Die toxische Wahrheit über Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Wasserreinigung:eine perspektivische Ansicht

Hintergrund

Der Zugang zu sauberem und sicherem Wasser ist ein grundlegendes Menschenrecht. Leider haben 780 Millionen Menschen weltweit, insbesondere in Entwicklungsländern, keinen Zugang zu Süßwasseranlagen [1]. Carbon Nanotubes (CNTs) haben sich als das führende Nanomaterial (NM) für die Wasserreinigung herausgestellt. Es kann fast alle drei Schadstoffarten, also organische, anorganische und biologische Schadstoffe entfernen [2]. Dies liegt an ihrer großen Oberfläche, ihrem hohen Aspektverhältnis und ihrer größeren chemischen Reaktivität zusammen mit geringeren Kosten und Energie. Ungefähr 736 Tonnen CNTs wurden in den letzten Jahren für Energie- und Umweltanwendungen verwendet, eine Zahl, die weiter ansteigt [3]. Trotz des potenziellen Risikos für Mensch und Umwelt gibt es keinen systematischen Ansatz zur Bewertung der Risiken im Zusammenhang mit dem Einsatz von CNTs in der Wasserreinigung, eine Situation, die dringend Aufmerksamkeit erfordert.

Eine umfangreiche Literaturstudie legt nahe, dass die leichtfertige Verwendung von CNTs als Adsorbentien, Verbundwerkstoffe oder Katalysatoren, Sensoren, Membranen und technisch hergestellte NM der Hauptgrund dafür ist, dass 6,0 bzw [3]. Alternativ könnten CNTs aus der Entsorgungsphase an Boden (14,8%) und Luft (1,4%) verloren gehen, die schließlich in Süßwasserkörper gelangen könnten. Die Auswirkungen dieser Umwelt-CNTs (E-CNTs) sind noch unklar [4]. Unsere bisherige Forschung zeigt, wie E-CNTs transformiert werden könnten [5]. CNTs können so verändert werden, dass sie dem biologischen Abbau, der erhöhten Zellaufnahme, der Reaktivität und der Toxizität gegenüber der terrestrischen, aquatischen und luftigen Flora und Fauna widerstehen. Folglich kann die gesellschaftliche Wahrnehmung beeinträchtigt werden und es kann öffentlicher Druck ausgeübt werden, CNTs zu verbieten, da sie ähnliche pathologische Wirkungen wie Asbest haben [6]. Alle Beweise deuten darauf hin, dass die Öffentlichkeit NMs nicht kennt und den CNT-Latenzeffekten positiv gegenübersteht.

Tatsächlich kann die wirtschaftliche Nachhaltigkeit von NM von einer angemessenen Risikogewichtung des Sektors [7, 8] oder quantitativeren Ansätzen [9] abhängen. Unsere Literaturstudie zu Sicherheitsaspekten von CNT hat Wissenslücken aufgezeigt, wie unten zusammengefasst:

• Mit Ausnahme der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) [10] fehlen universelle Sicherheitsrichtlinien für CNTs.

• Während der Umgang mit CNT als „feste Matrices“ im beruflichen Umfeld oder bei der Primärexposition bei der Risikobewertung Vorrang genießt, wurden bei Sekundärexpositionen oder Umweltpfaden umfangreiche Wissenslücken identifiziert.

• Die Schätzung des CNT-Risikos basierte hauptsächlich auf früheren Annahmen, wobei signifikanten Einflussfaktoren wie den physikalisch-chemischen Eigenschaften von CNT in Wasserreinigungstechnologien weniger Beachtung geschenkt wurde.

Obwohl viele Organisationen wie die Umweltschutzbehörde (EPA), die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD), die Europäische Union (EU) und das Zentrum für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten (CDC) die Auswirkungen auf die Umweltsicherheit überwacht haben der NMs befinden sie sich noch in einem „abwartenden“ Ansatz für E-CNTs. Angesichts der Wissenslücken postulieren wir hier mehrere wichtige neuartige Risikobewertungen und Kontrollmessungen für E-CNT-Sicherheitsprobleme, wie in Abb. 1 gezeigt. Wir betonen die physikalisch-chemischen Eigenschaften von CNTs wie Größe, Form, Durchmesser, Masse, Aspektverhältnis, Ladung, Stabilität, Funktionalitäten zur Kontrolle der Aggregation und Dispergierbarkeit in Wasser, die das Verbleib und die Toxizität von E-CNT beeinflussen könnten. Wie in Abb. 1 gezeigt, sind spezifische Risikobedenken mit bestimmten Anwendungen von CNTs bei der Wasserreinigung verbunden. Die Schätzung der anwendungsspezifischen CNT-Risikobewertung und -verwaltung wird dazu beitragen, das globale Szenario zu verstehen und bestehende CNT-Sicherheitsrichtlinien zu überarbeiten; Somit kann man die Nanosicherheit für CNTs gewährleisten.

Nanosicherheitsuhr. Die Drehung im Uhrzeigersinn bezieht sich auf wichtige CNT-Risikomessungen bei der Wasserreinigung. Diese Hauptrisiken werden in den folgenden Abschnitten dieses Dokuments detailliert beschrieben

Methoden

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind faserige Materialien, die aus wabenförmigen Kristallgitterschichten aus Graphit gebildet werden, die entweder als Einzelschicht oder als Mehrfachschichten in eine Röhrenform gewickelt sind [11]. Präzise strukturelle Anordnung und Ordnung verleihen ihnen eine Vielzahl von vorteilhaften Eigenschaften wie Ultraleichtgewicht, hohe Oberflächenspannung und hohes Aspektverhältnis [12]. Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) bestehen aus der zylindrischen Form einer einzelnen Hülle aus Graphen, während mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) aus mehreren Schichten von Graphenschichten bestehen [13, 14]. Beide Arten von CNTs wurden für die direkte Wasserentsalzung und die indirekte Entfernung von Schadstoffen verwendet, die den Entsalzungsprozess erschweren [15].

Es ist wichtig zu verstehen, dass nicht alle CNTs toxisch sind, bei denen eine Änderung von Form, Größe und Zusammensetzung die Nanotoxizität von CNTs verändern würde [16]. CNT mit einer Länge von langen Fasern (> 20 μm), die die Makrophagenlänge überschreitet, können nicht von Makrophagen verschlungen werden, was zu einer ineffizienten Phagozytose führt, und dies verhindert ihre Clearance aus dem System, was zu schädlichen Auswirkungen führt. Im Allgemeinen hat eine Reihe von Studien gezeigt, dass eine größere Länge und ein größerer Durchmesser eine größere Toxizität aufweisen als kleinere [16]. Darüber hinaus sind die Länge und der Durchmesser von CNTs, die während der CNT-Synthese kontrolliert werden können, weitere wichtige Faktoren, die den Lebenszyklus und die Toxizität bestimmen. Die Toxizität verschiedener Arten von CNTs ist in Tabelle 1 zusammengefasst.

Lebenszyklus und Freisetzungsdosis von CNTs im Zusammenhang mit Risikobewertungsstudien

Der CNT-Lebenszyklus kann in sechs Phasen eingeteilt werden, wie in Abb. 2 gezeigt, die sich auf ihre Handhabungsmenge und ihren Verbreitungszustand beziehen [17, 18]. Die erste Stufe umfasst die CNT-Herstellung, die in einem geschlossenen Ofen ohne Eindringen von Sauerstoff durchgeführt wird; daher ist die Exposition gegenüber CNTs gering. Trotzdem kann es während der Ofenwartung und der manuellen Handhabung von CNTs zu einer CNT-Exposition kommen. Im zweiten Schritt werden Zwischenprodukte wie Masterbatches und CNT-dispergierte Lösungen hergestellt. Auch wenn der Geräteumfang und die Handhabungsmenge in Stufe 2 kleiner sind als die der Produktionslinie, kann das Rühren im CNT-Pulverprozess ihre Freisetzungsrate in die Umwelt erhöhen. Mechanischer Abrieb (Ware und Tara) und physikalisch-chemische Alterung (Korrosion oder thermischer Einfluss) können zur Freisetzung von CNTs führen. Die dritte Stufe ist die Herstellung von Produkten, wobei die direkte Handhabung von CNTs reduziert wird, indem CNT-haltige Zwischenprodukte verwendet werden, die während der zweiten Stufe hergestellt werden. In dieser Phase können jedoch während der Lösungstrocknung und der Lackhärtung einige CNTs in die Luft freigesetzt werden. Die vierte Stufe des CNT-Lebenszyklus ist die Verarbeitung von Produkten, bei denen physikalischer oder thermischer Stress auf die Verbundprodukte ausgeübt wird, wodurch CNTs an das Basispolymer gebunden werden und eine Freisetzung von freien CNTs aus solchen Verbundwerkstoffen voraussichtlich sehr gering ist. Die fünfte Stufe ist die Verwendung von CNT-Produkten durch die Verbraucher, und die sechste Stufe schließlich ist die Entsorgung oder das Recycling der CNT-basierten Produkte [17, 18].

CNT-Lebenszyklus. Der Lebenszyklus von CNT im Zusammenhang mit Risikobewertungsstudien [18, 61]

Die Verfolgung des Lebenszyklus des CNT-Produkts kann möglicherweise dazu führen, festzustellen, unter welchen Umständen eine Freisetzung von CNTs aus Anwendungen erfolgen kann. Beispielsweise werden CNTs, die im Allgemeinen in die Polymermatrix eingebettet sind, um die mechanische Festigkeit, Leitfähigkeit usw. zu verbessern, nicht freigesetzt. Der Polymerabbau durch Photoreaktion, Hydrolyse, Oxidation und Thermolyse der Polymermatrix kann jedoch CNTs in die Umwelt freisetzen [19]. Die Abbaugeschwindigkeit wird durch die strukturellen Eigenschaften des Polymers sowie externe Quellen wie physikalische, chemische und biologische Agenzien, die die Prozesse steuern, beeinflusst. Darüber hinaus haben Wohlleben et al. [20] untersuchen den Lebenszyklus von Nanokompositen, indem sie freigesetzte Fragmente und ihre nachfolgenden in-vivo-Gefahren vergleichen. Der Autor identifiziert keinen signifikanten Unterschied in der Toxizität von Nanokompositmaterialien im Vergleich zu ihren herkömmlichen Gegenstücken ohne Nanofüllstoffe bei normaler mechanischer Nutzung (z. B. Bewitterung, normale Nutzungsphase und Sandung). Außerdem haben Wohlleben et al. [21] analysierten auch die Freisetzung von CNTs aus Nanomaterialien im Zusammenhang mit nanoverstärkten Reifen während ihrer Verwendung, entweder durch kombinierte mechanische oder chemische Belastung. Der Autor berichtet, dass ein Szenario auf der Straße mehr Fragmente durch stimulierten Laufflächenverschleiß freisetzt als das Szenario, das in Oberflächenwasser gewaschen wird, was darauf hindeutet, dass nur synergistischer Alterungsstress signifikante Freisetzungen induziert.

Untersuchungen von Girardello et al. [22] auf wirbellosen Wasseregeln (Hirudo medicinalis ) analysierten akute und chronische Immunantworten über einen kurzen [1, 3, 6, 12] und langen (1 bis 5 Wochen) Zeitraum bis zur Exposition gegenüber MWCNTs. In der exponierten Blutegel-Angiogenese und Fibroplasie trat eine massive Zellmigration auf. Darüber hinaus zeigt die immunzytochemische Charakterisierung mit spezifischen Markern, dass die Monozyten und Makrophagen (CD45 ⁺ und CD68 ⁺ ) waren die am stärksten betroffenen Zellen bei diesen Entzündungsprozessen. Diese immunkompetenten Zellen waren durch eine Abfolge von Ereignissen gekennzeichnet, die mit der Expression von proinflammatorischen Zytokinen (IL-18) und Amyloidogenese beginnt. Der Autor bestätigt auch, dass Aluminiumoxid in Blutegel-Expositionslösungen niedriger war als der für die menschliche Gesundheit im Trinkwasser akzeptierte Wert [22]. Darüber hinaus wurden keine Metalle wie Aluminium, Kobalt und Eisen in Blutegelgeweben nachgewiesen, wie durch eine EDS-Analyse gezeigt. Dieses Experiment zeigt, dass Reaktionen in den Blutegeln durch das MWCNT und nicht durch das Vorhandensein von Metalloxiden in der Expositionslösung verursacht wurden [22]. Darüber hinaus haben Müller et al. [23] dokumentierten, dass, wenn MWCNTs in einer Dosierung von 0,5, 2 und 5 mg pro Ratte in die Luftröhre von Ratten eingeführt wurden, dies nach 3 Tagen einmaliger intratrachealer Verabreichung bei allen Dosierungen zu entzündlichen und fibrotischen Reaktionen führte. Untersuchungen von Xu et al. [24] fanden heraus, dass 0,5 ml MWCNTs (500 μg/ml), die fünfmal über 9 Tage in die Lungen von Ratten eingebracht wurden, zum Vorkommen von MWCNTs in alveolären Makrophagen und mediastinalen Lymphknoten führen.

Die genannten Prozesse (z. B. CNT-Synthese, Zwischenproduktherstellung, Weiterverarbeitung, Produktnutzung, Recyclingprozesse und Endlagerung) können in allen Phasen des Produktlebenszyklus auftreten [25]. Restliche CNTs, die bei der Abwasserbehandlung verbleiben, können durch eine Reaktion zwischen Chemikalien und einigen Schadstoffen eine Vielzahl von Nebenprodukten bilden. Chronische Exposition gegenüber diesen Chemikalien durch Einnahme von Trinkwasser, Inhalation und Hautkontakt während regelmäßiger Aktivitäten in Innenräumen kann für den Menschen Krebs- und andere Risiken darstellen [26].

Nur wenige Studien haben das Schicksal von CNTs in der Umwelt oder ihre Halbwertszeit untersucht; Es ist wichtig zu berücksichtigen, ob ENMs sich transformieren oder zwischen verschiedenen Medien transportiert werden, und wenn ja, über welche Zeiträume. Es ist allgemein bekannt, dass sich die Natur und das Verhalten von CNTs je nach Umgebung, der sie begegnen, manchmal sehr radikal ändern können, abhängig von ihrer physikalischen Chemie, einschließlich ihrer funktionellen Oberflächengruppen und ihrer physikalischen Form. Der Einfluss auf die Umwelt wird durch die entstehenden Eigenschaften der CNTs und eine Reihe möglicher Mechanismen gesteuert, einschließlich der Freisetzung gelöster Spezies, Passivierung, lokaler Erschöpfung von Spezies oder direkter CNT-Aufnahme durch Organismen. Außerdem kann die negative Wirkung von CNTs minimiert werden, indem die Auswirkungen der physikalisch-chemischen Eigenschaften von CNTs auf ihre Toxizität verstanden werden. Eine Studie von Wang et al. [27] über die Verringerung des Lungenfibrosepotenzials von MWCNT durch eine Pluronic F108-Beschichtung stellt fest, dass die Beschichtung in der Lage war, MWCNT-Dispersion zu verleihen und die profibrogene Wirkung dieser Röhrchen in vitro und in der intakten Tierlunge zu reduzieren. Der Mechanismus dieses Effekts hat die Fähigkeit, lysosomalen Schaden in Makrophagen und möglicherweise anderen Zelltypen zu verhindern. Der Autor schlug vor, dass die PF 108-Beschichtung als sicherer Designansatz für MWCNTs in biomedizinischen Bereichen wie der Wirkstoffabgabe und Bildgebung eingesetzt werden könnte [27].

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es zur Bewertung der Umweltauswirkungen von CNTs wichtig ist, sie vor der Verwendung und nach der Exposition gegenüber verschiedenen Medien genau zu charakterisieren; die phänomenologie an der grenzfläche zwischen den nanomaterialien und der umwelt ist besonders wichtig für langfristige prognosen. Es gibt fast keine Informationen darüber, wie ENMs mit Umweltmedien interagieren, und es wurden nur einige Studien auf diesem Gebiet berichtet. Es ist notwendig, das Schicksal und die Bedeutung von CNTs zu verstehen, die in die Umwelt freigesetzt werden, um geeignete Produktdesigns, sichere Herstellungswege und wirksame Entsorgungsstrategien zu entwickeln.

Kritische Fakten zu CNTs in der Wasseraufbereitung

Adsorbentien

CNTs sind ein beliebtes Adsorptionsmittel für die Wasserreinigung, aber einige Kommentare zu ihrer Sicherheit sind erforderlich. Typischerweise werden CNTs in großen Mengen benötigt, um Wasserschadstoffe in extrem hohen Konzentrationen zu adsorbieren. Daher ist es notwendig zu sehen, welche Arten von CNTs eingesetzt werden und wie viel davon verwendet wird. Verschiedene CNT-Individuen können unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften aufweisen, auf die zugegriffen werden sollte. Über 50.000 verschiedene Arten von CNTs sind auf dem Markt erhältlich [28] mit unterschiedlichen Längen, Formen, Ladungen usw., die die Komplexität des Materials in der Umwelt veranschaulichen. Auf der anderen Seite sind unberührte CNTs aufgrund ihrer generischen Verunreinigungen [29] wie Metalle und kohlenstoffhaltige Stoffe selbst problematisch, die Nanosicherheitsprobleme aufwerfen. Als Folge davon haben Wissenschaftler CNTs mit verschiedenen Ansätzen gereinigt und funktionalisiert [30, 31], aber eine aktuelle Studie zeigt, dass solche CNTs die Metallaufnahme und Toxizität von lebenden Zellen erhöhen [32].

Die Adsorption von Wasserschadstoffen verändert die CNT-Eigenschaften wie Porengröße und -volumen, Oberflächenladung oder -energie, Stabilität, Hydrophobie und Funktionalitäten [33]. Zum einen verändert die Adsorption verschiedener organischer Wasserschadstoffe wie Huminsäure und Gerbsäure (TA) die CNT-Eigenschaften und erhöht ihre Stabilität in der Umwelt. Hyunget al. fanden stabile CNT mit adsorbierten organischen Stoffen im Wasser des Suwannee-Flusses [34], im Einklang mit der Untersuchung stabiler Fullerene im Sahan-Fluss, Ukraine [35]. Transmissionselektronenmikroskopie(TEM)-Bilder legten nahe, dass die CNTs bei der TA-Adsorption dick waren und zur Trennung einzelner CNTs aus dem Bündel führten [36]. Ähnliche Phänomene finden sich auch bei der Tensidadsorption an die CNTs, die die Dispergierbarkeit der Nanoröhre in Wasser verändert [37]. Diese Studien postulieren, dass stabile CNTs transportiert und anschließend nach ihrer Freisetzung aus der Kläranlage in wässrige Umgebungen abgelagert werden können, was zu einer potentiellen Aufnahme von E-CNTs durch lebende Zellen führt. Zweitens könnten anorganische Metalle wie Fe, Cd, Ni, As und Hg, die auf den CNTs adsorbiert sind, eine größere Reaktivität und Toxizität innerhalb des Partikels aufweisen. Studien haben ergeben, dass CNTs mit Metallionen wie Fe und Ni für lebende Zellen toxischer sind [38]. Darüber hinaus haben biologische Adsorbentien, insbesondere Mikroben, das Potenzial, die Oberflächeneigenschaften von CNT in Kläranlagen zu verändern. Zum Beispiel katalysieren einige bakterielle intrazelluläre Enzyme die Bildung von Hydroxylradikalen ( ^• OH) oder H₂ O₂ durch Redoxreaktionen, die carboxylierte (C)-CNTs produzieren [39]. Dadurch werden hydrophobe, reine CNTs in hydrophile umgewandelt, was ihre Aggregation beeinträchtigt und ihre Handhabung extrem erschwert, und die Röhrchen wären in der Kläranlage nur schwer zu halten. Einige Enzyme haben C-CNTs abgebaut [39, 40] und die kurzen CNT-Fragmente transformiert, um den anschließenden Transport in die Umwelt zu erleichtern. Daher sollten die Schadstoffe (z. B. organische, anorganische und biologische) so entfernt werden, dass die CNT-Eigenschaften nicht verändert werden. Es sollte überprüft werden, ob bedecktes CNT nach der Adsorption geschnitten, gemahlen, geschoren und gerissen wurde oder nicht. Auf dieser Grundlage kann die Eignung von CNTs zur Wiederverwendung für Schadstoffadsorptionen vorhergesagt werden.

Katalysatoren für fortgeschrittene Oxidationsprozesse

Die Messung von CNT-Risiken als Katalysatorverbundstoffe ist auf verschiedene Weise möglich. Erstens ist es nicht stabil; Es besteht die Möglichkeit, dass erhebliche Mengen an Metallpartikeln in das Umweltmilieu freigesetzt werden. Zweitens hat jedes dotierte Metall seine eigenen spezifischen Eigenschaften, die die Eigenschaften des CNT-Ausgangsmaterials und letztendlich das Gesamtverhalten des Verbundwerkstoffs beeinflussen können. Fe ist zum Beispiel beliebt, um den CNT-Katalysator zu magnetisieren, um das Recycling zu erleichtern, was Hydroxylradikale erzeugen könnte, die die Lebensfähigkeit der Zellen beeinträchtigen [41]. Diese können sich auf die Strategien zur Risikobewertung der Nanosicherheit auswirken, und man sollte die Biokompatibilität, Gesundheitsrisiken und Toxizitätsprobleme des endgültigen Verbundwerkstoffs berücksichtigen, bevor eine Sicherheitsrichtlinie entwickelt wird. Drittens ist die Desinfektion von Mikroben mit dem Komposit von CNT wichtig. CNT-Ag-TiO₂ hat direkte antimikrobielle Wirkungen gezeigt und wird im Volksmund zum Aufbrechen bakterieller Zellwände verwendet [42]. Eine solche Behandlung könnte jedoch tödlich sein, da einige Bakterien, insbesondere Cyanobakterien, für die Freisetzung toxischer Verbindungen, z. B. Microcystine, verantwortlich sein könnten, während sie durch die CNTs dekontaminieren [2]. Viertens haben Photoabbau und katalytische Nassluftoxidation (CWAO) persistenter organischer Schadstoffe unter Verwendung von CNT-Metallkatalysatoren verschiedene Abbauprodukte und/oder deren Zwischenprodukte erzeugt, die giftiger als ihre Ausgangsverbindungen und gesundheitsschädlich sein könnten [43]. Bevor man davon ausgeht, dass CNT-Metall-Verbundwerkstoffe als Photokatalysator und katalytisches Nassluft-Oxidationsmittel völlig unbedenklich sind, sollte man daher auch die Reaktivität, Toxizität und den Verbleib des abgebauten Produkts in der Umwelt berücksichtigen. Schließlich müssen die Wissenschaftler elterliche CNTs für das Recycling aus dotiertem Metall isolieren. Obwohl Trocken- oder Nassschneidtechniken zum Schneiden und/oder Schleifen von CNT-Kompositen verfügbar sind [44], besteht eine signifikante Chance, Aerosole aus freien kurzen CNT/Metallfragmenten zu erzeugen. Oberflächengewässer und Land werden die ultimativen Ziele jeder atmosphärischen Freisetzung von CNTs sein und sollten mit Vorsicht behandelt werden. Daher ist der Umgang mit CNT-Metall-Verbundwerkstoffen in flüssigen Medien oder die Einrichtung einer Absaugung während der Verarbeitung hilfreich.

CNT-Anwendung in der Sensorherstellung

Die Anwendung von CNTs als Elektrode für Biosensoren ist vergleichsweise sicher. Ein direkter Wasserkontakt mit der CNT-Elektrode ist gering. Einige Risikomessungen können jedoch verfolgt werden. Erstens werden 1D-CNTs oft mit 2D-NMs kombiniert, insbesondere Graphen für eine hohe elektrische Leitfähigkeit und mechanische Flexibilität. Solche Aufbauten haben unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften [45] und bergen unterschiedliche Umweltgefahren, die mit Vorsicht gemessen werden sollten. Zweitens sind Poly(diallyldimethylammoniumchlorid) (PDDA)-funktionalisierte CNTs in elektrochemischen Biosensoren weit verbreitet. CNTs-PDDA ist schädlich, da das Polymer die Lebensfähigkeit und Hämolyse der Zellen beeinflusst hat [46]. Schließlich wurden Biomoleküle wie Desoxyribonukleinsäure (DNA), Aptamere, Enzyme und Proteine ​​in großem Umfang auf CNTs immobilisiert, um organische, anorganische und biologische Wasserschadstoffe zu erfassen. Die bevorzugte Immobilisierungsmethode dieser Biomoleküle ist die physikalische Adsorption anstelle der kovalenten Modifikation, um die Integrität des CNT und die Konformationen des Biomoleküls zu erhalten, die zu einer hohen elektrischen Leitfähigkeit führen. Ein solches System ist jedoch nicht stabil und dauerhaft, da aus dem System ausgelaugte Biomoleküle für Menschen oft toxisch sind. Daher hängen die Qualität eines Biosensors und seine Risikoquantifizierung vollständig von den Strategien ab, die zur Herstellung des Endprodukts verwendet werden.

Nutzung von CNTs in der Membranproduktion

CNTs sind als separate Membranen bekannt, die als vertikal ausgerichtete (VA)-CNT-Membran bezeichnet werden. Im Gegensatz dazu könnte eine Mischmatrix (MM)-CNT-Membran durch Dotieren von CNTs in die bestehenden Polymermembranen wie Umkehrosmose (RO), Nanofiltration (NF) und Ultrafiltration (UF) für den verbesserten Trennprozess erzeugt werden. Daher klassifizieren Forscher CNT-Membranen häufig als RO-, NF-, UF- und nanoverstärkte Membranen [47]. Dies ist nicht akzeptabel – zumindest aus Sicht der Nanosicherheit, da sich die CNT-Membran von den RO-, NF- und UF-Membranen unterscheidet. Nach Angaben der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) und der International Organization for Standardization (ISO) konnte eine Membran nur nach der Größe des von ihnen abgewiesenen Wasserschadstoffs klassifiziert werden [48, 49]. Während RO- und NF-Membranen Wasser bei der Diffusion reinigen, hält die UF-Membran suspendierte Wasserpartikel zurück. Im Gegensatz dazu hält eine CNT-Membran sowohl gelöste Ionen als auch Schwebstoffe und wurde auch zur Gastrennung verwendet [50]. Während organische Polymere die Bausteine ​​von RO, NF und UF sind; CNT ist ein Kohlenstoffallotrop. Im Vergleich zu herkömmlichen Membranen werden CNT-Membranen oft mit anderen Nanopartikeln wie TiO₂ . funktionalisiert , Ag und Fe₃ O₄ die unterschiedliche physikalisch-chemische Eigenschaften haben können. Folglich können konventionelle Risikobewertungen für RO, NF und UF nicht auf CNT-Membranen angewendet werden. Man sollte sowohl die konventionellen als auch die neu aufkommenden Risiken im Zusammenhang mit der CNT-Membrantechnologie berücksichtigen. Daher sollten CNT-Sicherheitsrichtlinien als Membranverfahren auf materialistischen und angewandten Gesichtspunkten basieren und nicht nur auf der inkonsistenten Verwendung von Terminologien durch Wissenschaftler. Die Klassifizierung von CNT-Membranen sollte kritisch überprüft werden, um sie im Lichte der Risikoabschätzung und Regulierung zu regulieren, da ohne klare Definitionen der Technologie keine Gesetze erlassen werden können.

Technische Nanomaterialien

Technisch hergestellte CNTs machen bemerkenswerte Versprechen bei der Wasserreinigung [51]. Es wurde berechnet, dass weltweit etwa 1100–29.200 metrische Tonnen technisch hergestellte Nanomaterialien (ENM) als Abwasser aus Kläranlagen emittiert werden [52]. Stunden und Tage später setzen sich solche ENMs als größere Ansammlungen in natürlichen Wasserressourcen ab. Daher erfordert der erfolgreiche Einsatz von ENMs die Umsetzung von Sicherheitsrichtlinien [53] aufgrund ihrer neuartigen Eigenschaften wie Form, Größe, Ladung, Agglomeration usw. Die ungewöhnliche Reaktivität von ENMs ist auf ihre Oberflächen- und Quanteneffekte mit unterschiedlichen optoelektronischen und mechanischen Eigenschaften zurückzuführen [54]. Solche Eigenschaften müssen aufgrund ihrer verschiedenen toxikologischen Ergebnisse verifiziert werden. Das Schicksal konstruierter CNTs hängt von ihren Grenzflächeneigenschaften wie Adsorption, Reaktivität, Adhäsion, Kohäsion und Benetzbarkeit ab und wird auch durch die Wasserchemie wie pH, Schadstoffgemische usw. reguliert [54]. Konstruierte CNTs mit entsprechenden Funktionalitäten fungieren als Befestigungspunkte, an denen verschiedene natürliche Wasserinhaltsstoffe verankert werden können. Eine solche Modifikation würde die Trennung von CNTs vom Bündel erleichtern, und einzelne CNTs würden aus der Kläranlage austreten. Daher könnten in mit CNTs behandeltem Wasser kontaminierte Abwässer gefunden werden. Aufgrund der Materialkomplexität ist es oft schwierig, die Toxizität von CNTs zu messen. Wissenschaftler verwenden Annahmen wie „One Size Fit All“, um Toxizitätsphänomene dieser komplexen neuartigen Materialien zu messen. Es gibt eine Wissenslücke und einen Mangel an wissenschaftlichen Daten. Es bedarf einiger Überlegungen, um die Toxizitätsniveaus jedes ENM genau zu validieren und zu überprüfen. Neben den Arbeiten im Nasslabor können wir die Verwendung einiger Rechenwerkzeuge wie quantitativer Struktur-Aktivitäts-Beziehungsmodelle (QSAR) zur Klassifizierung der ENMs mit übereinstimmenden physikalisch-chemischen Eigenschaften erwarten. Dies wird den Interessenvertretern helfen, die Gesamtrisiko-Hotspots zu verstehen und ihnen die Wahl zu ermöglichen, welche Kombination sicher zu verwenden ist. Wissenschaftler können auch Schwellenwerte für jedes in Kläranlagen zu verwendende ENM festlegen.

Kombinierte One-Pot-Technologie

Wissenschaftler ziehen es oft vor, eine „One-Pot“-Technologie zu entwickeln, bei der verschiedene Wasserreinigungstechnologien integriert werden, um mehrere Wasserschadstoffe in Echtzeit zu bekämpfen [5]. Die Verfolgung solcher Kombinationen im Hinblick auf die Nanosicherheit kann eine schwierige Aufgabe sein. Unseres Wissens wurde noch kein Toxizitätstest einer solchen Hybridtechnologie durchgeführt, daher muss möglicherweise auf Umweltschäden getestet werden. Natürlich sollte die Risikobewertung für jede einzelne Technologie mit anderen verbunden werden, damit die Kontrollen ohne weitere Bewertung implementiert werden können. Das Gesamtrisiko der kombinierten Wasseraufbereitungstechnologie „One-Pot“ lässt sich wie folgt berechnen:

Berufliche Expositionsrisiken von CNTs

Eine Zunahme der Anzahl und des Produktionsvolumens von Produkten, die technisch hergestellte Nanomaterialien (ENM) enthalten, wird jedoch zu einer größeren Freisetzung in die Umwelt bei der Herstellung, Verwendung, Reinigung oder Entsorgung der Produkte führen [55]. Auf einer einfachen Ebene scheint die Nanotechnologie eine sichere Branche zu sein, da bisher nur sehr wenige Probleme gemeldet wurden. Die nachteiligsten Auswirkungen dieser ENM können jedoch im Laufe der Zeit offensichtlich werden und aufgrund ihrer allgegenwärtigen Verwendung im täglichen Leben ähnliche Haftungen wie asbesthaltige Produkte mit sich bringen. ENMs als potenzielle Arbeits- und Umweltgefahren können Gesundheits- und Sicherheitsbedenken aufwerfen [56]. Wie von NIOSH berichtet, entwickelten sieben Arbeiter Hypoxämie und schwere Lungenerkrankungen, nachdem sie mit einer chemischen Paste gearbeitet hatten, die eine Mischung aus undefinierten Nanopartikeln (NPs) enthielt. In Bezug auf das Gesundheitsrisiko am Arbeitsplatz liegen Daten vor, die belegen, dass ein Arbeiter an Atemnotsyndrom starb, als er Nickel-NPs auf Buchsen für Turbinenlager mit einem Metalllichtbogenverfahren sprühte. Leider hat die Nanotechnologie-Industrie zum Einsatz von ENMs weitgehend geschwiegen, und staatliche Aufsichtsbehörden haben keine strengen Richtlinien eingeführt. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Toxizität von ENMs zu bewerten und ihren möglichen Nutzen oder ihre negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit zu verstehen.

Die Wirkung von CNTs scheint mit ihrer Verabreichungs- oder Expositionsmethode korreliert zu sein [16]. Für Asbest ist die aktualisierte verfügbare Norm vorgeschrieben, wobei der zulässige Expositionsgrenzwert (PEL) 0,1 Fasern pro Kubikzentimeter Luft über einen 8-stündigen zeitgewichteten Durchschnitt (TWA) mit einer Abweichungsgrenze (EL) von 1,0 Asbestfasern pro Kubikzentimeter über beträgt 30-Minuten-Periode. Der Arbeitgeber muss sicherstellen, dass niemand über dieser Grenze exponiert ist. Die Überwachung des Arbeitsplatzes oder der Arbeitstätigkeit, um eine Asbestexposition zu erkennen, die bei oder über dem PEL oder EL liegt, ist für einen Arbeitnehmer, der einem Expositionsrisiko ausgesetzt ist, von entscheidender Bedeutung [43].

Eine Reihe von Studien hat berichtet, dass die Exposition von CNTs gegenüber dem Atmungssystem zu Asthma, Bronchitis, Emphysem und Lungenkrebs führen kann. Es ist wichtig zu beachten, dass einige Fabriken möglicherweise aufgrund fehlender industrieller Hygienestandards staubiger sind [4]. Beim Arbeiten mit pulverisierten CNTs oder Gemischen, die feine CNT-Partikel enthalten, besteht die Gefahr einer Inhalation. Viele experimentelle Studien, die zur inhalativen Exposition durchgeführt wurden, haben zur Bewertung der Auswirkungen von CNTs auf die Atemwege und zur Ermittlung von Expositionsgrenzwerten beigetragen. Eine längere berufliche Exposition gegenüber CNT-Material in der Luft könnte zu schweren Lungenläsionen führen, wie in Tierstudien dokumentiert [4].

Ergebnisse und Diskussion

Das funktionalisierte unpolare Innere von CNT bietet eine starke Anziehungskraft auf polare Wassermoleküle und weist Salz und Schadstoffe ab. Dies, verbunden mit geringem Energieverbrauch, Antifouling sowie Selbstreinigungsfunktion, hat CNT-Membranen zu einer außergewöhnlichen Alternative zur herkömmlichen Wasseraufbereitungstechnologie gemacht [47]. Unberührte CNTs bestehen oft aus verschiedenen Metallkatalysatoren, Asche und einem kohlenstoffhaltigen Mittel, die als zusätzliche Adsorptionsstelle von CNTs für mehrere Wasserschadstoffe fungieren. Die Verunreinigungen sind einer der Faktoren, die verwendet werden, um den Porendurchmesser, die Morphologie und die Fähigkeit von Nanoröhren zu identifizieren, das Adsorptionsverhalten zu beeinflussen oder zu hemmen [57]. Die Reduzierung und Entfernung von Verunreinigungen, ohne die ursprüngliche Integrität der Nanoröhren zu beeinträchtigen, ist eine der größten Herausforderungen bei CNT-basierten Wasserreinigungsanwendungen [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.

Schlussfolgerungen

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.

Abkürzungen

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

MWCNTs:

Multi-walled carbon nanotubes

NM:

Nanomaterial

OECD:

Organization for Economic Co-operation and Development

PEL:

Permissible exposure limit

QSAR:

Quantitative structure-activity relationship

SWCNTs:

Single-wall carbon nanotubes

TA:

Tannic acid

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TWA:

Time-weighted average

WWTP:

Waste water treatment plant