Kohlenstoffnanoröhren in der Wasseraufbereitung: Bewertung von Sicherheit, Risiken und Nachhaltigkeit

Zusammenfassung

Ohne Nanosicherheitsrichtlinien ist die langfristige Nachhaltigkeit von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) für die Wasseraufbereitung fraglich. Aktuelle Risikobewertungen von CNTs werden von Unsicherheiten überschattet. Neue Risiken im Zusammenhang mit CNTs entwickeln sich durch verschiedene Abwasseraufbereitungswege, und es bestehen Wissenslücken in der Risikobewertung von CNTs basierend auf ihren physikalischen Eigenschaften. Obwohl wissenschaftliche Bemühungen zur Gestaltung von Risikoschätzungen sich entwickeln, bleibt ein Mangel an Wissen über die unbekannten Gesundheitsrisiken von CNTs. Das Fehlen universeller CNT-Sicherheitsrichtlinien ist ein spezifisches Hindernis. In dieser Arbeit schließen wir diese Lücken und schlagen mehrere neue Risikoanalyse-Ansätze und Framework-Extrapolationen aus CNT-basierten Wasseraufbereitungstechnologien vor. Wir schlagen eine CNT-Sicherheitsuhr vor, die helfen wird, Risikobewertung und -management zu beurteilen. Wir schlagen vor, dass dies die Grundlage für eine akzeptable CNT-Sicherheitsrichtlinie bilden könnte. Wir legen besonderen Wert auf die Messung von Risiken basierend auf CNT-physikochemischen Eigenschaften wie Durchmesser, Länge, Aspektverhältnis, Typ, Ladung, Hydrophobie, Funktionalitäten usw., die das CNT-Verhalten in Kläranlagen und die anschließende Freisetzung in die Umwelt bestimmen.

Hintergrund

Zugang zu sauberem und sicherem Wasser ist ein grundlegendes Menschenrecht. Leider haben 780 Millionen Menschen weltweit, besonders in Entwicklungsländern, keinen Zugang zu Frischwassereinrichtungen. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) haben sich als das führende Nanomaterial (NM) für die Wasseraufbereitung herausgestellt. Sie können fast alle drei Arten von Schadstoffen entfernen: organische, anorganische und biologische. Dies ist auf ihre große Oberfläche, hohes Aspektverhältnis und größere chemische Reaktivität bei niedrigeren Kosten und Energie zurückzuführen. Ungefähr 736 metrische Tonnen CNTs wurden in den letzten Jahren für Energie- und Umweltanwendungen genutzt, eine Zahl, die weiter steigt. Trotz des Potenzials für menschliche und umweltbezogene Risiken gibt es keinen systematischen Ansatz zur Bewertung der mit dem Einsatz von CNTs in der Wasseraufbereitung verbundenen Risiken, eine Situation, die dringende Aufmerksamkeit erfordert.

Eine umfangreiche Literaturstudie legt nahe, dass der sorglose Einsatz von CNTs als Adsorbentien, Komposite oder Katalysatoren, Sensoren, Membranen und ingenieurtechnische NMs der Hauptgrund dafür ist, dass 6,0 % und 5,5 % der CNTs aus Kläranlagen (WWTPs) bzw. Müllverbrennungsanlagen austreten. Alternativ könnten CNTs in den Boden (14,8 %) und die Luft (1,4 %) aus der Entsorgungsphase gelangen, was letztendlich in Süßwasserkörper entweichen könnte. Die Auswirkungen dieser umweltbezogenen CNTs (E-CNTs) sind noch unklar. Unsere frühere Forschung zeigt, wie E-CNTs transformiert werden könnten. CNTs können so verändert werden, dass sie Biodegradation widerstehen, zelluläre Aufnahme, Reaktivität und Toxizität für terrestrische, aquatische und luftlebende Flora und Fauna erhöhen. Folglich könnten gesellschaftliche Wahrnehmungen negativ beeinflusst werden, und es könnte öffentlichen Druck geben, CNTs zu verbieten, da sie ähnliche pathologische Effekte wie Asbest aufweisen. Alle Beweise deuten darauf hin, dass die Öffentlichkeit über NMs unwissend ist und positiv gegenüber den Latenzeffekten von CNTs eingestellt ist.

Tatsächlich kann die wirtschaftliche Nachhaltigkeit von NMs von angemessenen Risikogewichtungen abhängen, die auf den Sektor angewendet werden, oder von quantitativeren Ansätzen. Unsere Literaturstudie zu CNT-Sicherheitsaspekten hat Wissenslücken wie folgt zusammengefasst:

• Es fehlen universelle Sicherheitsrichtlinien für CNTs, abgesehen von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO).
• Während der Umgang mit CNTs als „feste Matrizen“ in der beruflichen Umgebung oder bei primärer Exposition Priorität für die Risikobewertung erhält, wurden umfangreiche Wissenslücken für sekundäre Exposition oder Umwelpfade identifiziert.
• Die Schätzung von CNT-Risiko basierte hauptsächlich auf vorherigen Annahmen, wobei weniger Aufmerksamkeit auf signifikante beitragende Faktoren wie physikochemische Eigenschaften von CNTs in Wasseraufbereitungstechnologien gelegt wurde.

Obwohl viele Organisationen wie die Environment Protection Agency (EPA), die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD), die Europäische Union (EU) und das Centre for Disease Control and Prevention (CDC) die umweltbezogenen Sicherheitsimplikationen von NMs überwachen, verfolgen sie immer noch einen „Abwarten und Beobachten“-Ansatz für E-CNTs. Angesichts der Wissenslücken postulieren wir hier mehrere wichtige neuartige Risikobewertungs- und Kontrollmaßnahmen für E-CNT-Sicherheitsfragen wie in Abb. 1 gezeigt. Wir betonen CNT-physikochemische Eigenschaften wie Größe, Form, Durchmesser, Masse, Aspektverhältnis, Ladung, Stabilität, Funktionalitäten, die Aggregation und Dispergierbarkeit im Wasser kontrollieren, was das E-CNT-Schicksal und Toxizitätsniveau beeinflussen könnte. Wie in Abb. 1 gezeigt, sind spezifische Risikobedenken mit spezifischen Anwendungen von CNTs in der Wasseraufbereitung verbunden. Die Schätzung anwendungsspezifischer CNT-Risikobewertung und -management wird helfen, das globale Szenario zu verstehen und bestehende CNT-Sicherheitsrichtlinien zu überarbeiten; so kann Nanosicherheit für CNTs gewährleistet werden.

Nanosicherheits-Uhr. Uhrzeigersinnige Rotation bezieht sich auf wichtige CNT-Risikomessungen in der Wasseraufbereitung. Diese Hauptrisiken werden in den nachfolgenden Abschnitten dieses Papiers detailliert.

Methoden

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind faserförmige Materialien, die aus Wabenkristallgitterschichten von Graphit bestehen, die zu einer Röhre gewickelt sind, entweder als einzelne Lage oder als mehrere Lagen. Präzise strukturelle Anordnung und Ordnung verleihen ihnen eine Vielzahl vorteilhafter Eigenschaften wie ultra-leichtgewichtig, hohe Oberflächenspannung und hohes Aspektverhältnis. Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs) bestehen aus der zylindrischen Form einer einzelnen Graphenschale, während mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) aus mehreren Lagen von Graphenschichten zusammengesetzt sind. Beide Arten von CNTs wurden für direkte Wasserentsalzung und indirekte Entfernung von Schadstoffen verwendet, die den Entsalzungsprozess komplizieren.

Es ist wichtig zu verstehen, dass nicht alle CNTs toxisch sind; durch Veränderung von Form, Größe und Zusammensetzung würde die Nanotoxizität von CNTs modifiziert. CNTs mit der Länge von langen Fasern (> 20 µm), die die Makrophagenlänge übersteigen, können nicht von Makrophagen phagozytiert werden, was zu ineffizienter Phagozytose führt und ihre Clearance aus dem System verhindert, was schädliche Effekte verursacht. Im Allgemeinen haben eine Reihe von Studien gezeigt, dass größere Länge und größerer Durchmesser größere Toxizität besitzen als kleinere. Darüber hinaus sind die Länge und der Durchmesser von CNTs, die während der CNT-Synthese kontrolliert werden können, weitere Hauptfaktoren, die Lebenszyklus und 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 Stufen kategorisiert werden, wie in Abb. 2 gezeigt, was sich auf ihre Handhabungsmenge und Dispergierzustand bezieht. Die erste Stufe umfasst die CNT-Herstellung, die in einem geschlossenen Ofen ohne Sauerstoffeintrag durchgeführt wird; somit ist die Exposition gegenüber CNTs gering. Dennoch kann CNT-Exposition während Ofenwartung und manueller Handhabung von CNTs auftreten. Die zweite Stufe beinhaltet die Herstellung von Zwischenprodukten wie Masterbatches und CNT-dispersen Lösungen. Obwohl der Gerätemaßstab und die Handhabungsmenge in Stufe 2 kleiner sind als in der Produktionslinie, kann Agitation im CNT-Pulverprozess ihre Freisetzungsrate in die Umwelt erhöhen. Mechanische Abnutzung (Verschleiß) und physikochemische Alterung (Korrosion oder thermischer Einfluss) können die Freisetzung von CNTs verursachen. Die dritte Stufe ist die Herstellung von Produkten, wobei es zu reduzierter direkter Handhabung von CNTs kommt, indem Zwischenprodukte mit CNTs genutzt werden, die in der zweiten Stufe hergestellt wurden. Diese Stufe kann jedoch einige CNTs in die Luft während Lösungstrocknung und Lackhärtung freisetzen. Die vierte Stufe des CNT-Lebenszyklus ist die Produktverarbeitung, in der physikalischer oder thermischer Stress auf Kompositprodukte angewendet wird, wobei CNTs an das Basispolymer gebunden sind und die Freisetzung freier CNTs aus solchen Kompositen signifikant gering erwartet wird. Die fünfte Stufe ist die Nutzung von CNT-Produkten durch Verbraucher, und schließlich ist die sechste Stufe die Entsorgung oder das Recycling der CNT-basierten Produkte.

CNT-Lebenszyklus. Der Lebenszyklus von CNT im Zusammenhang mit Risikobewertungsstudien

Die Verfolgung des Lebenszyklus des CNT-Produkts kann möglicherweise bestimmen, unter welchen Umständen eine Freisetzung von CNTs aus Anwendungen auftreten kann. Zum Beispiel werden CNTs allgemein in die Polymermatrix eingebettet, um mechanische Festigkeit, Leitfähigkeit etc. zu verbessern, und werden nicht freigesetzt. Allerdings kann Polymerabbau durch Photoreaktion, Hydrolyse, Oxidation und Thermolyse der Polymermatrix CNTs in die Umwelt freisetzen. Die Abbaurate wird durch die strukturellen Merkmale des Polymers sowie externe Quellen wie physikalische, chemische und biologische Agenten beeinflusst, die die Prozesse steuern. Zudem untersuchten Wohlleben et al. den Lebenszyklus von Nanokompositen durch Vergleich freigesetzter Fragmente und ihrer nachfolgenden in-vivo-Gefahren. Der Autor identifizierte keinen signifikanten Unterschied in der Toxizität für Nanokomposit-Materialien im Vergleich zu ihren traditionellen Gegenstücken ohne Nanofüller unter normaler mechanischer Nutzung (z.B. Weathering, normale Nutzungsphase und Schleifen). Außerdem analysierten Wohlleben et al. auch die Freisetzung von CNTs aus Nanomaterialien, die mit nanoverstärkten Reifen verbunden sind, während ihrer Nutzung, entweder durch kombinierten mechanischen oder chemischen Stress. Der Autor berichtet, dass ein On-the-Road-Szenario mehr Fragmente durch stimulierten Profilverschleiß freisetzt als das gewaschene-zu-Oberflächenwasser-Szenario, was darauf hindeutet, dass nur synergistischer Alterungsstress signifikante Freisetzungen induziert.

Forschung von Girardello et al. an aquatischen Wirbellosen (Blutegel, Hirudo medicinalis) analysierte akute und chronische Immunreaktionen über kurze [1, 3, 6, 12] und lange (1 bis 5 Wochen) Zeiträume bei Exposition gegenüber MWCNTs. Eine massive Zellmigration trat in der exponierten Blutegel-Angiogenese und Fibroplasie auf. Darüber hinaus zeigt die immunzytochemische Charakterisierung mit spezifischen Markern, dass Monozyten und Makrophagen (CD45⁺ und CD68⁺) die am stärksten betroffenen Zellen in diesen Entzündungsprozessen waren. Diese immunkompetenten Zellen wurden durch eine Abfolge von Ereignissen charakterisiert, die mit der Expression pro-inflammatorischer Zytokine (IL-18) und Amyloidogenese beginnt. Der Autor bestätigt auch, dass Aluminiumoxid in der Blutegel-Expositionslösung niedriger war als der für die menschliche Gesundheit im Trinkwasser akzeptierte Wert. Darüber hinaus wurden keine Metalle wie Aluminium, Kobalt und Eisen in Blutegelgeweben nachgewiesen, wie durch EDX-Analyse gezeigt. Dieses Experiment stellt fest, dass die Reaktionen in den Blutegeln durch die MWCNTs und nicht durch das Metalloxid in der Expositionslösung verursacht wurden. Ferner dokumentierten Muller et al., dass bei Einführung von MWCNTs in Rattenluftröhren bei Dosierungen von 0,5, 2 und 5 mg pro Ratte dies zu entzündlichen und fibrotischen Reaktionen bei allen Dosen nach 3 Tagen einzelner intratrachealer Verabreichung führte. Forschung von Xu et al. fand, dass 0,5 ml MWCNTs (500 µg/ml) fünfmal über 9 Tage in die Lungen von Ratten injiziert, zum Vorhandensein von MWCNTs in Alveolarmakrophagen und mediastinalen Lymphknoten führte.

Die oben genannten Prozesse (z.B. CNT-Synthese, Produktion von Zwischenprodukten, Weiterverarbeitung, Produktnutzung, Recyclingprozesse und endgültige Entsorgung) können in allen Phasen des Produktlebenszyklus auftreten. Residuelle CNTs, die während der Abwasserbehandlung verbleiben, können eine Vielzahl von Nebenprodukten durch Reaktion zwischen Chemikalien und einigen Schadstoffen bilden. Chronische Exposition gegenüber diesen Chemikalien durch Trinkwassereinnahme, Inhalation und dermalen Kontakt während regelmäßiger Innenraumaktivitäten kann Krebs- und Nicht-Krebs-Risiken für Menschen darstellen.

Wenige Studien haben das Schicksal von CNTs in der Umwelt oder ihre Halbwertszeit untersucht; es ist wichtig zu berücksichtigen, ob ENMs transformiert werden oder zwischen verschiedenen Medien transportiert werden, und wenn ja, über welche Zeiträume. Es wird zunehmend festgestellt, dass die Natur und das Verhalten von CNTs sich, manchmal recht radikal, je nach der Umgebung, der sie begegnen, ändern können, geregelt durch ihre Physikalische Chemie, einschließlich ihrer Oberflächenfunktionsgruppen und physikalischen Form. Der Einfluss auf die Umwelt wird durch die emergenten Eigenschaften der CNTs und eine Reihe möglicher Mechanismen kontrolliert, einschließlich der Freisetzung gelöster Spezies, Passivierung, lokaler Verarmung von Spezies oder direkter CNT-Aufnahme durch Organismen. Darüber hinaus kann der negative Effekt von CNTs minimiert werden, indem die Auswirkungen der physikochemischen Eigenschaften von CNTs auf ihre Toxizität verstanden werden. Zum Beispiel fand eine Forschung von Wang et al. zur Verringerung des Lungenfibrose-Potenzials von MWCNT durch Pluronic F108-Beschichtung, dass die Beschichtung in der Lage war, MWCNT-Dispersion zu verleihen und profibrogene Effekte dieser Röhrchen in vitro und in der intakten Tierlunge zu reduzieren. Der Mechanismus dieses Effekts hat die Kapazität, Lysosomenschäden in Makrophagen und möglicherweise anderen Zelltypen zu verhindern. Der Autor schlug vor, dass PF 108-Beschichtung als sicheres Design-Ansatz für MWCNTs in biomedizinischen Bereichen wie Drug Delivery und Imaging angewendet werden könnte.

Zusammenfassend ist es zur Bewertung der Umweltauswirkungen von CNTs wichtig, sie vor dem Einsatz und nach der Exposition gegenüber verschiedenen Medien genau zu charakterisieren; die Phänomenologie an der Grenzfläche zwischen Nanomaterialien und Umwelt ist besonders kritisch für langfristige Vorhersagen. Es gibt fast keine Informationen darüber, wie ENMs mit Umweltmedien interagieren, und nur wenige Studien wurden in diesem Bereich berichtet. Es ist notwendig, das Schicksal und die Signifikanz von CNTs, die in die Umwelt freigesetzt werden, zu verstehen, um geeignete Produktdesigns, sichere Herstellungswege und effektive End-of-Life-Entsorgungsstrategien zu entwickeln.

Kritische Fakten für CNTs in der Wasseraufbereitung

Adsorbentien

CNTs sind ein beliebtes Adsorbens für die Wasseraufbereitung, aber einige Sicherheitskommentare sind notwendig. Typischerweise werden CNTs in hohen Volumen für die Adsorption von Wasserschadstoffen extrem hoher Konzentrationen benötigt. Daher ist es notwendig zu sehen, welche Arten von CNTs eingesetzt werden und wie viel verwendet wird. Verschiedene CNT-Individuen könnten unterschiedliche physikochemische Eigenschaften haben, die bewertet werden sollten. Über 50.000 verschiedene Arten von CNTs sind auf dem Markt mit unterschiedlichen Längen, Formen, Ladungen usw., die die Komplexität des Materials in der Umwelt exemplifizieren. Andererseits sind pristine CNTs selbst problematisch aufgrund ihrer generischen Verunreinigungen wie Metalle und kohlenstoffhaltige Agenten, die Nanosicherheitsfragen aufwerfen. Als Korollar haben Wissenschaftler CNTs mit verschiedenen Ansätzen gereinigt und funktionalisiert, aber eine jüngste Studie demonstriert, dass solche CNTs die Metallaufnahme und Toxizitätsniveaus auf lebenden Zellen erhöhen.

Das Adsorbieren von Wasserschadstoffen verändert die CNT-Eigenschaften wie Porengröße und -volumen, Oberflächenladung oder -energie, Stabilität, Hydrophobie und Funktionalitäten. Erstens verändert die Adsorption verschiedener organischer Wasserschadstoffe wie Huminsäure und Tanninsäure (TA) die CNT-Eigenschaften und erhöht ihre Stabilität in der Umwelt. Hyung et al. fanden stabile CNTs mit adsorbierten organischen Stoffen im Suwannee River Wasser, konsistent mit der Studie stabiler Fullerene im Sahan River, Ukraine. Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) Bilder legten nahe, dass die CNTs bei TA-Adsorption dicker wurden und zur Trennung einzelner CNTs vom Bündel führten. Ähnliche Phänomene können auch bei Surfactant-Adsorption auf CNTs gefunden werden, was die Dispergierbarkeit der Nanoröhren im Wasser ändert. Diese Studien postulieren, dass stabile CNTs transportiert und anschließend nach ihrer Freisetzung aus WWTP in aquatische Umgebungen deponiert werden können, was zur potenziellen Aufnahme von E-CNTs durch lebende Zellen führt. Zweitens könnten anorganische Metalle wie Fe, Cd, Ni, As und Hg, die auf CNTs adsorbiert sind, größere Reaktivität und Toxizität innerhalb des Partikels haben. Studien fanden, dass CNTs mit Metallionen wie Fe und Ni toxischer für lebende Zellen sind. Zudem haben biologische Adsorbentien, besonders Mikroben, das Potenzial, CNT-Oberflächeneigenschaften in WWTPs zu verändern. Zum Beispiel katalysieren einige bakterielle intrazelluläre Enzyme die Bildung von Hydroxylradikalen (•OH) oder H₂O₂ durch Redoxreaktionen, die carboxylierte (C)-CNTs produzieren. Dies konvertiert hydrophobe pristine CNTs in hydrophile, was ihre Aggregation beeinflusst und ihre Handhabung extrem schwierig macht, und die Röhrchen würden schwer im WWTP gehalten werden. Einige Enzyme haben C-CNTs abgebaut und die kurzen CNT-Fragmente transformiert, um den anschließenden Transport in der Umwelt zu erleichtern. Daher sollten die Schadstoffe (z.B. organische, anorganische und biologische) so entfernt werden, dass die CNT-Eigenschaften nicht verändert werden. Man sollte prüfen, ob das bedeckte CNT nach Adsorption geschnitten, gemahlen, geschert und zerrissen wurde oder nicht. Auf dieser Basis kann man die Eignung von CNTs zur Wiederverwendung für Schadstoffadsorption vorhersagen.

Katalysatoren für fortgeschrittene Oxidationsprozesse

Das Messen von CNT-Risiken als Katalysator-Komposite ist auf mehrere Weisen möglich. Erstens ist das Legieren von CNTs mit Metallen wie Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Hg und ihren Oxiden durch physikalische und/oder chemische Adsorption nicht stabil; es besteht die Chance, signifikante Mengen an Metallpartikeln in das Umweltmilieu freizusetzen. Zweitens hat jedes dotierte Metall seine eigenen spezifischen Eigenschaften, die die elterlichen CNT-Eigenschaften und letztlich das Gesamtverhalten des Komposits beeinflussen könnten. Zum Beispiel ist Fe beliebt, um den CNT-Katalysator für einfaches Recycling zu magnetisieren, was Hydroxylradikale erzeugen könnte, die die Zelllebensfähigkeit beeinflussen. Dies könnte Nanosicherheits-Risikobewertungsstrategien beeinflussen, und man sollte die endgültige Komposit-Biokompatibilität, Gesundheitsrisiken und Toxizitätsfragen bewerten, bevor eine Sicherheitsrichtlinie entwickelt wird. Drittens ist die Desinfektion von Mikroben mit CNT-Kompositen wichtig. CNT-Ag-TiO₂ hat direkte antimikrobielle Effekte gezeigt und wird häufig zum Aufreißen bakterieller Zellwände verwendet. Solche Behandlung könnte jedoch letal sein, da einige Bakterien, besonders Cyanobakterien, für die Freisetzung giftigerer Verbindungen, z.B. Microcystine, während der Dekontamination durch CNTs verantwortlich sein könnten. Viertens haben Photodegradation und katalytische Nassluft-Oxidation (CWAO) persistenter organischer Schadstoffe mit CNT-Metall-Katalysatoren verschiedene Abbauprodukte und/oder ihre Intermediate produziert, die giftiger sein könnten als ihre Mutterverbindungen und gesundheitsschädlich. Daher sollte man, bevor man annimmt, dass CNT-Metall-Komposite völlig sicher als Photokatalysator und katalytischer Nassluft-Oxidant zu verwenden sind, auch die Reaktivität, Toxizität und das Schicksal der abgebauten Produkte in der Umwelt im Auge behalten. Schließlich müssen Wissenschaftler elterliche CNTs von dotierten Metallen für das Recycling isolieren. Obwohl trockene oder nasse Schneidetechniken für das Schneiden und/oder Mahlen von CNT-Kompositen verfügbar sind, besteht eine signifikante Chance, Aerosole von freien kurzen CNT/Metall-Fragmenten zu erzeugen. Oberflächenwasser und Land werden die endgültigen Ziele jeder atmosphärischen Freisetzung von CNTs sein und sollten mit Vorsicht behandelt werden. Daher wird der Umgang mit CNT-Metall-Kompositen in flüssigen Medien oder die Installation von Absauganlagen während der Verarbeitung hilfreich sein.

CNT-Anwendung in der Sensorherstellung

Die Anwendung von CNTs als Elektrode für Biosensoren ist vergleichsweise sicher in der Nutzung. Es besteht wenig Chance für direkten Wasserkontakt mit der CNT-Elektrode. Allerdings können einige Risikomaßnahmen befolgt werden. Erstens werden 1D CNTs oft mit 2D NMs, besonders Graphen, für hohe Elektrokonduktivität und mechanische Flexibilität kombiniert. Solche Superstrukturen haben unterschiedliche physikochemische Eigenschaften und stellen unterschiedliche Umweltgefahren dar, die mit Vorsicht gemessen werden sollten. Zweitens sind Poly(diallyldimethylammoniumchlorid) (PDDA)-funktionalisierte CNTs sehr verbreitet in elektrochemischen Biosensoren. CNTs-PDDA ist schädlich, da der Polymer die Zelllebensfähigkeit und Hämolyse beeinflusst. Schließlich wurden Biomoleküle wie Desoxyribonukleinsäure (DNA), Aptamere, Enzyme und Proteine weitläufig auf CNTs immobilisiert zum Nachweis organischer, anorganischer und biologischer Wasserschadstoffe. Die bevorzugte Immobilisierungsmethode dieser Biomoleküle ist physikalische Adsorption statt kovalenter Modifikationen, um die Integrität der CNTs und die Konformationen der Biomoleküle zu erhalten, was zu hoher elektrischer Leitfähigkeit führt. Allerdings ist ein solches System nicht stabil und langlebig, da Biomoleküle, die aus dem System auslaugen, oft toxisch für Menschen sind. Daher sind die Qualität eines Biosensors und seine Risikoquantifizierung vollständig abhängig von den Strategien, die zur Herstellung des Endprodukts ergriffen werden.

Nutzung von CNTs in der Membranherstellung

CNTs sind beliebt als separate Membran selbst, genannt vertikal ausgerichtete (VA)-CNT-Membran. Im Gegensatz dazu könnte eine Mixed-Matrix (MM)-CNT-Membran durch Dotieren von CNTs in bestehende polymere Membranen wie Umkehrosmose (RO), Nanofiltration (NF) und Ultrafiltration (UF) für verbesserte Trennprozesse erzeugt werden. Daher klassifizieren Forscher CNT-Membranen oft als RO, NF, UF und nano-verstärkte Membranen. Dies ist nicht akzeptabel – zumindest aus nanosicherheitlicher Sicht, da CNT-Membranen anders sind als RO, NF und UF-Membranen. Laut der International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) und der International Organization for Standardization (ISO) könnte eine Membran nur auf Basis der Größe des Wasserschadstoffs klassifiziert werden, den sie abweist. Während RO- und NF-Membranen Wasser bei Diffusion reinigen, hält UF-Membran suspendierte Wasserpartikel zurück. Im Gegensatz dazu hält eine CNT-Membran sowohl gelöste Ionen als auch suspendierte Feststoffe zurück und wurde auch für Gastrennung verwendet. Während organische Polymere die Bausteine von RO, NF und UF sind; ist CNT ein Kohlenstoffallotrop. Im Vergleich zu konventionellen Membranen werden CNT-Membranen oft mit anderen Nanopartikeln wie TiO₂, Ag und Fe₃O₄ funktionalisiert, die unterschiedliche physikochemische Eigenschaften haben könnten. Als Ergebnis können konventionelle Risikobewertungen für RO, NF und UF nicht auf CNT-Membranen angewendet werden. Man sollte sowohl die konventionellen als auch die neu entstehenden Risiken, die mit CNT-Membrantechnologie verbunden sind, berücksichtigen. Daher sollten CNT-Sicherheitsrichtlinien als Membranprozess auf materialistischen und angewandten Standpunkten basieren, nicht lediglich auf der inkonsistenten Verwendung von Terminologie, die von Wissenschaftlern gegeben wird. Die Klassifizierung von CNT-Membranen sollte kritisch überprüft werden, um sie im Licht von Risikoschätzung und Regulierung zu regulieren, da es nicht möglich ist, Gesetze ohne klare Definitionen der Technologie zu erlassen.

Ingenieurtechnische Nanomaterialien

Ingenieurtechnische CNTs machen bemerkenswerte Versprechungen in der Wasseraufbereitung. Es wurde berechnet, dass etwa 1100–29.200 metrische Tonnen/Jahr ingenieurtechnische Nanomaterialien (ENMs) weltweit als Effluente aus WWTP emittiert werden. Stunden und Tage später setzen sich solche ENMs als größere Aggregate in natürlichen Wasserressourcen ab. Daher erfordert der erfolgreiche Einsatz von ENMs die Implementierung von Sicherheitsrichtlinien auf Basis ihrer neuartigen Eigenschaften wie Form, Größe, Ladung, Agglomeration usw. Die ungewöhnliche Reaktivität von ENMs ist auf ihre Oberflächen- und Quanteneffekte mit verschiedenen optoelektronischen und mechanischen Eigenschaften zurückzuführen. Solche Eigenschaften müssen aufgrund ihrer verschiedenen toxikologischen Ergebnisse verifiziert werden. Das Schicksal ingenieurtechnischer CNTs hängt von seinen Grenzflächeneigenschaften ab, wie Adsorption, Reaktivität, Adhäsion, Kohäsion und Benetzbarkeit, und wird auch durch Wasserchemie wie pH, Schadstoffgemische usw. reguliert. Ingenieurtechnische CNTs mit geeigneten Funktionalitäten fungieren als Anknüpfungspunkte, wo verschiedene natürliche Wasserbestandteile andocken können. Solche Modifikationen würden die Trennung von CNTs vom Bündel erleichtern, und einzelne CNTs werden aus WWTP auslaufen. Daher könnten kontaminierte Wassereffluente in Wasser gefunden werden, das durch CNTs behandelt wurde. Aufgrund der Materialkomplexität ist es oft schwierig, die Toxizität von CNTs zu messen. Wissenschaftler verwenden Annahmen wie „One Size Fits All“ für die Messung von Toxizitätsphänomenen dieser komplexen neuartigen Materialien. Es gibt eine Wissenslücke und einen Mangel an wissenschaftlichen Daten. Etwas Gedanke ist erforderlich, um die Toxizitätsniveaus jedes ENM präzise zu validieren und zu überprüfen. Neben Nasslaborarbeiten können wir den Einsatz einiger computergestützter Tools wie Quantitative Structure-Activity Relationship (QSAR) Modelle zur Klassifizierung der ENMs mit Konsens-Physikochemischen-Eigenschaften antizipieren. Dies wird Stakeholdern helfen, die gesamten Risiko-Hotspots zu verstehen und sie in die Lage versetzen, zu wählen, welche Kombination sicher zu verwenden wäre. Wissenschaftler können auch Schwellenwertgrenzen für jedes ENM festlegen, das in WWTPs verwendet werden soll.

One-Pot Kombinierte Technologie

Wissenschaftler bevorzugen oft die Entwicklung von „One-Pot“-Technologie, wo verschiedene Wasseraufbereitungstechnologien integriert werden, um mehrere Wasserschadstoffe in Echtzeit anzugehen. Die Verfolgung solcher Kombinationen in Bezug auf Nanosicherheit kann ein schwieriger Job sein. Nach unserem Wissen wurde noch kein Toxizitätstest einer solchen Hybridtechnologie durchgeführt, sodass man möglicherweise auf Umweltschäden testen muss. Offensichtlich sollte die Risikobewertung für jede separate Technologie mit anderen besorgt sein, damit man die Kontrollen ohne weitere Bewertung implementieren kann. Das Gesamtrisiko der „One-Pot“ kombinierten Wasseraufbereitungstechnologie kann wie folgt berechnet werden:

$$ \mathrm{Total\ risks}=\mathrm{level\ of\ risk\ appraisal\ of\ combined\ technologies}\times \mathrm{severity\ of\ their\ hazards} $$

Berufliche Expositionsrisiken von CNTs

Eine Zunahme der Anzahl und des Produktionsvolumens von Produkten, die ingenieurtechnische Nanomaterialien (ENMs) enthalten, wird jedoch zu einer größeren Freisetzung in die Umwelt während Herstellung, Nutzung, Waschen oder Entsorgung der Produkte führen. Auf einer einfachen Ebene würde Nanotechnologie wie eine sichere Industrie erscheinen, da bisher sehr wenige Probleme gemeldet wurden. Die schwerwiegendsten nachteiligen Effekte dieser ENMs könnten sich jedoch über Zeit manifestieren und Haftungen ähnlich wie asbesthaltige Produkte aufgrund ihrer allgegenwärtigen Nutzung im täglichen Leben bereitstellen. ENMs als potenzielle berufliche und umweltbezogene Gefahren können Gesundheits- und Sicherheitsbedenken aufwerfen. Wie von NIOSH berichtet, entwickelten sieben Arbeiter Hypoxämie und schwere Lungenerkrankungen nach der Arbeit mit einer chemischen Paste, die ein Gemisch undefinierter Nanopartikel (NPs) enthielt. In Bezug auf berufliches Gesundheits-Expositionsrisiko sind Daten aufgetaucht, die belegen, dass ein Arbeiter aufgrund von Atemnotsyndrom starb, während er Nickel-NPs auf Büsche für Turbinenlager mit einem Lichtbogenverfahren sprühte. Leider hat die Nanotechnologie-Industrie weitgehend geschwiegen zum Einsatz von ENMs, und Regierungsregulierer haben keine strengen Richtlinien eingeführt. Aus diesem Grund besteht die Notwendigkeit, die Toxizität von ENMs zu bewerten und ihre möglichen Vorteile oder nachteiligen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit zu verstehen.

Der Effekt von CNTs scheint mit ihrer Verabreichungs- oder Expositionsmethode korreliert zu sein. Der aktualisierte verfügbare Standard ist für Asbest vorgeschrieben, wonach der zulässige Expositionsgrenzwert (PEL) 0,1 Fasern pro Kubikzentimeter Luft über einen 8-stündigen zeitgewichteten Mittelwert (TWA) beträgt mit Ausnahmelimit (EL) von 1,0 Asbestfasern pro Kubikzentimeter über 30-min-Periode. Der Arbeitgeber muss sicherstellen, dass niemand über diesem Limit exponiert ist. Die Überwachung des Arbeitsplatzes oder der Arbeitsaktivität, um Asbestexposition auf oder über PEL oder EL für einen Arbeiter, der dem Expositionsrisiko ausgesetzt ist, zu detektieren, ist entscheidend.

Eine Reihe von Studien haben berichtet, dass die Exposition von CNTs gegenüber dem Atmungssystem zu Asthma, Bronchitis, Emphysem und Lungenkrebs führen könnte. Es ist wichtig zu beachten, dass einige Fabriken staubiger sein könnten, möglicherweise aufgrund fehlender industrieller Hygienestandards. Die Arbeit mit pulverisierten CNTs oder Gemischen, die feine CNT-Partikel enthalten, könnte ein Inhalationsrisiko darstellen. Viele experimentelle Studien zur Inhalationsexposition haben zur Bewertung der Auswirkungen von CNTs auf den Atemtrakt und zur Identifizierung von Expositionsgrenzwerten beigetragen. Längere berufliche Exposition gegenüber luftgetragenen CNT-Stoffen könnte zu schweren Läsionen in der Lunge führen, wie in Tierstudien dokumentiert.

Ergebnisse und Diskussion

Der funktionalisierte unpolare Innenraum von CNT bietet eine starke Anziehung zu polaren Wassermolekülen und weist Salz und Schadstoffe ab. Dies, begleitet von niedrigem Energieverbrauch, Antifouling- sowie Selbstreinigungsfunktion, hat CNT-Membranen zu einer außergewöhnlichen Alternative zu konventioneller Wasseraufbereitungstechnologie gemacht. Pristine CNTs bestehen oft aus verschiedenen Metallkatalysatoren, Asche und einem kohlenstoffhaltigen Agenten, die als zusätzliche Adsorption sites von CNTs für multiple Wasserschadstoffe wirken. Die Verunreinigungen sind einer der Faktoren, die zur Identifizierung der Nanoröhren-Poren-Durchmesser, Morphologie und Fähigkeit, Adsorption-Verhalten zu beeinflussen oder zu inhibieren, verwendet werden. Verunreinigungsreduktion und -entfernung ohne Beeinträchtigung der ursprünglichen Nanoröhrenintegrität ist eine der großen Herausforderungen in CNT-basierten Wasseraufbereitungsanwendungen. Mehrere Methoden wurden angewendet, um intakte CNTs zu erhalten, wie Filtration, Hochtemperatur-Glühen und repetitive Zentrifugation, aber die Methoden sind immer noch nicht in der Lage, die CNTs vollständig zu entfernen.

Neben der CNT-Reinigung ist die Manipulation der CNT-Löslichkeit im Wassersystem einer der Haupt hemmenden Faktoren in der Wasseraufbereitungstechnologie. Als Beispiel sind pristine CNTs in Wasser unlöslich aufgrund ihrer hydrophoben Graphitschicht. Um diesem Mangel entgegenzuwirken, wurde eine kovalente Modifikation angewendet, wobei ein hydrophiler Substituent durch nasschemische Behandlung eingeführt wurde. Eine andere Methode ist die nicht-kovalente Modifikation, die die Surfactant-Umhüllung ergänzt, die weit verbreitet ist, um die CNT-Löslichkeit in Wasser oder verschiedenen wässrigen Medien zu erhöhen. CNT-Kontamination in der Umwelt könnte auftreten, wenn Nanoröhren aus der Wasseraufbereitungssäule während des Betriebs austreten und direkt in umliegende Wasserressourcen fließen. Diese CNTs haben eine hohe Chance, mit verschiedenen Biomolekülen im Wassersystem zu reagieren, was möglicherweise toxische Effekte auf die umliegende aquatische Umwelt erzeugen könnte. Auch wenn CNTs effiziente Wasseraufbereitungstechnologien bieten könnten, müssen die potenziellen Umwelteffekte kritisch analysiert werden, um Risiko zu schätzen und Sicherheitsrichtlinien für den Einsatz von CNT-Materialien in Wasseraufbereitungssystemen zu entwickeln.

Schlussfolgerungen

Sicherstellung sauberer und sicherer Wassereinrichtungen, Erhalt unserer Umwelt und Vermeidung gesellschaftlicher Nanophobie sind einige der Herausforderungen, denen Wissenschaftler und die an der Nutzung von Nanomaterialien Beteiligten gegenüberstehen. Wir müssen die Konnektivität jedes Schritts in der Handhabung, Nutzung, Entsorgung und dem Schicksal von CNTs in Wasseraufbereitungstechnologien gewährleisten. Derzeit gibt es einen Mangel an Methoden und Kriterien für die genaue Messung von CNT-Risiken und -Gefahren. Es ist offensichtlich, dass ein Bedarf an soliden regulatorischen Rahmenwerken besteht, die die potenziellen Risiken der Nanotechnologie spezifisch adressieren und managen. Dieser regulatorische Rahmen sollte die Herausforderungen bei der Identifizierung und Charakterisierung der Nanomaterialform und ihrer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt adressieren. Unsere Fall-für-Fall, tiefgehende Risikobewertungsverfahren basierend auf den Struktur-Eigenschafts-Beziehungen des Nanomaterials werden helfen, CNT-Verhalten in WWTPs und ihre anschließende Freisetzung in die Umwelt zu verstehen. Mit Hilfe dieser Beziehungen kann eine universelle Sicherheitsrichtlinie entwickelt werden, um Risikoschätzungen von CNTs in zukünftigen Wasseraufbereitungsanwendungen präzise zu adressieren.

Abkürzungen

CDC:

Centre for Disease Control and Prevention

CNTs:

Kohlenstoffnanoröhren

CSIRO:

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization

CWAO:

Katalytische Nassluft-Oxidation

E-CNTs:

Umweltbezogene CNTs

EPA:

Environment Protection Agency

EU:

Europäische Union

IUPAC:

International Union of Pure and Applied Chemistry

MM:

Mixed Matrix

MWCNTs:

Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren

NM:

Nanomaterial

OECD:

Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung

PEL:

Zulässiger Expositionsgrenzwert

QSAR:

Quantitative Structure-Activity Relationship

SWCNTs:

Einwandige Kohlenstoffnanoröhren

TA:

Tanninsäure

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TWA:

Zeitgewichteter Mittelwert

WWTP:

Kläranlage