Токсичная правда об углеродных нанотрубках в очистке воды:взгляд в перспективе

Фон

Доступ к чистой и безопасной воде - одно из основных прав человека. К сожалению, 780 миллионов человек во всем мире, особенно в развивающихся странах, не имеют доступа к источникам пресной воды [1]. Углеродные нанотрубки (УНТ) стали основным наноматериалом (НМ) для очистки воды. Он может удалять почти все три типа загрязнителей:органические, неорганические и биологические загрязнители [2]. Это связано с их большой площадью поверхности, высоким аспектным отношением и большей химической реакционной способностью, а также более низкой стоимостью и меньшими энергозатратами. Приблизительно 736 метрических тонн УНТ было использовано за последние несколько лет для энергетики и защиты окружающей среды, и эта цифра продолжает расти [3]. Несмотря на потенциальный риск как для человека, так и для окружающей среды, не существует систематического подхода к оценке рисков, связанных с использованием УНТ для очистки воды, и эта ситуация требует безотлагательного внимания.

Обширное литературное исследование предполагает, что легкомысленное использование УНТ в качестве адсорбентов, композитов или катализаторов, сенсоров, мембран и инженерных НМ является основной причиной того, что 6,0 и 5,5% УНТ просачиваются из очистных сооружений (КОС) и мусоросжигательных заводов, соответственно. [3]. В качестве альтернативы УНТ могут быть потеряны в почву (14,8%) и воздух (1,4%) на этапе захоронения, которые в конечном итоге могут попасть в пресные водоемы. Эффекты этих экологических УНТ (E-CNT) еще предстоит выяснить [4]. Наше предыдущее исследование показывает, как E-CNT могут быть преобразованы [5]. УНТ могут быть изменены, чтобы противостоять биодеградации, увеличению клеточного поглощения, реактивности и токсичности для наземной, водной и воздушной флоры и фауны. Следовательно, общественное восприятие может быть подвергнуто неблагоприятному воздействию, и может возникнуть общественное давление с целью запретить УНТ, поскольку они имеют патологические эффекты, аналогичные патологическим эффектам асбеста [6]. Все данные свидетельствуют о том, что общественность игнорирует НМ и положительно относится к эффектам задержки CNT.

Действительно, экономическая устойчивость ЯМ может зависеть от соответствующих весов риска, применяемых к сектору [7, 8] или более количественных подходов [9]. Наше литературное исследование, касающееся аспектов безопасности CNT, выявило пробелы в знаниях, которые кратко изложены ниже:

• Отсутствуют универсальные рекомендации по безопасности для УНТ, за исключением Организации научных и промышленных исследований Содружества (CSIRO) [10].

• Хотя обращение с УНТ как «твердые матрицы» в производственной среде или при первичном воздействии является приоритетом для оценки риска, были выявлены обширные пробелы в знаниях о вторичном воздействии или путях воздействия окружающей среды.

• Оценка риска, связанного с УНТ, в основном основывалась на предварительных предположениях с меньшим вниманием к важным факторам, способствующим, таким как физико-химические свойства УНТ, в технологиях очистки воды.

Хотя многие организации, такие как Агентство по охране окружающей среды (EPA), Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), Европейский союз (ЕС) и Центр по контролю и профилактике заболеваний (CDC), проводят мониторинг последствий для экологической безопасности. Что касается НМ, они все еще ждут и смотрят в отношении E-CNT. Учитывая пробелы в знаниях, здесь мы постулируем несколько важных новых оценок риска и контрольных измерений для вопросов безопасности E-CNT, как показано на рис. 1. Мы подчеркиваем физико-химические свойства CNT, такие как размер, форма, диаметр, масса, соотношение сторон, заряд, стабильность, функциональность, контролирующая агрегацию и диспергируемость в воде, что может повлиять на судьбу E-CNT и уровень токсичности. Как показано на рис. 1, особые опасения по поводу риска связаны с конкретным применением УНТ в очистке воды. Оценка и управление рисками CNT для конкретных приложений поможет понять глобальный сценарий и пересмотреть существующие руководящие принципы безопасности CNT; таким образом, можно гарантировать нанобезопасность УНТ.

Часы нанобезопасности. Вращение по часовой стрелке относится к основным измерениям риска УНТ при очистке воды. Эти основные риски подробно описаны в следующих разделах настоящего документа

Методы

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой волокнистые материалы, образованные из слоев графитовой сотовой кристаллической решетки, свернутых в форму трубки либо в виде одного слоя, либо в виде нескольких слоев [11]. Точная структурная компоновка и порядок придают им множество полезных свойств, таких как сверхлегкий вес, высокое поверхностное натяжение и высокое соотношение сторон [12]. Одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) имеют цилиндрическую форму и представляют собой одну оболочку из графена, тогда как многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ) состоят из нескольких слоев графеновых листов [13, 14]. Оба типа УНТ использовались для прямого опреснения воды и косвенного удаления загрязняющих веществ, которые усложняют процесс опреснения [15].

Важно понимать, что не все УНТ токсичны, и изменение формы, размера и состава может повлиять на нанотоксичность УНТ [16]. УНТ с длиной длинных волокон (> 20 мкм), превышающей длину макрофагов, не могут быть поглощены макрофагами, что приводит к неэффективному фагоцитозу, и это препятствует их удалению из системы, вызывая вредные эффекты. Как правило, ряд исследований показал, что большая длина и больший диаметр обладают большей токсичностью, чем меньшие [16]. Кроме того, длина и диаметр УНТ, которыми можно управлять во время синтеза УНТ, являются еще одним важным фактором, определяющим жизненный цикл и токсичность. Токсичность различных типов УНТ обобщена в таблице 1.

Жизненный цикл и доза высвобождения УНТ, связанных с исследованиями по оценке рисков

Жизненный цикл УНТ можно разделить на шесть стадий, как показано на рис. 2, которые относятся к их количеству в обращении и состоянию распространения [17, 18]. На первом этапе производится изготовление УНТ в закрытой печи без проникновения кислорода; таким образом, воздействие УНТ невелико. Тем не менее, обнажение УНТ может происходить во время технического обслуживания печи и ручного обращения с УНТ. Второй этап включает производство промежуточных продуктов, таких как суперконцентраты и растворы, диспергированные с УНТ. Несмотря на то, что масштаб оборудования и количество обрабатываемых материалов на стадии 2 меньше, чем у производственной линии, перемешивание в процессе порошка УНТ может увеличить скорость их выброса в окружающую среду. Механическое истирание (посуда и тара) и физико-химическое старение (коррозия или термическое воздействие) могут вызвать выделение УНТ. Третий этап - производство продуктов, при котором будет сокращено прямое обращение с УНТ за счет использования промежуточных продуктов, содержащих УНТ, произведенных на втором этапе. Однако на этом этапе некоторые УНТ могут выбрасываться в воздух во время высыхания раствора и отверждения краски. Четвертая стадия жизненного цикла УНТ - это обработка продуктов, при которой к композитным продуктам прикладывается физическая или термическая нагрузка, в результате чего УНТ связываются с основным полимером, и ожидается, что высвобождение свободных УНТ из такого композита будет значительно низким. Пятый этап - это использование продуктов на основе УНТ потребителями, и, наконец, шестой этап - это утилизация или переработка продуктов на основе УНТ [17, 18].

Жизненный цикл CNT. Жизненный цикл CNT, связанный с исследованиями по оценке риска [18, 61]

Отслеживание жизненного цикла продукта CNT может, возможно, привести к определению, при каких обстоятельствах может произойти высвобождение CNT из приложений. Например, УНТ, обычно внедренные в полимерную матрицу для повышения механической прочности, проводимости и т. Д., Не будут высвобождаться. Однако деградация полимера, включающая фотореакцию, гидролиз, окисление и термолиз полимерной матрицы, может высвобождать УНТ в окружающую среду [19]. На скорость разложения влияют структурные особенности полимера, а также внешние источники, такие как физические, химические и биологические агенты, которые контролируют процессы. Более того, Wohlleben et al. [20] исследуют жизненный цикл нанокомпозитов, сравнивая высвобожденные фрагменты и их последующие опасности in vivo. Автор не обнаруживает существенной разницы в токсичности нанокомпозитных материалов по сравнению с их традиционными аналогами без нанонаполнителей при нормальном механическом использовании (например, атмосферных воздействиях, фазе нормального использования и шлифовке). Кроме того, Wohlleben et al. [21] также проанализировали высвобождение УНТ из наноматериалов, связанных с наноармированными шинами, во время их использования в результате комбинированного механического или химического воздействия. Автор сообщает, что сценарий движения по дороге высвобождает больше фрагментов от стимулированного износа протектора, чем сценарий смыва с поверхностью воды, что указывает на то, что только синергетическое напряжение старения вызывает значительные высвобождения.

Исследование, проведенное Girardello et al. [22] о водных беспозвоночных пиявках ( Hirudo medicinalis ) проанализировали острые и хронические иммунные ответы в течение короткого [1, 3, 6, 12] и длительного (от 1 до 5 недель) периода времени на воздействие MWCNT. Массовая клеточная миграция произошла при ангиогенезе и фиброплазии обнаженной пиявки. Кроме того, иммуноцитохимическая характеристика с использованием специфических маркеров показывает, что моноциты и макрофаги (CD45 ⁺ и CD68 ⁺ ) были наиболее пораженными клетками в этих воспалительных процессах. Эти иммунокомпетентные клетки характеризовались последовательностью событий, которая начинается с экспрессии провоспалительных цитокинов (IL-18) и амилоидогенеза. Автор также подтверждает, что оксид алюминия в растворе для воздействия пиявки был ниже допустимого для здоровья человека уровня в питьевой воде [22]. Более того, как показал анализ EDS, в тканях пиявки не было обнаружено металлов, таких как алюминий, кобальт и железо. Этот эксперимент показывает, что реакции пиявок были вызваны MWCNT, а не присутствием оксида металла в растворе для экспонирования [22]. Кроме того, Muller et al. [23] документально подтвердили, что когда MWCNT вводили в трахеи крысы в ​​дозах 0,5, 2 и 5 мг на крысу, это приводило к воспалительным и фиброзным реакциям при всех дозах через 3 дня однократного интратрахеального введения. Исследование, проведенное Xu et al. [24] обнаружили, что введение 0,5 мл MWCNT (500 мкг / мл) пять раз в течение 9 дней в легкие крыс приводит к присутствию MWCNT в альвеолярных макрофагах и средостенных лимфатических узлах.

Вышеупомянутые процессы (например, синтез УНТ, производство промежуточных продуктов, дальнейшая обработка, использование продукта, процессы рециркуляции и окончательная утилизация) могут происходить на всех стадиях жизненного цикла продукта [25]. Остаточные УНТ, которые остаются во время очистки сточных вод, могут образовывать различные побочные продукты в результате реакции между химическими веществами и некоторыми загрязнителями. Хроническое воздействие этих химикатов при проглатывании питьевой воды, вдыхании и контакте с кожей во время регулярных занятий в помещении может представлять риск рака и нераковых заболеваний для человека [26].

Несколько исследований изучали судьбу УНТ в окружающей среде или их период полураспада; важно учитывать, трансформируются ли ENM или перемещаются между разными средами, и если да, то в каких временных масштабах. Становится общепризнанным, что природа и поведение УНТ могут изменяться, иногда весьма радикально, в зависимости от среды, с которой они сталкиваются, в зависимости от их физической химии, включая их поверхностные функциональные группы, и физической формы. Влияние на окружающую среду будет контролироваться новыми характеристиками УНТ и рядом возможных механизмов, включая высвобождение растворенных видов, пассивацию, локальное истощение видов или прямое поглощение УНТ организмами. Кроме того, отрицательный эффект УНТ можно свести к минимуму, если понять влияние физико-химических свойств УНТ на их токсичность. Например, исследование, проведенное Wang et al. [27] при уменьшении фиброзного потенциала MWCNT в легких с помощью покрытия Pluronic F108 обнаружил, что покрытие было способно придать дисперсию MWCNT и снизить профиброгенные эффекты этих трубок in vitro и в интактном легком животного. Механизм этого эффекта может предотвратить повреждение лизосом в макрофагах и, возможно, других типах клеток. Автор предположил, что покрытие PF 108 может быть применено в качестве безопасного подхода к проектированию MWCNT в биомедицинских областях, таких как доставка лекарств и визуализация [27].

Таким образом, для оценки воздействия УНТ на окружающую среду важно точно охарактеризовать их до использования и после воздействия различных сред; Феноменология на границе между наноматериалами и окружающей средой особенно важна для долгосрочных прогнозов. Практически отсутствует информация о том, как ENM взаимодействуют со средой окружающей среды, и было опубликовано только несколько исследований в этой области. Необходимо понимать судьбу и значение УНТ, выбрасываемых в окружающую среду, для разработки соответствующих конструкций продуктов, безопасных производственных маршрутов и эффективных стратегий утилизации в конце срока службы.

Важнейшие факты для УНТ при очистке воды

Адсорбенты

УНТ являются популярным адсорбентом для очистки воды, но некоторые комментарии по поводу их безопасности необходимы. Обычно УНТ требуются в больших объемах для адсорбции загрязнителей воды в чрезвычайно высоких концентрациях. Таким образом, необходимо видеть, какие типы УНТ развернуты и сколько используется. Различные индивидуумы УНТ могут иметь разные физико-химические свойства, к которым следует обращаться. На рынке доступно более 50 000 различных типов УНТ [28] с различной длиной, формой, зарядом и т. Д., Что свидетельствует о сложности материала в окружающей среде. С другой стороны, чистые УНТ сами по себе проблематичны из-за присущих им примесей [29], таких как металлы и углеродные агенты, которые создают проблемы с нанобезопасностью. Как следствие, ученые очистили и функционализировали УНТ, используя различные подходы [30, 31], но недавнее исследование демонстрирует, что такие УНТ увеличивают поглощение металлов и уровни токсичности для живых клеток [32].

Адсорбция загрязнителей воды изменяет характеристики УНТ, такие как размер и объем пор, поверхностный заряд или энергия, стабильность, гидрофобность и функциональность [33]. Во-первых, адсорбция различных органических загрязнителей воды, таких как гуминовая кислота и дубильная кислота (ТА), изменяет свойства УНТ и увеличивает их стабильность в окружающей среде. Hyung et al. обнаружили стабильные УНТ с адсорбированными органическими веществами в воде реки Суванни [34], что согласуется с исследованиями стабильных фуллеренов в реке Сахан, Украина [35]. Изображения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показали, что УНТ были толстыми по размеру при адсорбции ТА, что привело к отделению отдельных УНТ от жгута [36]. Подобные явления также можно обнаружить при адсорбции поверхностно-активного вещества на УНТ, что изменяет способность нанотрубки к диспергированию в воде [37]. Эти исследования постулируют, что стабильные УНТ могут транспортироваться и впоследствии депонироваться после их выпуска из СОСВ в водную среду, что приводит к потенциальному поглощению Е-УНТ живыми клетками. Во-вторых, неорганические металлы, такие как Fe, Cd, Ni, As и Hg, адсорбированные на УНТ, могут иметь более высокую реакционную способность и токсичность внутри частицы. Исследования показали, что УНТ с ионами металлов, таких как Fe и Ni, более токсичны для живых клеток [38]. Более того, биологические адсорбенты, особенно микробы, могут изменять свойства поверхности УНТ на очистных сооружениях. Например, некоторые бактериальные внутриклеточные ферменты катализируют образование гидроксильного радикала ( ^• OH) или H ₂ О ₂ через окислительно-восстановительные реакции, в результате которых образуются карбоксилированные (C) -CNT [39]. Это преобразует гидрофобные чистые УНТ в гидрофильные, что влияет на их агрегацию и делает обращение с ними чрезвычайно трудным, и трубки будет трудно удерживать на станции очистки сточных вод. Некоторые ферменты разрушили C-CNT [39, 40] и трансформировали короткие фрагменты CNT для облегчения последующей транспортировки в окружающей среде. Следовательно, загрязняющие вещества (например, органические, неорганические и биологические) следует удалять таким образом, чтобы свойства УНТ не изменились. Следует проверить, остались ли покрытые УНТ после адсорбции разрезанными, шлифованными, раздробленными и разорванными или нет. Исходя из этого, можно прогнозировать пригодность УНТ для повторного использования для адсорбции загрязнителей.

Катализаторы для сложных процессов окисления

Измерение рисков, связанных с УНТ как композитными катализаторами, возможно несколькими способами. Во-первых, легирование УНТ с использованием металлов, таких как Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Hg и их оксидов посредством физической и / или химической адсорбции, является нестабильный; есть шанс выброса значительного количества металлических частиц в окружающую среду. Во-вторых, каждый легированный металл имеет свои собственные специфические свойства, которые могут влиять на свойства исходных УНТ и, в конечном итоге, на общее поведение композита. Например, Fe широко используется для намагничивания УНТ-катализатора для облегчения рециклинга, который может генерировать гидроксильные радикалы, влияющие на жизнеспособность клеток [41]. Это может повлиять на стратегии оценки рисков нанобезопасности, и следует учитывать биосовместимость, риски для здоровья и токсичность готового композита, прежде чем разрабатывать рекомендации по безопасности. В-третьих, важна дезинфекция микробов с помощью композита УНТ. CNT-Ag-TiO ₂ продемонстрировал прямое противомикробное действие и широко используется для разрушения стенок бактериальных клеток [42]. Однако такое лечение может привести к летальному исходу, поскольку некоторые бактерии, особенно цианобактерии, могут быть ответственны за высвобождение более токсичных соединений, то есть микроцистинов, при обеззараживании через УНТ [2]. В-четвертых, фотодеградация и каталитическое окисление влажным воздухом (CWAO) стойких органических загрязнителей с использованием катализаторов из металла УНТ приводит к образованию различных продуктов разложения и / или их промежуточных продуктов, которые могут быть более токсичными, чем их исходные соединения, и вредными для здоровья [43]. Следовательно, прежде чем предположить, что композиты УНТ-металл полностью безопасны для использования в качестве фотокатализатора и каталитического окислителя влажного воздуха, следует также учитывать реакционную способность, токсичность и судьбу разложившегося продукта в окружающей среде. Наконец, ученым необходимо изолировать исходные УНТ от легированного металла для вторичной переработки. Хотя для резки и / или шлифования композитов УНТ доступны методы сухой или влажной резки [44], существует значительная вероятность образования аэрозолей из свободных коротких фрагментов УНТ / металла. Поверхностные воды и земли будут конечными пунктами назначения любых выбросов УНТ в атмосферу, и к ним следует относиться с осторожностью. Поэтому будет полезно работать с композитами УНТ-металл в жидких средах или устанавливать вытяжную вентиляцию во время обработки.

Применение CNT в производстве датчиков

Применение УНТ в качестве электрода для биосенсоров сравнительно безопасно. Вероятность прямого контакта воды с электродом из УНТ мала. Тем не менее, можно следовать нескольким измерениям риска. Во-первых, одномерные УНТ часто комбинируют с двумерными НМ, особенно с графеном для обеспечения высокой электропроводности и механической гибкости. Такие надстройки имеют разные физико-химические свойства [45] и представляют различные опасности для окружающей среды, которые следует измерять с осторожностью. Во-вторых, УНТ, функционализированные поли (диаллилдиметиламмонийхлорид) (PDDA), очень часто используются в электрохимических биосенсорах. УНТ-ПДДА вредны, поскольку полимер влияет на жизнеспособность клеток и гемолиз [46]. Наконец, биомолекулы, такие как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), аптамеры, ферменты и белки, были широко иммобилизованы на УНТ для обнаружения органических, неорганических и биологических загрязнителей воды. Предпочтительным методом иммобилизации этих биомолекул является физическая адсорбция, а не ковалентные модификации, чтобы поддерживать целостность УНТ и конформации биомолекул, которые приводят к высокой электропроводности. Однако такая система не является стабильной и долговечной, поскольку биомолекулы, вымываемые из системы, часто токсичны для человека. Таким образом, качество биосенсора и количественная оценка риска полностью зависят от стратегии, принятой для производства конечного продукта.

Использование УНТ в производстве мембран

УНТ популярны как отдельные мембраны, называемые вертикально ориентированными (VA) -CNT мембранами. Напротив, мембрана со смешанной матрицей (MM) -CNT может быть создана путем добавления УНТ к существующим полимерным мембранам, таким как обратный осмос (RO), нанофильтрация (NF) и ультрафильтрация (UF) для улучшенного процесса разделения. Поэтому исследователи часто классифицируют мембраны из УНТ как RO, NF, UF и наноусиленные мембраны [47]. Это неприемлемо - по крайней мере, с точки зрения нанобезопасности, поскольку мембрана CNT отличается от мембран RO, NF и UF. Согласно Международному союзу чистой и прикладной химии (IUPAC) и Международной организации по стандартизации (ISO), мембрана может быть классифицирована только на основе размера загрязнителя воды, который они отклоняют [48, 49]. В то время как мембраны RO и NF очищают воду при диффузии, мембрана UF задерживает взвешенные частицы воды. Напротив, мембрана из УНТ удерживает как растворенные ионы, так и взвешенные твердые частицы, а также используется для разделения газов [50]. В то время как органические полимеры являются строительными блоками RO, NF и UF; CNT - это аллотроп углерода. По сравнению с обычными мембранами, мембраны из УНТ часто функционализированы другими наночастицами, такими как TiO ₂ , Ag и Fe ₃ О ₄ которые могут иметь разные физико-химические свойства. В результате обычные оценки риска для RO, NF и UF не могут быть применены к мембране CNT. Следует учитывать как традиционные, так и новые риски, связанные с мембранной технологией CNT. Следовательно, рекомендации по безопасности CNT как мембранного процесса должны основываться на материалистических и прикладных точках зрения, а не просто на непоследовательном использовании терминологии, данной учеными. Классификация мембран CNT должна быть критически пересмотрена, чтобы регулировать их в свете оценки риска и нормативных требований, поскольку невозможно принять законы без четких определений технологии.

Разработанные наноматериалы

Спроектированные УНТ дают замечательные возможности для очистки воды [51]. Было подсчитано, что около 1100–29 200 метрических тонн искусственных наноматериалов (ЭНМ) в год выбрасываются со станций очистки сточных вод во всем мире [52]. Спустя часы и дни такие ENM оседают в виде более крупных скоплений в природных водных ресурсах. Следовательно, успешное использование ENM требует выполнения руководящих принципов безопасности [53] на основе его новых свойств, таких как форма, размер, заряд, агломерация и так далее. Необычная реакционная способность ENM связана с их поверхностными и квантовыми эффектами с различными оптоэлектронными и механическими свойствами [54]. Такие свойства необходимо проверять из-за их различных токсикологических последствий. Судьба созданных УНТ зависит от их межфазных свойств, таких как адсорбция, реакционная способность, адгезия, когезия и смачиваемость, а также регулируется химическим составом воды, например pH, смесями загрязняющих веществ и т. Д. [54]. Спроектированные CNT с соответствующими функциями действуют как точки крепления, в которых могут заякориться различные составляющие природной воды. Такая модификация будет способствовать отделению УНТ от жгута, и отдельные УНТ будут вытекать из очистных сооружений. Следовательно, загрязненные сточные воды могут быть обнаружены в воде, обработанной УНТ. Из-за сложности материала часто бывает трудно измерить токсичность УНТ. Ученые используют такие предположения, как «Один размер для всех» для измерения явлений токсичности этих сложных новых материалов. Существует пробел в знаниях и нехватка научных данных. Требуется некоторое размышление, чтобы точно подтвердить и проверить уровни токсичности каждого ENM. Помимо влажных лабораторных работ, мы можем ожидать использования некоторых вычислительных инструментов, таких как модели количественного отношения структура-активность (QSAR) для классификации ENM с согласованными физико-химическими свойствами. Это поможет заинтересованным сторонам понять общие горячие точки риска и позволит им выбрать, какую комбинацию будет безопасно использовать. Ученые также могут ограничить пороговые значения для каждого ENM, который будет использоваться на очистных сооружениях.

Комбинированная технология One-Pot

Ученые часто предпочитают разрабатывать технологию «One-Pot», в которой различные технологии очистки воды будут интегрированы для борьбы с множеством загрязнителей воды в режиме реального времени [5]. Отслеживание таких комбинаций с точки зрения нанобезопасности может оказаться сложной задачей. Насколько нам известно, никаких испытаний на токсичность такой гибридной технологии еще не проводилось, поэтому может потребоваться проверка на любой вред окружающей среде. Очевидно, что оценка рисков для каждой отдельной технологии должна касаться других, чтобы можно было внедрить средства управления без дальнейшей оценки. Суммарный риск комбинированной технологии очистки воды «One-Pot» можно рассчитать следующим образом:

Риски воздействия CNT на рабочем месте

Однако увеличение количества и объема производства продуктов, содержащих инженерные наноматериалы (ENM), приведет к большему выбросу в окружающую среду во время производства, использования, мытья или утилизации продуктов [55]. На простом уровне нанотехнология может показаться безопасной отраслью, поскольку на сегодняшний день сообщается об очень небольшом количестве проблем. Однако наиболее неблагоприятные эффекты этих ENM могут проявиться со временем и привести к ответственности, аналогичной асбестосодержащим продуктам, из-за их повсеместного использования в повседневной жизни. ENM как потенциальная профессиональная опасность и опасность для окружающей среды могут вызывать озабоченность в отношении здоровья и безопасности [56]. Как сообщает NIOSH, у семи рабочих развилась гипоксемия и тяжелое заболевание легких после работы с химической пастой, содержащей смесь неопределенных наночастиц (НЧ). Что касается риска профессионального воздействия на здоровье, появились данные, свидетельствующие о том, что рабочий умер из-за респираторного дистресс-синдрома при распылении наночастиц никеля на втулки подшипников турбин с использованием процесса металлической дуги. К сожалению, индустрия нанотехнологий в основном хранит молчание по поводу использования ENM, а государственные регулирующие органы не ввели строгих правил. По этой причине необходимо оценить токсичность ENM и понять их возможную пользу или неблагоприятное воздействие на здоровье человека.

Эффект УНТ, по-видимому, коррелирует с методом их введения или воздействия [16]. Обновленный доступный стандарт предписан для асбеста, в соответствии с которым допустимый предел воздействия (PEL) составляет 0,1 волокна на кубический сантиметр воздуха в течение 8-часового средневзвешенного по времени (TWA) с пределом отклонения (EL) 1,0 волокна асбеста на кубический сантиметр сверх 30-минутный период. Работодатель должен следить за тем, чтобы никто не подвергался воздействию сверх этого лимита. Мониторинг рабочего места или производственной деятельности для выявления воздействия асбеста на уровне или выше PEL или EL для работника, подверженного риску воздействия, имеет решающее значение [43].

В ряде исследований сообщается, что воздействие УНТ на дыхательную систему может привести к астме, бронхиту, эмфиземе и раку легких. Важно отметить, что некоторые предприятия более пыльные, возможно, из-за отсутствия стандартов промышленной гигиены [4]. Работа с измельченными УНТ или смесями, содержащими мелкие частицы УНТ, может создать риск вдыхания. Многие экспериментальные исследования ингаляционного воздействия внесли свой вклад в оценку воздействия УНТ на дыхательные пути и определение пределов воздействия. Продолжительное профессиональное воздействие вещества УНТ, переносимого по воздуху, может привести к серьезным повреждениям легких, как было документально подтверждено исследованиями на животных [4].

Результаты и обсуждение

Функционализированный неполярный внутренний дом из УНТ обеспечивает сильное притяжение к полярным молекулам воды и отторгает соли и загрязняющие вещества. Это, наряду с низким энергопотреблением, защитой от обрастания и функцией самоочистки, сделало мембраны из УНТ необычной альтернативой традиционной технологии очистки воды [47]. Нетронутые УНТ часто состоят из различных металлических катализаторов, золы и углеродсодержащего агента, которые действуют как дополнительные адсорбирующие центры УНТ для множества загрязнителей воды. Примеси являются одним из факторов, используемых для определения диаметра пор нанотрубок, их морфологии и способности влиять или ингибировать адсорбционные свойства [57]. Уменьшение количества примесей и их удаление без нарушения целостности исходных нанотрубок - одна из основных проблем при очистке воды на основе УНТ [5]. Several methods have been applied to get intact CNTs such as filtration, high-temperature annealing and repetitive centrifugation, but the methods are still unable to completely remove the CNTs [5, 58, 59].

Besides CNT purification, manipulation of CNT solubility in the water system is one of the major impeding factors in water purification technology. As an example, pristine CNTs are insoluble in water due to their hydrophobic graphite sheet [5]. In order to counter this shortcoming, a covalent modification has been applied whereby hydrophilic substituent is introduced using wet chemical treatment. Another method is non-covalent modification which complements the surfactant wrapping that is widely used to increase CNT solubility in water or different aqueous media [60]. CNT contamination in the environment could occur when nanotubes leaked from the water purification column during operation and directly flows into surrounding water resources. These CNTs have a high chance to react with various biomolecules present in the water system which possibly could generate toxic effects to the surrounding aquatic environment [5]. Even though CNTs could offer efficient water purification technologies, the potential environment effects need to be critically analysed in order to estimate risk and develop safety guidelines in the use of CNT materials in water treatment systems.

Выводы

Ensuring clean and safe water facilities, preserving our environment and avoiding societal nanophobia are some of the challenges faced by scientists and those involved in the use of nanomaterials. We must ensure the connectivity of each step in the handling, use, disposal and fate of CNTs in water purification technologies. At present, there is a paucity of methods and criteria for accurately measuring CNT risks and hazards. It is apparent that there is a need for solid regulatory frameworks that address and specifically manage the potential risks of nanotechnology. This regulatory framework should address the challenges faced in identifying and characterizing the nanomaterial form and its impact on human health and the environment. Our case-by-case, in-depth risk assessment procedures based on the nanomaterial’s structure-property relationships will help in understanding CNT behaviour in WWTPs and their subsequent release into the environment. With the help of these relationships, a universal safety guideline can be developed to accurately address risk estimates of CNTs in future water purification applications.

Сокращения

CDC:

Centre for Disease Control and Prevention

CNTs:

Carbon nanotubes

CSIRO:

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization

CWAO:

Catalytic wet air oxidation

E-CNTs :

Environmental CNTs

EPA:

Environment Protection Agency

EU:

European Union

IUPAC:

International Union of Pure and Applied Chemistry

MM:

Mixed matrix

MWCNT:

Многослойные углеродные нанотрубки

NM:

Nanomaterial

OECD:

Organization for Economic Co-operation and Development

PEL:

Permissible exposure limit

QSAR:

Quantitative structure-activity relationship

SWCNT:

Single-wall carbon nanotubes

TA:

Tannic acid

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TWA:

Time-weighted average

WWTP:

Waste water treatment plant