Углеродные нанотрубки в очистке воды: оценка безопасности, рисков и устойчивости

Аннотация

Без нанотехнологических руководств по безопасности долгосрочная устойчивость углеродных нанотрубок (УНТ) для очистки воды под вопросом. Текущие измерения рисков УНТ омрачены неопределенностями. Новые риски, связанные с УНТ, развиваются через разные пути очистки сточных вод, и существуют пробелы в оценке рисков УНТ на основе их физических свойств. Хотя научные усилия по проектированию оценок рисков развиваются, остается дефицит знаний об неизвестных рисках для здоровья УНТ. Отсутствие универсальных руководств по безопасности УНТ — конкретное препятствие. В этой работе мы закрываем эти пробелы и предлагаем несколько новых корней анализа рисков и экстраполяций фреймворков из УНТ-основанных технологий очистки воды. Мы предлагаем «часы безопасности УНТ», которые помогут оценить оценку и управление рисками. Предлагаем, что это может стать основой приемлемого руководства по безопасности УНТ. Особое внимание уделяем измерению рисков на основе физико-химических свойств УНТ: диаметра, длины, соотношения сторон, типа, заряда, гидрофобности, функциональностей и т.д., определяющих поведение УНТ на очистных сооружениях и последующий выброс в среду.

Введение

Доступ к чистой и безопасной воде — базовое человеческое право. К сожалению, 780 млн людей по всему миру, особенно в развивающихся странах, не имеют доступа к пресной воде. Углеродные нанотрубки (УНТ) стали ведущим наноматериалом для очистки воды. Они могут удалять почти все три типа загрязнителей: органические, неорганические и биологические. Это благодаря их большой удельной площади, высокому соотношению сторон, большей химической реактивности наряду с более низкой стоимостью и энергией. Примерно 736 метрических тонн УНТ использовалось за последние годы для энергетических и экологических применений, число продолжает расти. Несмотря на потенциал рисков для человека и среды, нет систематического подхода к оценке рисков применения УНТ в очистке воды, что требует срочного внимания.

Обширный обзор литературы показывает, что безрассудное использование УНТ как адсорбентов, композитов или катализаторов, сенсоров, мембран и инженерированных наноматериалов — главная причина утечки 6,0 и 5,5% УНТ со сточных очистных сооружений (ООС) и мусоросжигательных заводов соответственно. Альтернативно, УНТ могут теряться в почве (14,8%) и воздухе (1,4%) на стадии утилизации, что в конечном счете может попасть в пресноводные тела. Эффекты этих экологических УНТ (Э-УНТ) еще неясны. Наши предыдущие исследования показывают, как Э-УНТ могут трансформироваться. УНТ могут изменяться для сопротивления биодеградации, увеличения клеточного захвата, реактивности и токсичности к наземным, водным и воздушным флоре и фауне. Следовательно, общественное восприятие может быть негативно затронуто, и может возникнуть давление на запрет УНТ, так как они имеют похожие патологические эффекты с асбестом. Все доказательства указывают на то, что общество неосведомлено о наноматериалах и позитивно настроено к латентным эффектам УНТ.

Действительно, экономическая устойчивость наноматериалов может зависеть от соответствующих весовых коэффициентов риска, применяемых к сектору, или более количественных подходов. Наш обзор литературы по аспектам безопасности УНТ выявил пробелы знаний:

• Отсутствие универсальных руководств по безопасности УНТ, кроме Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO).
• Хотя обращение с УНТ как «твердыми матрицами» в профессиональной среде или при первичной экспозиции получает приоритет для оценки рисков, выявлены обширные пробелы для вторичной экспозиции или экологических путей.
• Оценка риска УНТ основана преимущественно на предварительных предположениях с меньшим вниманием к значительным факторам, таким как физико-химические свойства УНТ в технологиях очистки воды.

Хотя многие организации (EPA, OECD, EU, CDC) мониторят экологические последствия наноматериалов, они все еще придерживаются подхода «ждать и смотреть» для Э-УНТ. Учитывая пробелы, здесь мы postulируем несколько важных новых оценок рисков и контрольных измерений для безопасности Э-УНТ, как показано на рис. 1. Акцентируем физико-химические свойства УНТ: размер, форма, диаметр, масса, соотношение сторон, заряд, стабильность, функциональности, контролирующие агрегацию и диспергабельность в воде, влияющие на судьбу и уровень токсичности Э-УНТ. Как показано на рис. 1, специфические риски связаны с конкретными применениями УНТ в очистке воды. Оценка прикладно-специфической оценки и управления риском УНТ поможет понять глобальную картину и пересмотреть существующие руководства по безопасности УНТ, обеспечивая нанотехнологическую безопасность.

Методы

Углеродные нанотрубки (УНТ) — волокнистые материалы из слоев медовой кристаллической решетки графита, свернутых в трубку как один слой или множественные. Точная структурная организация и порядок дают полезные свойства: ультралегкость, высокое поверхностное натяжение, высокое соотношение сторон. Однослойные УНТ (ОУНТ) состоят из цилиндрической формы одной оболочки графена, многослойные (МУНТ) — из множественных слоев графена. Оба типа используются для прямой десалинации воды и косвенного удаления загрязнителей, усложняющих десалинацию.

Важно понимать: не все УНТ токсичны, изменение формы, размера и состава модифицирует нанотоксичность УНТ. УНТ длиной длинных волокон (>20 мкм), превышающей длину макрофага, не могут быть поглощены макрофагами, приводя к неэффективной фагоцитозу и предотвращая очистку, вызывая вредные эффекты. Обычно более длинная длина и больший диаметр обладают большей токсичностью. Длина и диаметр, контролируемые при синтезе УНТ, — еще один главный фактор, определяющий жизненный цикл и токсичность. Токсичность разных типов УНТ суммирована в Таблице 1.

Жизненный цикл и доза выброса УНТ, связанные с исследованиями оценки рисков

Жизненный цикл УНТ категоризируется в шесть стадий (рис. 2), относящихся к количеству обращения и состоянию дисперсии. Первая стадия — производство УНТ в закрытой печи без кислорода; экспозиция низка, но возможна при обслуживании печи и ручной манипуляции. Вторая — производство промежуточных продуктов (мастербатчи, УНТ-дисперсии). Масштаб оборудования и объем обращения меньше, но агитация в порошковом процессе может увеличить выброс в среду. Механическое истирание и физико-химическое старение (коррозия, термическое влияние) могут вызывать выброс УНТ. Третья стадия — производство продуктов с уменьшенным прямым обращением УНТ за счет промежуточных УНТ-содержащих продуктов второй стадии. Однако может выбросить УНТ в воздух при сушке растворов и отверждении красок. Четвертая — обработка продуктов, где физическое или термическое напряжение применяется к композитам, где УНТ связаны с базовым полимером; выброс свободных УНТ ожидается значительно низким. Пятая — использование УНТ-продуктов потребителями, шестая — утилизация или переработка УНТ-продуктов.

Отслеживание жизненного цикла УНТ-продукта может определить обстоятельства выброса УНТ из применений. УНТ, встроенные в полимерную матрицу для улучшения прочности, проводимости, не выделяются. Однако деградация полимера (фотореакция, гидролиз, оксидация, термолиз) может выбросить УНТ в среду. Скорость деградации зависит от структурных особенностей полимера и внешних факторов. Wohlleben et al. исследовали жизненный цикл нанокомпозитов, сравнивая выделенные фрагменты и их последующие in vivo опасности. Не нашли значимой разницы в токсичности нанокомпозитов по сравнению с традиционными аналогами без нанонаполнителей при нормальном механическом использовании. Wohlleben et al. также анализировали выброс УНТ из наноматериалов, ассоциированных с нано-армированными шинами при эксплуатации. Сценарий on-the-road выделяет больше фрагментов от стимулированного износа протектора, чем сценарий «вымыто в поверхностные воды», указывая, что только синергетический старение стресс индуцирует значимые выбросы.

Girardello et al. на водных беспозвоночных пиявках (Hirudo medicinalis) анализировали острые и хронические иммунные ответы за короткие [1, 3, 6, 12] и длинные (1–5 недель) периоды экспозиции МУНТ. Массивная клеточная миграция произошла в экспонированных пиявках в ангиогенезе и фиброплазии. Иммуноцитохимическая характеристика специфическими маркерами показала, что моноциты и макрофаги (CD45+, CD68+) были наиболее пораженными клетками в воспалительных процессах. Эти иммунокомпетентные клетки характеризовались последовательностью событий, начинающейся с экспрессии про-воспалительных цитокинов (IL-18) и амилоидогенеза. Автор также подтверждает, что оксид алюминия в растворе экспозиции пиявок был ниже допустимого уровня для здоровья человека в питьевой воде. Никакие металлы (алюминий, кобальт, железо) не обнаружены в тканях пиявок ЭДС-анализом. Эксперимент показывает, что ответы в пиявках вызваны МУНТ, а не оксидом металла в растворе экспозиции. Muller et al. документировали, что введение МУНТ в трахеи крыс дозами 0,5, 2, 5 мг на крысу привело к воспалительным и фибротическим реакциям при всех дозах через 3 дня после единственной внутритрахеальной администрации. Xu et al. обнаружили, что 0,5 мл МУНТ (500 мкг/мл) вводили 5 раз за 9 дней в легкие крыс, приводя к наличию МУНТ в альвеолярных макрофагах и медиастинальных лимфатических узлах.

Упомянутые процессы (синтез УНТ, производство промежуточных, дальнейшая обработка, использование продуктов, переработка, финальная утилизация) могут происходить на всех стадиях жизненного цикла. Остаточные УНТ при очистке сточных вод могут образовывать разные побочные продукты через реакции между химикатами и загрязнителями. Хроническая экспозиция этим химикатам через потребление питьевой воды, вдыхание и дермальный контакт при регулярных внутренних активностях может нести раковые и нераковые риски для людей.

Мало исследований изучали судьбу УНТ в среде или их полужизнь; важно рассматривать, трансформируются ли ENM или транспортируются между разными средами и на каких временных масштабах. Устанавливается, что природа и поведение УНТ могут меняться, иногда радикально, в зависимости от среды, управляемой их физической химией, включая поверхностные функциональные группы и физическую форму. Влияние на среду контролируется эмерджентными характеристиками УНТ и рядом механизмов: выброс растворенных видов, пассивация, локальное истощение видов, прямое поглощение УНТ организмами. Негативный эффект УНТ можно минимизировать, понимая эффекты физико-химических свойств УНТ на их токсичность. Wang et al. по снижению легочной фиброзной потенции МУНТ через плуроник F108 покрытие нашли, что покрытие обеспечивало диспергабельность МУНТ и снижало профиброзные эффекты in vitro и в неизменном легком животного. Механизм способен предотвратить лизосомальный ущерб в макрофагах и возможно других типах клеток. Автор предложил PF 108 покрытие как безопасный дизайн для МУНТ в биомедицинских областях (доставка лекарств, визуализация).

Подводя итог: для оценки экологического воздействия УНТ важно точно характеризовать их до использования и после экспозиции к разным средам; феноменология на интерфейсе наноматериалов и среды особенно критична для долгосрочных прогнозов. Почти нет информации о том, как ENM взаимодействуют с экологическими средами, и только несколько исследований сообщены в этой области. Необходимо понять судьбу и значимость УНТ, выброшенных в среду, для разработки подходящих дизайнов продуктов, безопасных производственных маршрутов и эффективных стратегий утилизации в конце жизни.

Критические факты для УНТ в очистке воды

Адсорбенты

УНТ популярны как адсорбенты для очистки воды, но необходимы комментарии по безопасности. Обычно УНТ требуются в больших объемах для адсорбции водных загрязнителей экстремально высоких концентраций. Необходимо видеть, какие типы УНТ задействованы и сколько используется. Разные индивидуальные УНТ могут иметь разные физико-химические свойства, которые должны оцениваться. Более 50 000 разных типов УНТ доступны на рынке с разными длинами, формами, зарядами, экземплярными сложностями материала в среде. С другой стороны, приístинные УНТ сами проблематичны из-за общих примесей: металлов и углеродных агентов, создающих нанотехнологические вопросы безопасности. В следствие, ученые очищали и функционализировали УНТ разными подходами, но недавнее исследование показывает, что такие УНТ увеличивают поглощение металлов и токсичность на живых клетках.

Адсорбция водных загрязнителей меняет характеристики УНТ: размер и объем пор, поверхностный заряд или энергию, стабильность, гидрофобность и функциональности. Во-первых, адсорбция различных органических водных загрязнителей, таких как гуминовая и танновая (ТК) кислоты, меняет свойства УНТ и увеличивает их стабильность в среде. Hyung et al. нашли стабильные УНТ с адсорбированными органическими веществами в воде реки Суванни, согласуясь с исследованием стабильных фуллеренов в реке Саган, Украина. ТЭМ изображения показывали, что УНТ утолщались по размеру при адсорбции ТК и приводили к разделению индивидуальных УНТ из пучка. Похожие явления для адсорбции поверхнеактивных веществ на УНТ, меняющих диспергабельность нанотрубок в воде. Эти исследования postulируют, что стабильные УНТ могут транспортироваться и оседать после выброса из ООС в водные среды, ведуя к потенциальному захвату Э-УНТ живыми клетками. Во-вторых, неорганические металлы (Fe, Cd, Ni, As, Hg), адсорбированные на УНТ, могут иметь большую реактивность и токсичность внутри частицы. Исследования нашли, что УНТ с металлическими ионами (Fe, Ni) более токсичны для живых клеток. Более того, биологические адсорбенты, особенно микробы, могут менять поверхностные свойства УНТ в ООС. Например, некоторые внутриклеточные бактериальные ферменты катализируют формирование гидроксильного радикала (·OH) или H₂O₂ через реакции окисления-восстановления, производя карбоксилированные (С)-УНТ. Это конвертирует гидрофобные приístинные УНТ в гидрофильные, влияя на их агрегацию и делая обращение крайне трудным, трубки трудно удерживать в ООС. Некоторые ферменты деградировали С-УНТ и трансформировали короткие УНТ фрагменты для облегчения последующего транспорта в среде. Поэтому загрязнители (органические, неорганические, биологические) должны удаляться так, чтобы свойства УНТ не менялись. Следует проверить, не были ли покрытые УНТ после адсорбции разрезаны, измельчены, сдвинуты или разорваны. На этой основе можно предсказать пригодность УНТ к повторному использованию для адсорбции загрязнителей.

Катализаторы для передовых процессов окисления

Измерение рисков УНТ как катализаторных композитов возможно множеством способов. Во-первых, легирование УНТ металлами (Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Hg и их оксидами) через физическое и/или химическое адсорбцию нестабильно; есть шанс выброса значительного количества металлических частиц в экологическую среду. Во-вторых, каждый допированный металл имеет свои специфические свойства, влияющие на родительские свойства УНТ и итоговое поведение композита. Например, Fe популярен для намагничивания УНТ катализатора для удобства переработки, который может генерировать гидроксильные радикалы, влияющие на жизнеспособность клеток. Это может влиять на стратегии нанотехнологической оценки рисков, и нужно учитывать биосовместимость, риски здоровья и токсичность финального композита перед разработкой руководства по безопасности. В-третьих, дезинфекция микробов композитом УНТ важна. УНТ-Ag-TiO₂ показывает прямые антимикробные эффекты и популярно используется для разрыва бактериальных стенок. Однако такое лечение может быть летальным, так как некоторые бактерии, особенно цианобактерии, могут выделять более токсичные соединения — микроцистины — при деконтаминации через УНТ. В-четвертых, фотодеградация и каталитическое влажное воздушное окисление (КВВО) стойких органических загрязнителей УНТ-металл катализаторами производят разные продукты деградации и/или их интермедиаты, которые могут быть более токсичными, чем исходные соединения и вредными для здоровья. Поэтому перед тем как считать УНТ-металл композиты полностью безопасными для использования как фото катализатор и катализатор влажного воздушного окисления, нужно также учитывать реактивность, токсичность и судьбу продуктов деградации в среде. В-пятых, ученым нужно изолировать родительские УНТ от допированного металла для переработки. Хотя сухие или мокрые резак техники доступны для резки/измельчения УНТ композитов, есть значительный шанс создания аэрозолей свободных коротких УНТ/металл фрагментов. Поверхностные воды и земли будут конечными пунктами назначения любого атмосферного выброса УНТ и должны обращаться с осторожностью. Поэтому обращение с УНТ-металл композитами в жидких средах или установка вытяжной вентиляции при обработке будет полезной.

Применение УНТ в производстве сенсоров

Применение УНТ как электрода для биосенсоров сравнительно безопасно. Мало шансов прямого водного контакта с УНТ электродом. Однако несколько измерений рисков можно следовать. Во-первых, 1D УНТ часто комбинируют с 2D наноматериалами, особенно графеном, для высокой электропроводности и механической гибкости. Такие суперструктуры имеют разные физико-химические свойства и несут разные экологические опасности, которые нужно измерять с осторожностью. Во-вторых, поли(диаллилдиметиламмоний хлорид) (ПДДА)-функционализированные УНТ очень распространены в электрохимических биосенсорах. УНТ-ПДДА вредны, так как полимер влияет на жизнеспособность клеток и гемолиз. В-третьих, биомолекулы (ДНК, аptaмеры, ферменты, белки) широко иммобилизуют на УНТ для сенсирования органических, неорганических и биологических водных загрязнителей. Предпочтительный метод иммобилизации — физическая адсорбция, а не ковалентные модификации, для сохранения целостности УНТ и конформаций биомолекул, ведущих к высокой электропроводности. Однако такая система нестабильна и недолговечна, так как биомолекулы вымываются из системы и часто токсичны для людей. Поэтому качество биосенсора и его рискоквантификация полностью зависят от стратегий производства финального продукта.

Использование УНТ в производстве мембран

УНТ популярны как отдельная мембрана — вертикально выровненные (ВВ)-УНТ мембрана. В отличие, смешанно-матриксные (СМ)-УНТ мембраны могут быть получены допированием УНТ в существующие полимерные мембраны: обратный осмос (ОО), нанофильтрация (НФ), ультрафильтрация (УФ) для усиленного разделения. Исследователи часто классифицируют УНТ мембрану как ОО, НФ, УФ и нано-усиленные мембраны. Это неприемлемо — по крайней мере с точки зрения нанотехнологической безопасности, так как УНТ мембрана отличается от ОО, НФ, УФ. По Международному союзу чистой и прикладной химии (МСЧПХ) и ISO, мембрана может классифицироваться только на основе размера водного загрязнителя, который они отвергают. В то время как ОО и НФ очищают воду на диффузии, УФ удерживает взвешенные частицы. Напротив, УНТ мембрана удерживает и растворенные ионы, и взвешенные твердые вещества, также используется для газового разделения. Пока органические полимеры — строительные блоки ОО, НФ, УФ; УНТ — аллотроп углерода. По сравнению с конвенциональными мембранами, УНТ мембраны часто функционализируются другими наночастицами (TiO₂, Ag, Fe₃O₄) с разными физико-химическими свойствами. Следовательно, конвенциональные оценки рисков для ОО, НФ, УФ не применимы к УНТ мембране. Нужно учитывать и конвенциональные, и новые возникающие риски, связанные с УНТ мембранной технологией. Руководства по безопасности УНТ как мембранный процесс должны базироваться на материалистических и прикладных точках зрения, а не только на несоответствующем использовании терминологии учеными. Классификация УНТ мембраны должна быть критически пересмотрена для регулирования в свете оценки рисков и регуляций, потому что нельзя принимать законы без четких определений технологии.

Инженерированные наноматериалы

Инженерированные УНТ дают замечательные обещания в очистке воды. Рассчитано, что 1100–29 200 метрических тонн/год инженерированных наноматериалов (ИНМ) выбрасываются из ООС как выбросы во всем мире. Через часы и дни такие ИНМ осаждаются как более крупные агрегаты в природных водных ресурсах. Успешное использование ИНМ требует внедрения руководств по безопасности на основе их новых свойств: формы, размера, заряда, агломерации и т.д. Необычная реактивность ИНМ обусловлена их поверхностными и квантовыми эффектами с разными оптоэлектронными и механическими свойствами. Такие свойства нужно верифицировать из-за их различных токсикологических исходов. Судьба инженерированных УНТ зависит от их интерфейсных свойств: адсорбции, реактивности, адгезии, когезии, смачиваемости, и регулируется водной химией: pH, смеси загрязнителей. Инженерированные УНТ с подходящими функциональностями действуют как точки прикрепления, где разные природные водные констуиенты могут якоряться. Такая модификация облегчает разделение УНТ из пучка, и индивидуальные УНТ утекают из ООС. Поэтому загрязненные водные выбросы могут находиться в воде, очищенной УНТ. Из-за материальной сложности часто трудно измерить токсичность УНТ. Ученые используют предположения «один размер подходит всем» для измерения токсикологических феноменов этих сложных новых материалов. Есть пробел знаний и дефицит научных данных. Некоторые мысли необходимы для валидации и проверки уровней токсичности каждого ИНМ точно. Помимо влажных лабораторных работ, можно предвидеть использование вычислительных инструментов, таких как количественная структура-активность отношения (QSAR) модели для классификации ИНМ с консенсусными физико-химическими свойствами. Это поможет заинтересованным сторонам понять общие горячие точки риска и выбрать, какая комбинация безопасна. Ученые также могут устанавливать пороговые пределы для каждого ИНМ для использования в ООС.

Технология «один горшок» комбинированная

Ученые часто предпочитают разрабатывать технологии «один горшок», где разные технологии очистки воды интегрируются для борьбы с множественными водными загрязнителями в реальном времени. Отслеживание таких комбинаций в терминах нанотехнологической безопасности может быть сложной работой. Насколько нам известно, ни один токсикологический тест такой гибридной технологии еще не проводился, поэтому может потребоваться тестирование на экологический вред. Очевидно, оценка риска для каждой отдельной технологии должна учитывать другие, чтобы внедрять контролы без дальнейшей оценки. Общий риск комбинированной технологии очистки воды «один горшок» можно рассчитать как: Общий риск = уровень оценки риска комбинированных технологий × тяжесть их опасностей.

Профессиональные риски экспозиции УНТ

Рост числа и объема производства продуктов, содержащих ИНМ, приведет к большему выбросу в среду при производстве, использовании, мытье или утилизации продуктов. На простом уровне нанотехнология кажется безопасной индустрией, так как очень мало проблем сообщалось до сих пор. Однако наиболее неблагоприятные эффекты этих ИНМ могут стать очевидными со временем и предоставлять ответственность, похожую на асбест-содержащие продукты, из-за их повсеместного использования в повседневной жизни. ИНМ как потенциальные профессиональные и экологические опасности могут поднимать вопросы здоровья и безопасности. По данным NIOSH, семь рабочих развили гипоксемию и тяжелые легочные заболевания после работы с химической пастой, содержащей смесь неопределенных наночастиц (НЧ). В терминах профессионального риска экспозиции данные появились, дающие доказательства, что рабочий умер от респираторного дистресс-синдрома при распылении никелевых НП на кусты для турбинных подшипников металлургической дугой. К сожалению, нанотехнологическая индустрия осталась в значительной степени молчаливой об использовании ИНМ, и государственные регуляторы не ввели строгих руководств. Поэтому есть необходимость оценить токсичность ИНМ и понять их возможные выгоды или неблагоприятные эффекты на здоровье человека.

Эффект УНТ коррелирует с их методом администрирования или экспозиции. Обновленный доступный стандарт предписан для асбеста: предельно допустимый предел экспозиции (ПДП) — 0,1 волокно на кубический сантиметр воздуха за 8-часовое взвешенное временное усреднение (ВВУ) с экскурсионным лимитом (ЭЛ) 1,0 асбестовое волокно на кубический сантиметр за 30-минутный период. Работодатель должен обеспечивать, чтобы никто не экспонирован выше этого лимита. Мониторинг рабочего места или деятельности для детектирования асбестовой экспозиции на уровне ПДП или ЭЛ для рабочего под риском экспозиции критично.

Число исследований сообщили, что экспозиция УНТ респираторной системе может вести к астме, бронхиту, эмфиземе и раку легких. Важно отметить, что некоторые заводы могут быть более пыльными из-за отсутствия стандартов промышленной гигиены. Работа с пульверизированными УНТ или смесями, содержащими мелкие УНТ частицы, может нести риск вдыхания. Много экспериментальных исследований на вдыхательную экспозицию способствовали оценке эффектов УНТ на респираторный тракт и идентификации пределов экспозиции. Продолженная профессиональная экспозиция воздухонесущим УНТ веществом может вести к тяжелым поражениям легких, как документировано в животных исследованиях.

Результаты и обсуждение

Функционализованный неполярный интерьер УНТ обеспечивает сильное притяжение к полярным водным молекулам и отвергает соль и загрязнители. Это, сопровождаемое низким энергопотреблением, антифоулингом и самоочисткой функцией, сделало УНТ мембраны исключительной альтернативой конвенциональной водоочистной технологии. Приístинные УНТ часто состоят из различных металлических катализаторов, золы и углеродного агента, действующих как дополнительные адсорбционные места УНТ для множественных водных загрязнителей. Примеси — один из факторов идентификации порового диаметра нанотрубок, морфологии и способности влиять или ингибировать адсорбционное поведение. Уменьшение и удаление примесей без влияния на исходную целостность нанотрубки — одна из главных проблем в УНТ-основанных применениях очистки воды. Несколько методов применяли для получения интактных УНТ: фильтрация, высокотемпературный отжиг, повторная центрифугация, но методы все еще не могут полностью удалить УНТ.

Помимо очистки УНТ, манипуляция растворимостью УНТ в водной системе — одно из главных препятствующих факторов в технологии очистки воды. Пример: приístинные УНТ нерастворимы в воде из-за их гидрофобного графитового листа. Для противодействия этому недostatку применяли ковалентную модификацию, вводя гидрофильный заместитель мокрым химическим лечением. Другой метод — нековалентная модификация, дополняющая оборачивание поверхнеактивным веществом, широко используемое для увеличения растворимости УНТ в воде или разных водных средах. Загрязнение среды УНТ может происходить, когда нанотрубки утекают из колонны очистки воды во время операции и напрямую текут в окружающие водные ресурсы. Эти УНТ имеют высокий шанс реагировать с различными биомолекулами в водной системе, что возможно может генерировать токсические эффекты для окружающей акватической среды. Даже если УНТ могут предлагать эффективные технологии очистки воды, потенциальные экологические эффекты нужно критически анализировать для оценки риска и разработки руководств по безопасности использования УНТ материалов в системах водоочистки.

Заключение

Обеспечение чистых и безопасных водных объектов, сохранение среды и избежание социальной нанофобии — вызовы для ученых и заинтересованных в использовании наноматериалов. Мы должны обеспечить связность каждого шага в обращении, использовании, утилизации и судьбе УНТ в технологиях очистки воды. В настоящее время есть дефицит методов и критериев для точного измерения рисков и опасностей УНТ. Очевидно, необходимость в твердых регуляторных фреймворках, адресующих и специфически управляющих потенциальными рисками нанотехнологий. Этот регуляторный фреймворк должен решать вызовы идентификации и характеристики наноматериальной формы и её влияния на здоровье человека и среду. Наши поэтапные, глубокие процедуры оценки рисков, основанные на структура-свойство отношениях наноматериала, помогут понять поведение УНТ в ООС и их последующий выброс в среду. С помощью этих отношений может быть разработано универсальное руководство по безопасности для точной адресации оценок рисков УНТ в будущих применениях очистки воды.

Аббревиатуры

CDC

Центр по контролю и профилактике заболеваний

CNTs

Углеродные нанотрубки

CSIRO

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization

CWAO

Каталитическое влажное воздушное окисление

E-CNTs

Экологические УНТ

EPA

Агентство по охране окружающей среды

EU

Европейский Союз

IUPAC

Международный союз чистой и прикладной химии

MM

Смешанная матрица

MWCNTs

Многослойные углеродные нанотрубки

NM

Наноматериал

OECD

Организация экономического сотрудничества и развития

PEL

Предельно допустимый предел экспозиции

QSAR

Количественная структура-активность отношения

SWCNTs

Однослойные углеродные нанотрубки

TA

Танновая кислота

TEM

Проходная электронная микроскопия

TWA

Взвешенное временное усреднение

WWTP

Сточные очистные сооружения