Наноматериалы в строительстве. Проблемы безопасного использования

Вслед за электроникой и биомедициной наноматериалами (НМ) всерьез заинтересовалась строительная индустрия. Разнообразные синтезированные НМ могут значительно улучшить свойства конструкционных материалов. Например, наночастицы SiO₂ упрочняют бетон, а углеродные нанотрубки повышают прочность керамики и различных композитов, используются для создания огнезащитных покрытий [1]. Анализ рынка США показывает, что потребности в НМ для строительства достигнут к 2011 г. $100 млн, а к 2025г. – $1,75 млрд [2]. SiO₂, TiO₂, оксиды алюминия, нанотрубки будут применяться в основном в покрытиях, а также в композитах и как добавки к бетону и цементу. Продукция с НМ на рынке – краски, двери, окна, покрытия пола и крыш, дорожные покрытия. Конечно, тут же возникает вопрос – что произойдет, когда эти замечательные наноматериалы, синтезируемые в больших количествах, попадут в окружающую среду? Что нужно сделать для того, чтобы обеспечить их эффективное и безопасное применение в строительстве? Этим проблемам посвящен обзор сотрудников Rice Univ. (США), опубликованный в июле этого года [3]. Авторы проанализировали более 140 работ, в которых продемонстрированы как перспективы НМ в строительстве, так и возможные неблагоприятные последствия. Некоторые примеры применения представлены на рис. 1 и в таблице 1.

Рис. 1. Примеры использования наноматериалов в строительстве:
а – солнечные батареи на крыше (вставка – Si/TiO₂ нанопроволока);
b – бетонное дорожное покрытие (вставка – углеродные нановолокна);
с – стальной мост (вставка – наночастицы Сu);
d – окна здания (вставка – наночастицы TiO₂) [3].

Таблица 1. Некоторые примеры использования наноматериалов в строительстве.

НМ, используемые в строительной индустрии, за время жизненного цикла разными путями проникают в окружающую среду (рис.2). При производстве, обработке, упаковке часть наноматериалов может попадать в атмосферу и к воздействию на персонал. Необходимо обеспечивать работников индивидуальными средствами защиты (маски, перчатки и др.); создавать соответствующие системы вентиляции, пылеуловители; проводить мониторинг воздуха на рабочих местах и организовывать регулярный медицинский контроль (особенно это касается органов дыхания, зрения, кожи).

Рис. 2. Схема воздействия строительных наноматериалов в течение жизненного цикла

Различные восстановительные, ремонтные работы и особенно снос зданий могут привести к попаданию заметного количества НМ в атмосферу, и, соответственно, к воздействию как на работников отрасли, так и на жителей. Американские ученые [3] особенно выделяют проблему строительного мусора, ведь наноматериалы со свалок могут попасть в воду и почву. В обзоре приведены данные о токсичности НМ (тех, которые могут быть использованы в строительстве) в отношении различных организмов. (Подробнее об исследованиях токсичности углеродных нанотрубок см. ПерсТ,  [4]). Однако специальных регламентов по обращению с отходами - наноматериалами или содержащими наноматериалы - пока не существует.

Можно ли создать такие конструкционные наноматериалы, которые будут “безопасными”, но сохранят свои полезные свойства? Авторы [3] считают, что в первую очередь необходимо следовать 12 принципам промышленной экологии и предотвращения загрязнений [5]. Вот некоторые из них:

·         предупреждать, а не ликвидировать;

·         максимизировать эффективность по массе, времени, энергии, объему (использование многофункциональных НМ; качество > количество,
      необходимость > жадность, достаточно > больше, длительный срок работы > короткий срок;

·         разработать методики выделения и очистки “наноотходов” (используя магнитные или специальные поверхностные свойства);

·         найти возможность повторного использования безопасных НМ, например, для улучшения почвы;

·         не больше, чем нужно (избегать “one size fits all”, не разрабатывать НМ на все случаи).

Авторы [3] опять и опять подчеркивают необходимость серьезных исследований структуры наноматериалов, их реакционной способности, связи их свойств с токсичностью – причем не только острой, но и хронической (как влияет хроническое воздействие на организмы). Следует учитывать, что изначально “безопасные” и эффективные “конструкционные” наноматериалы в течение жизненного цикла могут претерпеть физические, химические или биологические превращения (сорбция, агрегация, окисление, восстановление, биотрансформация), и их свойства изменятся. Важно принимать во внимание влияние факторов окружающей среды (таких как рН, микробы, солёность воды) на активность, токсичность; изучать стабильность НМ в конкретных условиях. Например, наночастицы, входящие в материалы дорожных покрытий, не должны вымываться сильными ливнями.

Использование наноматериалов в строительстве важно не только для улучшения свойств материалов, но и с точки зрения энергосбережения. В США около 41% энергии потребляется промышленными зданиями и жилыми домами (тепло, свет, кондиционирование). Наноматериалы, помимо использования в солнечных батареях и топливных элементах, могут применяться для улучшения термических свойств, повышения эффективности передачи энергии, освещенности. К энергосбережению косвенным путем приведет и увеличение срока службы за счет улучшения механических и других свойств.

Несмотря на все эти замечательные перспективы, приоритетом должна быть забота о здоровье и безопасности человека и окружающей среды. Провести полный мониторинг выделения НМ из строительных материалов (или мусора), их переноса в атмосферу (воду, почву), их трансформаций невозможно. Американские учёные надеются, что их публикация будет способствовать проведению оценок риска и разработке нормативов и регламентов, регулирующих использование и утилизацию НМ до их широкого внедрения в строительство.

О.Алексеева