

2007 年,《清洁生产杂志》的一期特刊重点关注纳米技术的可持续发展,其中包括瑞士最近的一项 LCA 研究[4]

纳米材料的潜在环境影响可能比游离纳米粒子对个人健康的潜在影响更为深远。许多国际和国家组织建议从生命周期角度评估纳米材料[5] , [6],

这也是美国最近一系列关于“绿色纳米技术”研讨会的结论之一(Schmidt,2007)[7]

美国环保署/伍德罗·威尔逊国际中心和欧盟委员会研究总司联合举办的研讨会重点关注纳米技术生命周期评估的主题(Klöpffer 等人,2007)[8]

以下是与纳米技术产品在其生命周期中的潜在环境影响相关的一些讨论,以及对纳米技术产品生命周期评估 (LCA) 进一步工作的建议。

然而,当涉及到现有的微制造经验(在很大程度上类似于纳米材料的自上而下的制造)时,出现了几个应该解决的环境问题。有迹象表明,特别是制造和处置阶段可能意味着相当大的环境影响。纳米材料在生命周期所有阶段对人类和环境的毒理学风险已在上文讨论过。因此,以下将进一步探讨对环境的潜在负面影响:

  • 稀有资源的开发和损失增加;
  • 对材料和化学品的更高要求;
  • 生产线中能源需求增加;
  • 自上而下生产中废物产量增加;
  • 反弹效应(水平技术);
  • 一次性系统使用增加;
  • 拆卸和回收问题。

稀有资源的开发和损失

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稀有资源的开发和损失是一个令人担忧的问题,因为经济因素是将珍贵或稀有材料用于日常产品的首要障碍。当产品变得更小,包含稀有材料的组件达到纳米级时,经济不再是最紧迫的问题,因为它不会显着影响产品价格。因此,开发人员将更有可能使用具有他们正在寻找的精确特性的材料。例如,在寻找合适的储氢介质时,Dillon 等人[9] 尝试使用掺杂钪的富勒烯来提高氢的可逆结合。其他例子包括在电子产品中使用镓和其他稀有金属。虽然由于预计纳米技术产品的广泛使用,这些材料的使用量可能会增加,但回收将更加困难(稍后将详细讨论),导致稀有资源的不可回收性扩散。

材料的能量强度

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除了资源损失之外,还有一个问题是,大多数稀有材料的提取比更丰富的材料消耗更多的能量并产生更多的废物。表 1 说明了各种材料的能量强度。[10]

材料 材料的能量强度(MJ/kg)
玻璃 15
59
94
铁氧体 59
214
塑料 84
环氧树脂 140
230
54
340
1570
84000

生命周期评估 (LCA)

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如上所述,关于纳米技术的 LCA 的研究并不多,很多信息需要从微型机电系统 (MEMS) 和微制造的经验中推断而来。

在微观世界中,LCA 主要应用于微机电系统 (MEMS) 领域。技术的快速发展和数据的有限可用性使得完整的 LCA 变得困难,而且很快就会过时。一个例子是个人电脑的制造,在 1980 年代后期,其能源需求约为 2150 千瓦时,而在 1990 年代后期,效率得到提高,只需要 535 千瓦时[11]

使用旧数据会导致错误的结果。从整体环境影响来看,这种效率的四倍增长被售出电脑数量的增加所抵消,从大约 2100 万台增长到超过 1.5 亿台[11] ,导致整体环境影响增加。这通常被称为反弹效应。对于手机的开发,同样的作者得出结论,生命周期影响在不同产品代之间存在显着差异;因此,通用产品生命周期数据应包含主要参数的“技术发展因素”。

一个主要趋势是,产品尺寸的缩小提高了生产环境的要求,以防止产品污染。它涉及能耗高的供暖、通风和空调系统。例如,10,000 级洁净室需要约 2280 千瓦时/平方米·年,而 100 级洁净室需要 8440 千瓦时/平方米·年。化学品和气体等供应材料也有同样的需求增长。对更高纯度的要求意味着化学纯化需要更多技术投入,例如额外的能耗,并可能产生更多废物。大多数纯化技术能耗很高,例如所有蒸馏过程(通常用于湿法化学纯化)在总计约占美国化学工业能耗的 7%[12] 。半导体行业大量使用的化学品包括氢氟酸 (HF)、过氧化氢 (H2O2) 和氢氧化铵 (NH4OH)。这些材料用于最终清洁过程,需要 XLSI 级 (0.1 ppb)。硫酸也大量使用,但它不是一种关键化学品,主要只需要 SLSI 级纯度[12]

其他类型产品的微制造也对材料的质量和纯度提出了更高的要求,例如由于最终产品的尺寸更小,金属的晶粒尺寸更小。此外,还会产生大量的废物。例如,用于微注射成型部件的材料中高达 99% 可能成为废物,因为大型浇口对于处理和组装是必要的。然而,由于对材料强度的要求和降低,可能无法回收这种废物[13]

微型化也会给电子产品回收带来新的问题。回收几乎不可能。如果它们被集成到其他产品中,它们需要与这些产品的回收兼容(已建立的回收路径)[11]

体积非常小,并被整合到许多不同类型的产品中,包括寿命有限的产品,这表明需要更多使用一次性系统。

纳米技术的生命周期评估

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如前所述,迄今为止,只有少数针对纳米技术产品的 LCA 研究。为期两天的纳米技术产品 LCA 研讨会得出结论,现行的 ISO LCA 标准 (14040) 适用于纳米技术产品,但也需要进行一些改进 [8] [14]

主要问题是:有时会刺激神经

  • 没有通用的纳米材料 LCA,就像没有通用的化学物质 LCA 一样。
  • ISO LCA 框架 (ISO 14040:2006) 完全适用于纳米材料和纳米产品,即使关于基本流程和影响的数据可能不确定且稀缺。由于纳米产品的环境影响可能发生在任何生命周期阶段,因此应在 LCA 研究中评估纳米产品生命周期的所有阶段。
  • 虽然 ISO 14040 框架是合适的,但对于纳米材料和纳米产品,需要更详细地解决一些操作问题。纳米材料和纳米产品 LCA 的主要问题是某些领域缺乏数据和理解。
  • 虽然 LCA 带来了重大的好处和有用的信息,但其应用和使用也有一定的局限性,特别是在评估毒性影响和大型影响方面。
  • 在未来的研究中,需要付出主要努力来全面评估纳米产品和材料的潜在风险和环境影响(不仅仅是与 LCA 相关的那些)。需要有毒理学研究、命运和迁移研究以及尺度方法的方案和实用方法。
  • 需要欧洲和美国之间以及其他合作伙伴之间的国际合作来解决这些问题。
  • 需要进一步研究来收集缺失的相关数据,并开发用户友好的生态设计筛选工具,特别是适合中小型企业使用的工具。

一些关于毒理学影响评估的担忧与纳米粒子的风险评估密切相关,必须等待该领域的知识积累。然而,最引人注目的是需要知识和案例,这些案例需要应用 LCA 来提高对纳米技术系统的理解——潜在的环境影响是什么?不同类型的纳米技术之间有什么区别?为了防止环境影响,应该重点关注哪些方面?等等。

其他资源

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  • 纳米仪 纳米技术应用在上市前的社会评估。

本页贡献者

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此材料基于以下人员的笔记

  • Stig Irving Olsen,丹麦技术大学制造工程与管理系,424 号楼,NanoDTU 环境

以及

  • Steffen Foss Hansen, Rikke Friis Rasmussen, Sara Nørgaard Sørensen, Anders Baun。丹麦技术大学环境与资源研究所,113 号楼,NanoDTU 环境
  • Kristian Mølhave,微纳米技术系 - DTU - www.mic.dtu.dk

参考资料

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另请参阅有关编辑此书的说明Nanotechnology/About#How_to_contribute

  1. Lloyd, S. M.; Lave, L. B.; Matthews, H. S. 使用纳米技术稳定汽车催化剂中铂族金属颗粒的生命周期效益。Environ. Sci. Technol. 2005, 39 (5), 1384-1392。
  2. Lloyd, S. M.; Lave, L. B. 在汽车中使用纳米复合材料的生命周期经济和环境影响。Environ. Sci. Technol. 2003, 37 (15), 3458-3466。
  3. Steinfeldt, M.; Petschow, U.; Haum, R.; von Gleich, A. 纳米技术与可持续性。IÖW 讨论文件 65/04;IÖW:04。
  4. Helland A, Kastenholz H,纳米技术在可持续性方面的开发,J Clean Prod (2007),doi:10.1016/j.jclepro.2007.04.006
  5. 皇家学会和皇家工程院纳米科学与纳米技术:机遇与不确定性;皇家学会:伦敦,2004 年 7 月
  6. 美国环保署 美国环保署纳米技术白皮书;EPA 100/B-07/001;科学政策委员会 美国环保署:华盛顿特区,2007 年 2 月。
  7. Schmidt, K.: 绿色纳米技术:比你想象的更容易。伍德罗·威尔逊国际学者中心。PEN 2007 年 4 月 8 日
  8. a b Klöpffer, W., Curran, MA., Frankl, P., Heijungs, R., Köhler, A., Olsen, SI.: 纳米技术与生命周期评估。纳米技术与环境的系统方法。2007 年 3 月。2006 年 10 月 2-3 日在美国华盛顿特区举行的研讨会成果的综合。
  9. Dillon AC, Nelson BP, Zhao Y, Kim Y-H, Tracy CE 和 Zhang SB:转向可再生能源资源的重要性,氢气作为有希望的候选者,车载储存是关键障碍。Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 第 895 卷,2006 年
  10. Kuehr, R.; Williams, E. 计算机与环境;克鲁维出版社:多德雷赫特,波士顿,伦敦,2003 年。
  11. a b c Schischke, K.; Griese, H. 小就是绿色吗?微电子和微系统技术趋势的生命周期方面。http://www. lcacenter. org/InLCA2004/papers/Schischke_K_paper. pdf 2004 年
  12. a b Plepys, A. 电子产品对环境的影响。超越半导体晶圆厂的墙壁。IEEE:2004 年;第 159-165 页。
  13. Sarasua, J. R.; Pouyet, J. 回收对 PEEK 短碳纤维复合材料的微观结构和力学性能的影响。材料科学杂志 1997, 32, 533-536。
  14. klöpffer3b 参考文献出现了一些奇怪的事情

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