Koolstofnanotubes in waterzuivering: veiligheid, risico's en duurzaamheid beoordelen

Samenvatting

Zonder nanosafety-richtlijnen is de langetermijnduurzaamheid van koolstofnanotubes (CNTs) voor waterzuivering vraagbaar. Huidige risicometingen van CNTs worden overschaduwd door onzekerheden. Nieuwe risico's geassocieerd met CNTs evolueren door verschillende afvalwaterzuiveringsroutes, en er zijn kennisgaten in de risicobeoordeling van CNTs gebaseerd op hun fysieke eigenschappen. Hoewel wetenschappelijke inspanningen om risicoschattingen te ontwerpen evolueren, blijft er een tekort aan kennis over de onbekende gezondheidsrisico's van CNTs. De afwezigheid van universele CNT-veiligheidsrichtlijnen is een specifieke hindernis. In dit artikel sluiten we deze gaten en stellen verschillende nieuwe risico-analysekader en framework-extrapolaties voor vanuit CNT-gebaseerde waterzuiveringstechnologieën. We stellen een CNT-veiligheidsklok voor die helpt bij risicobeoordeling en -beheer. We suggereren dat dit de basis kan vormen van een acceptabele CNT-veiligheidsrichtlijn. We leggen nadruk op het meten van risico's gebaseerd op CNT fysico-chemische eigenschappen zoals diameter, lengte, aspectratio, type, lading, hydrofobiciteit, functionaliteiten enz. die het gedrag van CNTs in afvalwaterbehandelingsinstallaties (AWBI's) en hun daaropvolgende vrijlating in het milieu bepalen.

Achtergrond

Toegang tot schoon en veilig water is een basis mensenrecht. Helaas hebben 780 miljoen mensen over de hele wereld, met name in ontwikkelingslanden, geen toegang tot zoetwaterfaciliteiten. Koolstofnanotubes (CNTs) zijn uitgegroeid tot het voornaamste nanomateriaal (NM) voor waterzuivering. Het kan bijna alle drie typen verontreinigingen verwijderen, namelijk organische, anorganische en biologische verontreinigingen. Dit is vanwege hun grote oppervlakte, hoge aspectratio en grotere chemische reactiviteit samen met lagere kosten en energie. Ongeveer 736 metriek ton CNTs werden in de afgelopen jaren gebruikt voor energie- en milieutoepassingen, een cijfer dat blijft stijgen. Ondanks het potentieel voor zowel menselijke als milieurisico's, is er geen systematische aanpak voor het beoordelen van de risico's verbonden met het gebruik van CNTs in waterzuivering, een situatie die dringende aandacht vereist.

Een uitgebreide literatuurstudie suggereert dat het lichtvaardig gebruik van CNTs als adsorbenten, composieten of katalysatoren, sensoren, gemanipuleerde NMs de hoofdoorzaak is dat 6,0 en 5,5% van CNTs lekken uit afvalwaterbehandelingsinstallaties (AWBI's) en afvalverbrandingsinstallaties, respectievelijk. Alternatief kunnen CNTs verloren gaan aan de bodem (14,8%) en lucht (1,4%) uit de afvalfase, wat uiteindelijk kan ontsnappen naar zoetwatlichamen. De effecten van deze milieu-CNTs (E-CNTs) zijn nog onduidelijk. Ons eerdere onderzoek toont aan hoe E-CNTs getransformeerd kunnen worden. CNTs kunnen aangepast worden om biologische afbraak te weerstaan, verhoogde cellulair opname, reactiviteit en toxiciteit voor terrestrische, aquatische en luchtige flora en fauna. Gevolgd kunnen maatschappelijke percepties nadelig beïnvloed worden en er kan publieke druk ontstaan om CNTs te verbieden, aangezien ze vergelijkbare pathologische effecten vertonen als asbest. Alle bewijzen wijzen erop dat het publiek onwetend is over NMs en positief ingesteld is tegenover de latentie-effecten van CNTs.

Inderdaad, de economische duurzaamheid van NMs kan afhangen van toepasselijke risicogewichten op de sector of meer kwantitatieve benaderingen. Onze literatuurstudie betreffende CNT-veiligheidsaspecten heeft kennisgaten geïdentificeerd als hieronder samengevat:

• Er is een afwezigheid van universele veiligheidsrichtlijnen voor CNTs, met uitzondering van de Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO).
• Terwijl CNT-hantering als "vaste matrices" in de beroepsomgeving of in primaire blootstelling prioriteit krijgt voor risicobeoordeling, werden uitgebreide kennisgaten geïdentificeerd voor secundaire blootstelling of milieuweg.
• Het schatten van CNT-risico was primair gebaseerd op voorafgaande aannames met minder aandacht voor significatieve bijdragende factoren zoals CNT's fysico-chemische eigenschappen in waterzuiveringstechnologieën.

Hoewel veel organisaties zoals de Environment Protection Agency (EPA), de Organization for Economic Co-operation and Development (OECD), de Europese Unie (EU) en het Centre for Disease Control and Prevention (CDC) de milieuveiligheidsimplicaties van NMs monitoren, zijn ze nog in een "wacht en zie" benadering voor E-CNTs. Gegeven de kennisgaten, stellen we hier diverse belangrijke nieuwe risicobeoordelings- en controlemaatregelen voor E-CNT-veiligheidskwesties voor zoals getoond in Fig. 1. We benadrukken CNT fysico-chemische eigenschappen zoals grootte, vorm, diameter, massa, aspectratio, lading, stabiliteit, functionaliteiten die aggregatie en disperseerbaarheid in water controleren, wat het lot en toxiciteitsniveau van E-CNTs kan beïnvloeden. Zoals getoond in Fig. 1, zijn specifieke risicozorgen geassocieerd met specifieke toepassingen van CNTs in waterzuivering. Het schatten van toepassingsspecifieke CNT-risicobeoordeling en -beheer zal helpen het mondiale scenario te begrijpen en bestaande CNT-veiligheidsrichtlijnen te herzien; zo kan nanosafety voor CNTs gewaarborgd worden.

Nanosafety-klok. Klokwijze rotatie betreft de belangrijkste CNT-risicometingen in waterzuivering. Deze grote risico's worden gedetailleerd in de volgende secties van dit artikel.

Methoden

Koolstofnanotubes (CNTs) zijn vezelvormige materialen gevormd van honingraat-kristalroosterlagen van grafit gewikkeld in een buisvorm, ofwel als een enkele laag of als meerdere lagen. Enkelewandige koolstofnanotubes (SWCNTs) bestaan uit de cilindrische vorm van een enkele schil van grafeen, terwijl multi-walled koolstofnanotubes (MWCNTs) samengesteld zijn uit meerdere lagen grafeenbladen. Beide typen CNTs zijn gebruikt voor directe waterontzouting en indirecte verwijdering van verontreinigingen die het ontzoutingsproces bemoeilijken.

Het is belangrijk te begrijpen dat niet alle CNTs toxisch zijn; het wijzigen van vorm, grootte en samenstelling zou de nanotoxiciteit van CNTs kunnen wijzigen. CNTs met de lengte van lange vezels (> 20 µm) die de macrofaag-lengte overschrijden, kunnen niet door macrofagen geëngolveerd worden, wat leidt tot inefficiënte fagocytose en verhindert hun clearance uit het systeem, wat schadelijke effecten veroorzaakt. Over het algemeen hebben diverse studies aangegeven dat langere lengte en grotere diameter grotere toxiciteit bezitten dan kleinere. Verder zijn de lengte en diameter van CNTs, die gecontroleerd kunnen worden tijdens CNT-synthese, andere belangrijke factoren die de levenscyclus en toxiciteit bepalen. De toxiciteit van verschillende typen CNTs is samengevat in Tabel 1.

Levenscyclus en vrijlatingsdosis van CNTs gerelateerd aan risicobeoordelingsstudies

De CNT-levenscyclus kan gecategoriseerd worden in zes stadia zoals getoond in Fig. 2, wat betrekking heeft op hun hanteringshoeveelheid en dispersietoestand. Het eerste stadium betreft CNT-productie wat plaatsvindt in een gesloten oven zonder zuurstofintrusie; dus de blootstelling aan CNTs is laag. Niettemin kan CNT-blootstelling optreden tijdens ovenonderhoud en handmatige hantering van CNTs. Het tweede stadium betreft de productie van tussentijdse producten zoals masterbatches en CNT-gedispergeerde oplossingen. Hoewel de schaal van apparatuur en hanteringshoeveelheid in stadium 2 kleiner zijn dan de productielijn, kan agitatie in het CNT-poederproces hun vrijlatingscijfer in het milieu verhogen. Mechanische abrasie (slijtage) en fysico-chemische veroudering (corrosie of thermische invloed) kunnen de vrijlating van CNTs veroorzaken. Het derde stadium is de productfabricatie waarbij er minder directe hantering van CNTs zal zijn door gebruik te maken van tussentijdse CNT-bevattende producten geproduceerd tijdens het tweede stadium. Echter, dit stadium kan enkele CNTs in de lucht vrijmaken tijdens oplossingsdrogings- en verfhardingsprocessen. Het vierde stadium van de CNT-levenscyclus is de productverwerking waarin fysieke of thermische spanning wordt toegepast op de composietproducten waarbij CNTs gebonden zijn aan het basispolimeer en vrijlating van vrije CNTs uit dergelijke composieten significant laag wordt verwacht. Het vijfde stadium is het gebruik van CNT-producten door consumenten, en ten slotte is het zesde stadium de afvalverwerking of recycling van CNT-gebaseerde producten.

CNT-levenscyclus. De levenscyclus van CNT gerelateerd aan risicobeoordelingsstudies.

Het volgen van de levenscyclus van het CNT-product kan mogelijk leiden tot het bepalen van omstandigheden waarin een vrijlating van CNTs uit toepassingen kan optreden. Bijvoorbeeld, CNTs die doorgaans in de polymermatrix zijn ingebed om mechanische sterkte, geleiding, etc. te verbeteren, zullen niet vrijgekomen. Echter, polymerafbraak met betrekking tot fotoreactie, hydrolyse, oxidatie en thermolyse van de polymermatrix kan CNTs in het milieu vrijmaken. De afbraaksnelheid wordt beïnvloed door de structurele kenmerken van het polymer alsook externe bronnen zoals fysieke, chemische en biologische agenten die de processen controleren. Bovendien onderzochten Wohlleben et al. de levenscyclus van nanocomposieten door vrijgekomen fragmenten en hun daaropvolgende in-vivo gevaren te vergelijken. De auteur identificeert geen significant verschil in toxiciteit voor nanocomposietmaterialen in vergelijking met hun traditionele tegenhangers zonder nanovullers onder normale mechanische gebruik (bijv. verwering, normale gebruiksfase en zandelen). Daarnaast analyseerden Wohlleben et al. ook de vrijlating van CNTs van nanomaterialen geassocieerd met nanoversterkte banden tijdens hun gebruik, hetzij door gecombineerde mechanische of chemische stress. De auteur rapporteert dat een on-the-road scenario meer fragmenten vrijmaakt van gestimuleerde loopvlakteslijtage dan het gewassen-naar-oppervlaktewater-scenario, wat aangeeft dat alleen synergistische verouderingsstress significante vrijlatingen induceert.

Onderzoek uitgevoerd door Girardello et al. op aquatische ongewervelden leeches (Hirudo medicinalis) analyseerde acute en chronische immuunresponsen over een korte [1, 3, 6, 12] en lange (1 tot 5 weken) periode van blootstelling aan MWCNTs. Een massive cellulair migratie trad op in de geëxposeerde leech angiogenese en fibroplasie. Verder toont de immunocytochemische karakterisatie met specifieke markers aan dat monocyten en macrofagen (CD45⁺ en CD68⁺) de meest getroffen cellen waren in deze inflammatoire processen. Deze immuuncompetente cellen werden gekenmerkt door een reeks gebeurtenissen die begint met de expressie van pro-inflammatoire cytokinen (IL-18) en amyloidogenese. De auteur bevestigt ook dat aluminiumoxide in de leech-blootstellingsoplossing lager was dan het geaccepteerde niveau voor menselijke gezondheid in drinkwater. Bovendien werden geen metalen zoals aluminium, kobalt en ijzer gedetecteerd in leech-weefsels zoals getoond door EDX-analyse. Dit experiment vindt dat de reacties in de leeches veroorzaakt werden door de MWCNT en niet door de metaaloxide-aanwezigheid in de blootstellingsoplossing. Verder documenteerden Muller et al. dat toen MWCNTs in ratten trachea's geïntroduceerd werden bij een dosering van 0,5, 2 en 5 mg per rat, dit resulteerde in inflammatoire en fibrotische reacties bij alle doses na 3 dagen van enkele intratracheale administratie. Onderzoek uitgevoerd door Xu et al. vond dat 0,5 ml MWCNTs (500 µg/ml) vijf keer over 9 dagen in de longen van ratten geïnsereerd resulteerde in de aanwezigheid van MWCNTs in alveolaire macrofagen en mediastinale lymfeknooppunten.

De bovengenoemde processen (bijv. CNT-synthese, productie van intermediaire producten, verdere verwerking, productgebruik, recyclingprocessen en finale afvalverwerking) kunnen op alle stadia van de productlevenscyclus plaatsvinden. Residuele CNTs die overblijven tijdens de behandeling van afvalwater kunnen een verscheidenheid aan bijproducten vormen door een reactie tussen chemische stoffen en sommige verontreinigingen. Chronische blootstelling aan deze chemicaliën door inname van drinkwater, inhalatie en dermale contact tijdens gewone binnenactiviteiten kan kanker- en niet-kankerrisico's voor mensen opleveren.

Weinig studies hebben het lot van CNTs in het milieu of hun halfwaarde-tijd onderzocht; het is belangrijk te overwegen of ENMs transformeren of getransporteerd worden tussen verschillende media, en zo ja, over welke tijdschalen. Het wordt steeds duidelijker dat de aard en het gedrag van CNTs kan veranderen, soms vrij radicaal, afhankelijk van de omgeving waar ze tegenaan lopen, bestuurd door hun fysieke chemie, inclusief hun oppervlaktefunctionele groepen en fysieke vorm. De invloed op het milieu zal gecontroleerd worden door de emergente kenmerken van de CNTs en een reeks mogelijke mechanismen, waaronder de vrijlating van opgeloste soorten, passivatie, lokale uitputting van soorten, of directe CNT-opname door organismen. Bovendien kan het negatieve effect van CNTs geminimaliseerd worden door de effecten van de fysico-chemische eigenschappen van CNTs op hun toxiciteit te begrijpen. Bijvoorbeeld, een onderzoek uitgevoerd door Wang et al. over het verminderen van het longfibrose-potentieel van MWCNT door pluronic F108-coating vindt dat de coating in staat was om MWCNT-dispersie te verlenen en profibrogene effecten van deze buizen in vitro en in de intacte rattenlong te verminderen. Het mechanisme van dit effect heeft de capaciteit om lysosomale schade in macrofagen en mogelijk andere celtypen te voorkomen. De auteur suggereerde dat PF 108-coating toegepast kan worden als een veilige ontwerpbenadering voor MWCNTs in biomedische velden zoals geneesmiddelafgifte en imaging.

Samengevat, om de milieueffecten van CNTs te evalueren, is het belangrijk om ze nauwkeurig te karakteriseren vóór gebruik en na blootstelling aan verschillende media; de fenomenologie op de interface tussen nanomaterialen en het milieu is met name kritiek voor het maken van langetermijnvoorspellingen. Er is bijna geen informatie beschikbaar over hoe ENMs interageren met milieumedia, en er zijn slechts een paar studies gerapporteerd in het veld. Het is noodzakelijk om het lot en de significantie van CNTs die in het milieu vrijgekomen zijn te begrijpen om passende productontwerpen, veilige productieroutes en effectieve end-of-life afvalstrategieën te ontwikkelen.

Kritieke feiten voor CNTs in waterzuiveringen

Adsorbentia

CNTs zijn een populaire adsorbens voor waterzuiveringen, maar enige opmerking over hun veiligheid is nodig. Doorgaans worden CNTs in hoge volumes vereist voor het adsorberen van waterverontreinigingen van extreme hoge concentraties. Het is dus nodig te zien welke typen CNTs worden ingezet en hoeveel er gebruikt wordt. Verschillende individuele CNTs kunnen verschillende fysico-chemische eigenschappen hebben die beoordeeld moeten worden. Meer dan 50.000 verschillende typen CNTs zijn beschikbaar op de markt met verschillende lengtes, vormen, ladingen enz. die de complexiteit van het materiaal in het milieu illustreren. Aan de andere kant zijn pristine CNTs zichzelf problematisch vanwege hun generieke verontreinigingen zoals metalen en koolstofhoudende agenten die nanosafety-kwesties opleveren. Als gevolg hiervan hebben wetenschappers CNTs gezuiverd en gefunctionaliseerd met verschillende benaderingen, maar een recent onderzoek toont aan dat dergelijke CNTs de metaalopname en toxiciteitsniveaus op levende cellen verhogen.

Het adsorberen van waterverontreinigingen verandert de CNT-karakteristieken zoals poriegrootte en -volume, oppervlaktelading of -energie, stabiliteit, hydrofobiciteit en functionaliteiten. Ten eerste verandert de adsorptie van diverse organische waterverontreinigingen zoals huminezuur en tanninezuur (TA) de CNT-eigenschappen en verhoogt de stabiliteit in het milieu. Hyung et al. vonden stabiele CNT met geadsorbeerde organische stoffen in het Suwannee Rivierwater, consistent met de studie van stabiele fullerenen in de Sahan Rivier, Oekraïne. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden suggereerden dat de CNTs dikker in grootte werden bij TA-adsorptie en leidden tot scheiding van individuele CNT uit het bundel. Vergelijkbare fenomenen kunnen ook gevonden worden voor surfactant-adsorptie op de CNTs, wat de disperseerbaarheid van de nanotube in water verandert. Deze studies postuleren dat stabiele CNTs getransporteerd en vervolgens gedeponeerd kunnen worden na hun vrijlating uit AWBI in aquatische milieus, wat leidt tot potentiële opname van E-CNTs door levende cellen. Ten tweede kunnen anorganische metalen zoals Fe, Cd, Ni, As en Hg geadsorbeerd op de CNTs grotere reactiviteit en toxiciteit binnen het deeltje hebben. Studies vonden dat CNTs met metaalionen zoals Fe en Ni toxischer zijn voor levende cellen. Bovendien hebben biologische adsorbenten, met name microben, het potentieel om CNT-oppervlakte-eigenschappen in AWBI's te veranderen. Bijvoorbeeld, sommige bacteriële intracellulaire enzymen katalyseren de vorming van hydroxylerradicaal (•OH) of H₂O₂ door redoxreacties die gecarboxyleerde (C)-CNTs produceren. Dit converteert hydrofobe pristine CNTs naar hydrofiele, wat hun aggregatie beïnvloedt en hun hantering extreem moeilijk maakt, en de buizen zouden moeilijk in de AWBI te houden zijn. Sommige enzymen hebben C-CNTs afgebroken en de korte CNT-fragmenten getransformeerd om Subsequent transport in het milieu te faciliteren. Daarom moeten de verontreinigingen (bijv. organische, anorganische en biologische) op een dergelijke manier verwijderd worden dat de CNT-eigenschappen niet veranderd worden. Men moet controleren of de bedekte CNT na adsorptie is gesneden, gemalen, afgeschoven of gescheurd. Op die basis kan men de geschiktheid van CNTs voorspellen voor hergebruik voor verontreinigingsadsorptie.

Katalysatoren voor geavanceerde oxidatieprocessen

Het meten van CNT-risico's als katalysatorcomposieten is op meerdere manieren mogelijk. Ten eerste is het legeren van CNTs met metalen zoals Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Hg en hun oxiden door fysieke en/of chemische adsorptie niet stabiel; er is een kans op vrijlating van significant hoeveelheid metaaldeeltjes in het milieu. Ten tweede heeft elk gedoopt metaal zijn eigen specifieke eigenschappen die de eigenschappen van de ouder-CNT kunnen beïnvloeden en uiteindelijk het algemene gedrag van het composiet. Bijvoorbeeld, Fe is populair om de CNT-katalysator te magnetiseren voor gemakkelijke recycling, wat hydroxylerradicalen kan genereren die cellevensvatbaarheid beïnvloeden. Dit kan nanosafety-risicobeoordelingsstrategieën beïnvloeden, en men moet de eindcomposiet's biocompatibiliteit, gezondheidsrisico's en toxiciteitskwesties tellen voordat een veiligheidsrichtlijn wordt ontwikkeld. Ten derden is desinfectie van microben met behulp van CNT's composiet belangrijk. CNT-Ag-TiO₂ heeft directe antimicrobiële effecten getoond en wordt populair gebruikt voor het breken van bacteriële celwanden. Echter, dergelijke behandeling kan dodelijk zijn, aangezien een paar bacteriën, met name cyanobacteriën, verantwoordelijk kunnen zijn voor het vrijmaken van meer toxische verbindingen, namelijk microcystines, tijdens decontaminatie door de CNTs. Vierdens hebben fotodegradatie en katalytische natte-luchtoxidatie (CWAO) van persistente organische verontreinigingen met behulp van CNT-metaalkatalysatoren diverse afbraakproducten en/of hun intermediairen geproduceerd die toxischer kunnen zijn dan hun moederverbindingen en schadelijk voor de gezondheid. Daarom, voordat men aanneemt dat CNT-metaalcomposieten volledig veilig zijn om als fotokatalysator en katalytische natte-luchtoxidant te gebruiken, moet men ook rekening houden met de afbraakproducten reactiviteit, toxiciteit en lot in het milieu. Ten vijfde moeten wetenschappers ouder-CNTs isoleren van gedoopt metaal voor recycling. Hoewel droge of natte snijtechnieken beschikbaar zijn voor het snijden en/of malen van CNT-composieten, is er een significante kans op het creëren van aerosol van vrije korte CNT/metaalfragmenten. Oppervlaktewater en landen zullen de uiteindelijke bestemmingen zijn van elke atmosferische vrijlating van CNTs en moeten met voorzichtigheid behandeld worden. Daarom zal het hanteren van CNT-metaalcomposieten in vloeibare media of het installeren van ontrekkingsventilatie tijdens verwerking helpen.

CNT-toepassing in sensorfabricatie

Toepassing van CNTs als een elektrode voor biosensoren is vergelijkbaar veilig om te gebruiken. Er is weinig kans op direct watercontact met de CNT-elektrode. Echter, enkele risicometingen kunnen worden gevolgd. Ten eerste worden 1D CNTs vaak gecombineerd met 2D NMs, met name grafeen, voor hoge electrogeleiding en mechanische flexibiliteit. Dergelijke superstructuren hebben verschillende fysico-chemische eigenschappen en bergen verschillende milieurisico's die met voorzichtigheid gemeten moeten worden. Ten tweede zijn poly(diallyldimethylammoniumchloride) (PDDA)-gefunctionaliseerde CNTs zeer gebruikelijk in electrochemische biosensoren. CNTs-PDDA is schadelijk aangezien het polymer de cellevensvatbaarheid en hemolyse beïnvloedt. Ten derde zijn biomoleculen zoals desoxyribonucleïnezuur (DNA), aptamers, enzymen en eiwitten wijdverspreid geïmmobiliseerd op CNTs voor het detecteren van organische, anorganische en biologische waterverontreinigingen. De voorkeursimmobilisatiemethode van deze biomoleculen is fysieke adsorptie in plaats van covalente modificaties om de integriteit van de CNT en de conformaties van het biomolecuul te behouden, wat leidt tot hoge elektrische geleiding. Echter, zo'n systeem is niet stabiel en duurzaam aangezien biomoleculen vaak uit het systeem lekken en toxisch voor mensen zijn. Daarom is de kwaliteit van een biosensor en de risicoquantificaties volledig afhankelijk van strategieën genomen om het eindproduct te produceren.

Gebruik van CNTs in membraanproductie

CNTs zijn populair als aparte membraan zelf genaamd verticaal uitgelijnde (VA)-CNT-membraan. In tegenstelling kan een gemengde matrix (MM)-CNT-membraan gegenereerd worden door CNTs te doperen in bestaande polymere membranen zoals omgekeerde osmose (RO), nanofiltratie (NF) en ultrafiltratie (UF) voor het verbeterde scheidingsproces. Daarom classificeren onderzoekers vaak CNT-membraan als RO, NF, UF en nano-versterkte membranen. Dit is niet acceptabel—tenminste niet vanuit een nanosafety-oogpunt, aangezien CNT-membraan verschilt van RO, NF en UF-membraan. Volgens de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) en de International Organization for Standardization (ISO) kan een membraan alleen geclassificeerd worden op basis van de grootte van de waterverontreiniging die ze afwijzen. Terwijl RO- en NF-membraan water zuiveren bij diffusie, houdt UF-membraan opgeschorte waterdeeltjes tegen. In tegenstelling houdt een CNT-membraan zowel opgeloste ionen als opgeschorte vastestoffen vast en is ook gebruikt voor gasscheiding. Terwijl organische polymeren de bouwstenen zijn van RO, NF en UF; is CNT een koolstofallotroop. Vergeleken met conventionele membranen, worden CNT-membraan vaak gefunctionaliseerd met andere nanoparticles zoals TiO₂, Ag en Fe₃O₄ wat verschillende fysico-chemische eigenschappen kunnen hebben. Als gevolg kunnen conventionele risicobeoordelingen voor RO, NF en UF niet toegepast worden op CNT-membraan. Men moet zowel de conventionele als de nieuw opkomende risico's overwegen geassocieerd met CNT-membraantechnologie. Daarom moeten CNT-veiligheidsrichtlijnen als een membraanproces gebaseerd zijn op materialistische en toegepaste oogpunten, niet slechts op de inconsistentie van terminologie door wetenschappers gegeven. De classificatie van CNT-membraan moet kritisch herzien worden om ze te reguleren in het licht van risicoschatting en regulaties omdat het niet mogelijk is om wetten te maken zonder duidelijke definities van de technologie.

Gemanipuleerde nanomaterialen

Gemanipuleerde CNTs maken opmerkelijke beloften in waterzuiveringen. Er is berekend dat ongeveer 1100–29.200 metriek ton/jaar van gemanipuleerde nanomaterialen (ENMs) wereldwijd uit AWBI's als effluenten worden geëmet. Uren en dagen later vestigen dergelijke ENMs zich als grotere aggregaties in natuurlijke waterbronnen. Daarom vereist het succesvolle gebruik van ENMs de implementatie van veiligheidsrichtlijnen op basis van hun nieuwe eigenschappen zoals vorm, grootte, lading, agglomeratie enz. De ongewone reactiviteit van ENMs is te wijten aan hun oppervlakte- en kwantumeffecten met verschillende optoelektronische en mechanische eigenschappen. Dergelijke eigenschappen moeten geverifieerd worden vanwege hun diverse toxicologische uitkomsten. Het lot van gemanipuleerde CNTs hangt af van zijn interface-eigenschappen, zoals adsorptie, reactiviteit, adhesie, cohesie en benettingsbaarheid, en wordt ook gereguleerd door waterchemie zoals pH, verontreinigingsmengsels enz. Gemanipuleerde CNTs met passende functionaliteiten fungeren als aanhechtingspunten waar verschillende natuurlijke watercomponenten kunnen ankeren. Dergelijke modificatie zou de scheiding van CNTs uit de bundel vergemakkelijken, en individuele CNTs zullen lekken uit AWBI. Daarom kunnen verontreinigde water-effluenten worden gevonden in water behandeld door CNTs. Vanwege de materiaalcomplexiteit is het vaak moeilijk om de toxiciteit van CNTs te meten. Wetenschappers gebruiken aannames zoals "One Size Fit All" voor het meten van toxiciteitsfenomenen van deze complexe nieuwe materialen. Er is een kennisgat en een schaarste aan wetenschappelijke data. Enkele gedachten zijn nodig om de toxiciteitsniveaus van elk ENM precies te valideren en controleren. Naast natte labwerk, kunnen we rekenen op het gebruik van computationele tools zoals quantitative structure-activity relationship (QSAR) modellen voor het classificeren van ENMs met consensus fysico-chemische eigenschappen. Dit zal stakeholders helpen de algehele risico-hotspots te begrijpen en hen in staat stellen te kiezen welke combinatie veilig zou zijn om te gebruiken. Wetenschappers kunnen ook drempelwaarden voor elk ENM vastleggen om in AWBI's te worden gebruikt.

One-Pot gecombineerde technologie

Wetenschappers hebben vaak de voorkeur om "One-Pot" technologie te ontwikkelen waarbij verschillende waterzuiveringstechnologieën geïntegreerd worden om meerdere waterverontreinigingen in real-time aan te pakken. Het volgen van dergelijke combinaties in termen van nanosafety kan een moeilijke klus zijn. Onze kennis nacht, is er nog geen toxiciteitstest van dergelijke hybride technologie uitgevoerd, dus men moet wellicht testen op eventuele milieuschade. Zeker, de risicobeoordeling voor elke afzonderlijke technologie moet zich bezighouden met de andere zodat men de controles kan implementeren zonder verdere beoordeling. Het totale risico van "One-Pot" gecombineerde waterzuiveringstechnologie kan als volgt berekend worden:

$$ \mathrm{Totale}\ \mathrm{risico's}=\mathrm{niveau}\ \mathrm{van}\ \mathrm{risico}\ \mathrm{beoordeling}\ \mathrm{van}\ \mathrm{gecombineerde}\ \mathrm{technologieën}\times \mathrm{ernst}\ \mathrm{van}\ \mathrm{hun}\ \mathrm{gevaren} $$

Beroepsblootstellingsrisico's van CNTs

Een toename in het aantal en productievolume van producten met gemanipuleerde nanomaterialen (ENMs) zal leiden tot een grotere vrijlating in het milieu tijdens fabricatie, gebruik, wassen of afvalverwerking van de producten. Op een eenvoudig niveau zou nanotechnologie een veilige industrie lijken te zijn aangezien er tot nu toe weinig problemen gerapporteerd zijn. Echter, de meest nadelige effecten van deze ENMs kunnen over tijd duidelijk worden en aansprakelijkheden opleveren vergelijkbaar met asbest-bevattende producten door hun alomtegenwoordige gebruik in het dagelijks leven. ENMs als potentiële beroeps- en milieugevaren kunnen gezondheids- en veiligheidszorgen oproepen. Zoals gerapporteerd door NIOSH, ontwikkelden zeven werknemers hypoxemie en ernste longziekte na het werken met een chemische pasta bestaande uit een mengsel van ongedefinieerde nanoparticles (NPs). In termen van beroepsgezondheidsblootstellingsrisico, zijn gegevens opgedoken die bewijs leveren dat een werknemer overleden is door respiratoire distress-syndroom tijdens het spuiten van nikkel-NPs op struiken voor turbine lagers met een metaalboogproces. Helaas is de nanotechnologie-industrie grotendeels zwijgend gebleven over het gebruik van ENMs, en overheidsregulatoren hebben geen strenge richtlijnen geïntroduceerd. Om deze reden is er een noodzaak om de toxiciteit van ENMs te beoordelen en hun mogelijke voordeel of nadelige effecten op de menselijke gezondheid te begrijpen.

Het effect van CNTs lijkt gecorreleerd met hun administratie- of blootstellingsmethode. De bijgewerkte beschikbare standaard is voorgeschreven voor asbest waarbij de toelaatbare blootstellingsgrens (PEL) 0,1 vezel per kubieke centimeter lucht is over een 8-uurs tijdsgewogen gemiddelde (TWA) met uitschietingsgrens (EL) van 1,0 asbestvezels per kubieke centimeter over 30-min periode. De werkgever moet ervoor zorgen dat niemand boven deze grens blootgesteld is. Het monitoren van de werkplek of werkactiviteit om asbestblootstelling te detecteren op of boven PEL of EL voor een werknemer die risico loopt op blootstelling is cruciaal.

Verschillende studies hebben gerapporteerd dat de blootstelling van CNTs aan het respiratoire systeem kan leiden tot astma, bronchitis, emfyseem en longkanker. Het is belangrijk op te merken dat sommige fabrieken stoffiger kunnen zijn mogelijk door het gebrek aan industriële hygiënestandaard. Werken met gepulveriseerde CNTs of mengsels die fijn CNT-deeltjes bevatten, kan een inhaalrisico opleveren. Vel experimentele studies uitgevoerd op inhalatieblootstelling hebben bijgedragen aan de beoordeling van de effecten van CNTs op het respiratoire tract en de identificatie van blootstellingsgrenzen. Verlengde beroepsblootstelling aan airborne CNT-stof kan leiden tot ernstige letsels in de longen zoals gedocumenteerd in dierstudies.

Resultaten en discussie

De gefunctionaliseerde apolaire binnenkant van de CNT biedt een sterke aantrekking tot polaire watermoleculen en wijst zout en verontreiniging af. Dit, vergezeld van lage energieverbruik, antifouling en zelfreinigende functie, heeft CNT-membranen een uitzonderlijk alternatief gemaakt voor conventionele waterbehandelingstechnologie. Pristine CNTs bestaan vaak uit diverse metaalkatalysatoren, as en een koolstofhoudende agent die fungeren als additionele adsorptieplaatsen van CNTs voor meerdere waterverontreinigingen. De verontreinigingen zijn een van de factoren gebruikt om de poriediameter, morfologie en vermogen van nanotubes te identificeren om adsorptiegedrag te beïnvloeden of te remmen. Verontreinigingsreductie en -verwijdering zonder de oorspronkelijke nanotube-integriteit te beïnvloeden is een van de grootste uitdagingen in CNT-gebaseerde waterzuiveringstoepassingen. Verschillende methoden zijn toegepast om intacte CNTs te verkrijgen zoals filtratie, hoge-temperatuur aanlaging en herhaalde centrifugatie, maar de methoden zijn nog steeds onmogelijk om de CNTs volledig te verwijderen.

Naast CNT-zuivering, is manipulatie van CNT-oplosbaarheid in het watersysteem een van de grootste belemmerende factoren in waterzuiveringstechnologie. Als voorbeeld, pristine CNTs zijn onoplosbaar in water door hun hydrofobe grafeenblad. Om dit tekortkoming te compenseren, is een covalente modificatie toegepast waarbij een hydrofiel substituent geïntroduceerd wordt met behulp van natte chemische behandeling. Een andere methode is niet-covalente modificatie die het surfactant-omhullen complementeert dat wijdverspreid gebruikt wordt om de CNT-oplosbaarheid in water of verschillende aqueous media te verhogen. CNT-verontreiniging in het milieu kan optreden wanneer nanotubes lekken uit de waterzuiveringskolom tijdens de operatie en direct in de omringende waterbronnen stromen. Deze CNTs hebben een hoge kans om te reageren met diverse biomoleculen aanwezig in het watersysteem wat mogelijk toxische effecten kan genereren voor de omringende aquatische omgeving. Hoewel CNTs efficiënte waterzuiveringstechnologieën kunnen bieden, moeten de potentiële milieueffecten kritisch geanalyseerd worden om risico te schatten en veiligheidsrichtlijnen te ontwikkelen in het gebruik van CNT-materialen in waterbehandelingsystemen.

Conclusies

Het waarborgen van schone en veilige waterfaciliteiten, het behouden van ons milieu en het vermijden van maatschappelijke nanofobie zijn enkele van de uitdagingen waar wetenschappers en betrokkenen bij het gebruik van nanomaterialen voor staan. We moeten de connectiviteit van elke stap in de hantering, gebruik, afvalverwerking en lot van CNTs in waterzuiveringstechnologieën garanderen. Op dit moment is er een schaarste aan methoden en criteria voor het nauwkeurig meten van CNT-risico's en -gevaren. Het is duidelijk dat er een noodzaak is voor solide regulatorische kaders die de potentiële risico's van nanotechnologie specifiek aanspreken en beheren. Dit regulatorische kader moet de uitdagingen aanpakken die worden geconfronteerd bij het identificeren en karakteriseren van de nanomateriaalvorm en zijn impact op de menselijke gezondheid en het milieu. Onze case-voor-case, diepgaande risicobeoordelingsprocedures gebaseerd op de nanomateriaal's structuur-eigenschapsrelaties zullen helpen bij het begrijpen van CNT-gedrag in AWBI's en hun daaropvolgende vrijlating in het milieu. Met de hulp van deze relaties kan een universele veiligheidsrichtlijn worden ontwikkeld om de risicoschattingen van CNTs in toekomstige waterzuiveringstoepassingen nauwkeurig aan te pakken.

Afkortingen

CDC:

Centre for Disease Control and Prevention

CNTs:

Koolstofnanotubes

CSIRO:

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization

CWAO:

Katalytische natte-luchtoxidatie

E-CNTs:

Milieu-CNTs

EPA:

Environment Protection Agency

EU:

Europese Unie

IUPAC:

International Union of Pure and Applied Chemistry

MM:

Gemengde matrix

MWCNTs:

Multi-walled koolstofnanotubes

NM:

Nanomateriaal

OECD:

Organization for Economic Co-operation and Development

PEL:

Toelaatbare blootstellingsgrens

QSAR:

Quantitative structure-activity relationship

SWCNTs:

Enkelewandige koolstofnanotubes

TA:

Tanninezuur

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

TWA:

Tijdsgewogen gemiddelde

WWTP:

Afvalwaterbehandelingsinstallatie