La vérité toxique sur les nanotubes de carbone dans la purification de l'eau :une vue en perspective

Contexte

Avoir accès à une eau propre et salubre est un droit humain fondamental. Malheureusement, 780 millions de personnes dans le monde, en particulier dans les pays en développement, n'ont pas accès à des installations d'eau douce [1]. Les nanotubes de carbone (CNT) sont devenus le premier nanomatériau (NM) pour la purification de l'eau. Il peut éliminer presque les trois types de polluants, à savoir les polluants organiques, inorganiques et biologiques [2]. Cela est dû à leur grande surface, à leur rapport d'aspect élevé et à leur plus grande réactivité chimique, ainsi qu'à un coût et à une énergie inférieurs. Environ 736 tonnes métriques de NTC ont été utilisées ces dernières années pour des applications énergétiques et environnementales, un nombre qui continue d'augmenter [3]. Malgré le potentiel de risque humain et environnemental, il n'y a pas d'approche systématique pour évaluer les risques associés à l'utilisation de NTC dans la purification de l'eau, une situation qui nécessite une attention urgente.

Une vaste étude de la littérature suggère que l'utilisation frivole des NTC en tant qu'adsorbants, composites ou catalyseurs, capteurs, membranes et NM techniques est la principale raison pour laquelle 6,0 et 5,5 % des NTC fuient des usines de traitement des eaux usées (STEP) et des usines d'incinération des déchets, respectivement. [3]. Alternativement, les NTC pourraient être perdus dans le sol (14,8 %) et l'air (1,4 %) à partir de la phase d'élimination, qui pourraient finalement s'échapper dans les plans d'eau douce. Les effets de ces NTC environnementaux (E-CNT) ne sont pas encore clairs [4]. Nos recherches précédentes montrent comment les E-CNT pourraient être transformés [5]. Les NTC peuvent être modifiés pour résister à la biodégradation, à l'augmentation de l'absorption cellulaire, à la réactivité et à la toxicité pour la flore et la faune terrestres, aquatiques et aériennes. Par conséquent, les perceptions sociétales peuvent être affectées et il peut y avoir une pression publique pour interdire les NTC, car ils partagent des effets pathologiques similaires à ceux de l'amiante [6]. Toutes les preuves suggèrent que le public est ignorant des NM et favorablement disposé envers les effets de latence CNT.

En effet, la durabilité économique des MN peut dépendre de pondérations de risque appropriées appliquées au secteur [7, 8] ou d'approches plus quantitatives [9]. Notre étude de la littérature concernant les aspects de sécurité des CNT a suggéré des lacunes dans les connaissances, comme résumé ci-dessous :

• Il n'y a pas de directives de sécurité universelles pour les NTC, à l'exception de l'Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO) [10].

• Alors que la manipulation des NTC en tant que « matrices solides » dans l'environnement professionnel ou lors d'une exposition primaire est prioritaire pour l'évaluation des risques, des lacunes importantes dans les connaissances ont été identifiées pour l'exposition secondaire ou les voies environnementales.

• L'estimation du risque de CNT était principalement basée sur des hypothèses antérieures avec moins d'attention accordée aux facteurs contributifs importants tels que les propriétés physico-chimiques des CNT dans les technologies de purification de l'eau.

Bien que de nombreuses organisations telles que l'Agence pour la protection de l'environnement (EPA), l'Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE), l'Union européenne (UE) et le Centre de contrôle et de prévention des maladies (CDC) aient surveillé les implications pour la sécurité environnementale des NM, ils sont encore dans une démarche « wait and see » pour les E-CNT. Compte tenu des lacunes dans les connaissances, nous postulons ici plusieurs nouvelles mesures importantes d'évaluation des risques et de contrôle pour les problèmes de sécurité des E-CNT, comme le montre la figure 1. stabilité, fonctionnalités contrôlant l'agrégation et la dispersibilité dans l'eau, ce qui pourrait affecter le devenir et le niveau de toxicité des E-CNT. Comme le montre la figure 1, des problèmes de risque spécifiques sont associés à des applications spécifiques des NTC dans la purification de l'eau. L'estimation de l'évaluation et de la gestion des risques de CNT spécifiques à l'application aidera à comprendre le scénario global et à réviser les directives de sécurité existantes sur les CNT ; ainsi, on peut assurer la nanosécurité pour les NTC.

Horloge de nanosécurité. La rotation dans le sens horaire concerne les principales mesures de risque de NTC dans la purification de l'eau. Ces risques majeurs sont détaillés dans les sections suivantes de ce document

Méthodes

Les nanotubes de carbone (CNT) sont des matériaux fibreux formés à partir de couches de réseau cristallin en nid d'abeille de graphite enveloppées dans une forme de tube soit en une seule couche, soit en plusieurs couches [11]. L'agencement et l'ordre structurels précis leur confèrent une variété de propriétés bénéfiques telles qu'un poids ultra-léger, une tension superficielle élevée et un rapport d'aspect élevé [12]. Les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) se composent de la forme cylindrique d'une seule coque de graphène, tandis que les nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) sont composés de plusieurs couches de feuilles de graphène [13, 14]. Les deux types de NTC ont été utilisés pour le dessalement direct de l'eau et l'élimination indirecte des polluants qui compliquent le processus de dessalement [15].

Il est important de comprendre que tous les NTC ne sont pas toxiques dans lesquels la modification de la forme, de la taille et de la composition modifierait la nanotoxicité des NTC [16]. Les NTC dont la longueur des fibres longues (> 20 μm) dépasse la longueur des macrophages ne peuvent pas être engloutis par les macrophages, ce qui entraîne une phagocytose inefficace, ce qui empêche leur élimination du système, provoquant des effets nocifs. En général, un certain nombre d'études ont indiqué qu'une plus grande longueur et un plus grand diamètre possèdent une plus grande toxicité que les plus petits [16]. De plus, la longueur et le diamètre des NTC qui peuvent être contrôlés lors de la synthèse des NTC sont d'autres facteurs majeurs qui déterminent le cycle de vie et la toxicité. La toxicité des différents types de NTC est résumée dans le tableau 1.

Cycle de vie et dose de libération des NTC liés aux études d'évaluation des risques

Le cycle de vie des NTC peut être classé en six étapes, comme le montre la figure 2, qui se rapporte à leur quantité de manipulation et à leur état de dispersion [17, 18]. La première étape concerne la fabrication de NTC qui est réalisée dans un four fermé sans intrusion d'oxygène; ainsi, l'exposition aux NTC est faible. Néanmoins, une exposition aux NTC peut survenir lors de la maintenance du four et de la manipulation manuelle des NTC. La deuxième étape concerne la fabrication de produits intermédiaires tels que des mélanges maîtres et des solutions dispersées de NTC. Même si l'échelle de l'équipement et la quantité de manipulation à l'étape 2 sont plus petites que la ligne de production, l'agitation dans le processus de poudre de NTC peut augmenter leur taux de libération dans l'environnement. L'abrasion mécanique (articles et tare) et le vieillissement physico-chimique (corrosion ou influence thermique) peuvent provoquer la libération de NTC. La troisième étape est la fabrication de produits au cours de laquelle la manipulation directe des NTC sera réduite en utilisant des produits contenant des NTC provisoires fabriqués au cours de la deuxième étape. Cependant, cette étape peut libérer des NTC dans l'air pendant le séchage de la solution et le durcissement de la peinture. La quatrième étape du cycle de vie des NTC est le traitement des produits dans lequel une contrainte physique ou thermique est appliquée aux produits composites, les NTC étant liés au polymère de base et la libération de NTC libres à partir de ce composite devrait être significativement faible. La cinquième étape est l'utilisation des produits CNT par les consommateurs, et enfin, la sixième étape est l'élimination ou le recyclage des produits à base de CNT [17, 18].

Cycle de vie des NTC. Le cycle de vie des NTC lié aux études d'évaluation des risques [18, 61]

Le suivi du cycle de vie du produit CNT peut éventuellement conduire à déterminer dans quelles circonstances une libération de CNT à partir des applications peut se produire. Par exemple, les NTC généralement intégrés dans la matrice polymère pour améliorer la résistance mécanique, la conductivité, etc. ne seront pas libérés. Cependant, la dégradation des polymères impliquant une photoréaction, une hydrolyse, une oxydation et une thermolyse de la matrice polymère peut libérer des NTC dans l'environnement [19]. Le taux de dégradation est influencé par les caractéristiques structurelles du polymère ainsi que par des sources externes telles que des agents physiques, chimiques et biologiques qui contrôlent les processus. De plus, Wohlleben et al. [20] étudient le cycle de vie des nanocomposites en comparant les fragments libérés et leurs dangers in vivo ultérieurs. L'auteur n'identifie aucune différence significative de toxicité pour les matériaux nanocomposites par rapport à leurs homologues traditionnels sans nanocharges dans le cadre d'une utilisation mécanique normale (par exemple, altération, phase d'utilisation normale et ponçage). Par ailleurs, Wohlleben et al. [21] ont également analysé la libération de NTC à partir de nanomatériaux associés aux pneus nano-renforcés lors de leur utilisation, que ce soit par des contraintes mécaniques ou chimiques combinées. L'auteur rapporte qu'un scénario sur route libère plus de fragments de l'usure stimulée de la bande de roulement que le scénario lavé à l'eau de surface, indiquant que seul le stress de vieillissement synergique induit des libérations importantes.

Les recherches menées par Girardello et al. [22] sur des sangsues invertébrées aquatiques (Hirudo médicinalis ) ont analysé les réponses immunitaires aiguës et chroniques sur une période courte [1, 3, 6, 12] et longue (1 à 5 semaines) d'exposition aux MWCNT. Une migration cellulaire massive s'est produite dans l'angiogenèse et la fibroplasie de sangsues exposées. De plus, la caractérisation immunocytochimique à l'aide de marqueurs spécifiques montre que les monocytes et les macrophages (CD45 ⁺ et CD68 ⁺ ) étaient les cellules les plus touchées dans ces processus inflammatoires. Ces cellules immunocompétentes ont été caractérisées par une séquence d'événements qui commence par l'expression de cytokines pro-inflammatoires (IL-18) et l'amyloïdogenèse. L'auteur confirme également que l'oxyde d'aluminium dans la solution d'exposition aux sangsues était inférieur au niveau accepté pour la santé humaine dans l'eau potable [22]. De plus, aucun métal tel que l'aluminium, le cobalt et le fer n'a été détecté dans les tissus des sangsues, comme le montre l'analyse EDS. Cette expérience montre que les réponses dans les sangsues étaient causées par le MWCNT et non par la présence d'oxyde métallique dans la solution d'exposition [22]. De plus, Muller et al. [23] ont documenté que lorsque les MWCNT ont été introduits dans la trachée des rats à une dose de 0,5, 2 et 5 mg par rat, cela a entraîné des réactions inflammatoires et fibrotiques à toutes les doses après 3 jours d'administration intra-trachéale unique. Les recherches menées par Xu et al. [24] ont découvert que 0,5 ml de MWCNT (500 μg/ml) insérés cinq fois en 9 jours dans les poumons de rats entraîne la présence de MWCNT dans les macrophages alvéolaires et les ganglions lymphatiques médiastinaux.

Les processus susmentionnés (par exemple, synthèse de NTC, production d'intermédiaires, traitement ultérieur, utilisation du produit, processus de recyclage et élimination finale) peuvent se produire à toutes les étapes du cycle de vie du produit [25]. Les NTC résiduels qui restent pendant le traitement des eaux usées peuvent former une variété de sous-produits par une réaction entre des produits chimiques et certains polluants. L'exposition chronique à ces produits chimiques par l'ingestion d'eau potable, l'inhalation et le contact cutané au cours d'activités intérieures régulières peut présenter des risques de cancer et non de cancer pour les humains [26].

Peu d'études ont étudié le devenir des NTC dans l'environnement ou leur demi-vie; il est important de déterminer si les ENM se transforment ou sont transportés entre différents supports, et si oui, sur quelles échelles de temps. Il est de plus en plus établi que la nature et le comportement des NTC peuvent changer, parfois assez radicalement, selon l'environnement qu'ils rencontrent, régi par leur physico-chimie, y compris leurs groupes fonctionnels de surface, et leur forme physique. L'influence sur l'environnement sera contrôlée par les caractéristiques émergentes des NTC et une gamme de mécanismes possibles, y compris la libération d'espèces dissoutes, la passivation, l'épuisement local des espèces ou l'absorption directe de NTC par les organismes. Par ailleurs, l'effet négatif des NTC peut être minimisé en comprenant les effets des propriétés physico-chimiques des NTC sur leur toxicité. Par exemple, une recherche menée par Wang et al. [27] sur la diminution du potentiel de fibrose pulmonaire des MWCNT grâce au revêtement pluronic F108, constate que le revêtement était capable de conférer une dispersion des MWCNT et de réduire les effets profibrogéniques de ces tubes in vitro et dans le poumon animal intact. Le mécanisme de cet effet a la capacité d'empêcher les dommages lysosomal dans les macrophages et éventuellement d'autres types de cellules. L'auteur a suggéré que le revêtement PF 108 pourrait être appliqué comme approche de conception sûre pour les MWCNT dans des domaines biomédicaux tels que l'administration de médicaments et l'imagerie [27].

En résumé, pour évaluer l'impact environnemental des NTC, il est important de les caractériser avec précision avant utilisation et après exposition aux différents supports; la phénoménologie à l'interface entre les nanomatériaux et l'environnement est particulièrement critique pour faire des prédictions à long terme. Il n'y a presque aucune information disponible sur la façon dont les ENM interagissent avec les milieux environnementaux, et seules des études de couple ont été rapportées sur le terrain. Il est nécessaire de comprendre le devenir et l'importance des NTC rejetés dans l'environnement afin de développer des conceptions de produits appropriées, des voies de fabrication sûres et des stratégies d'élimination efficaces en fin de vie.

Faits critiques pour les NTC dans les purifications d'eau

Adsorbants

Les NTC sont un adsorbant populaire pour la purification de l'eau, mais certains commentaires sur leur sécurité sont nécessaires. En règle générale, les NTC sont nécessaires en grands volumes pour adsorber les polluants de l'eau à des concentrations extrêmement élevées. Ainsi, il est nécessaire de voir quels types de CNT sont déployés et combien est utilisé. Différents individus de CNT peuvent avoir des propriétés physico-chimiques différentes auxquelles il faut accéder. Plus de 50 000 types différents de NTC sont disponibles sur le marché [28] avec différentes longueurs, formes, charges, etc. qui illustrent la complexité du matériau dans l'environnement. D'un autre côté, les NTC vierges sont eux-mêmes problématiques en raison de leurs impuretés génériques [29] telles que les métaux et les agents carbonés qui posent des problèmes de nanosécurité. En corollaire, les scientifiques ont purifié et fonctionnalisé les NTC en utilisant différentes approches [30, 31], mais une étude récente démontre que ces NTC augmentent l'absorption des métaux et les niveaux de toxicité sur les cellules vivantes [32].

L'adsorption des polluants de l'eau modifie les caractéristiques des NTC telles que la taille et le volume des pores, la charge ou l'énergie de surface, la stabilité, l'hydrophobie et les fonctionnalités [33]. Premièrement, l'adsorption de divers polluants organiques de l'eau tels que l'acide humique et l'acide tannique (AT) altère les propriétés du NTC et augmente sa stabilité dans l'environnement. Hyung et al. ont trouvé des CNT stables avec des matières organiques adsorbées dans l'eau de la rivière Suwannee [34], ce qui est cohérent avec l'étude des fullerènes stables dans la rivière Sahan, en Ukraine [35]. Les images de microscopie électronique à transmission (MET) ont suggéré que les NTC étaient épais lors de l'adsorption de TA et ont conduit à la séparation des NTC individuels du faisceau [36]. Des phénomènes similaires peuvent également être trouvés pour l'adsorption de surfactant sur les NTC, ce qui modifie la dispersibilité du nanotube dans l'eau [37]. Ces études postulent que les CNT stables peuvent être transportés et déposés par la suite après leur libération de la station d'épuration dans des environnements aqueux, conduisant ainsi à l'absorption potentielle des E-CNT par les cellules vivantes. Deuxièmement, les métaux inorganiques tels que Fe, Cd, Ni, As et Hg adsorbés sur les NTC pourraient avoir une plus grande réactivité et toxicité au sein de la particule. Des études ont montré que les NTC contenant des ions métalliques tels que Fe et Ni sont plus toxiques pour les cellules vivantes [38]. De plus, les adsorbants biologiques, en particulier les microbes, ont le potentiel de modifier les propriétés de surface des NTC dans les stations d'épuration. Par exemple, certaines enzymes intracellulaires bactériennes catalysent la formation de radicaux hydroxyles ( ^• OH) ou H₂ O₂ par des réactions redox qui produisent des (C)-CNT carboxylés [39]. Cela convertit les CNT vierges hydrophobes en hydrophiles, affectant leur agrégation et rendant leur manipulation extrêmement difficile, et les tubes seraient difficiles à maintenir dans la station d'épuration. Certaines enzymes ont dégradé les C-CNT [39, 40] et transformé les courts fragments de CNT pour faciliter leur transport ultérieur dans l'environnement. Par conséquent, les polluants (par exemple organiques, inorganiques et biologiques) doivent être éliminés de manière à ce que les propriétés des NTC ne soient pas modifiées. Il faut vérifier s'il y a des NTC recouverts après adsorption qui ont été coupés, broyés, cisaillés et arrachés ou non. Sur cette base, on peut prédire l'aptitude des NTC à être réutilisés pour l'adsorption de polluants.

Catalyseurs pour les processus d'oxydation avancés

La mesure des risques de NTC en tant que catalyseurs composites est possible de plusieurs manières. Premièrement, l'alliage des NTC utilisant des métaux tels que Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Hg et leurs oxydes par adsorptions physiques et/ou chimiques est instable; il y a une chance de libérer une quantité importante de particules métalliques dans le milieu environnemental. Deuxièmement, chaque métal dopé a ses propres propriétés spécifiques qui peuvent influencer les propriétés des CNT parentales et, finalement, le comportement global du composite. Par exemple, Fe est populaire pour magnétiser le catalyseur CNT pour faciliter le recyclage, ce qui pourrait générer des radicaux hydroxyle qui affectent la viabilité cellulaire [41]. Ceux-ci pourraient avoir un impact sur les stratégies d'évaluation des risques de nanosécurité, et il convient de prendre en compte la biocompatibilité du composite final, les risques pour la santé et les problèmes de toxicité avant d'élaborer une directive de sécurité. Troisièmement, la désinfection des microbes à l'aide du composite de CNT est importante. CNT-Ag-TiO₂ a montré des effets antimicrobiens directs et est couramment utilisé pour rompre les parois cellulaires bactériennes [42]. Cependant, un tel traitement pourrait être mortel, car quelques bactéries notamment les cyanobactéries pourraient être responsables de la libération de composés plus toxiques, à savoir les microcystines, tout en décontaminant via les NTC [2]. Quatrièmement, la photodégradation et l'oxydation catalytique à l'air humide (CWAO) des polluants organiques persistants à l'aide de catalyseurs métalliques CNT ont produit divers produits de dégradation et/ou leurs intermédiaires qui pourraient être plus toxiques que leurs composés parents et nocifs pour la santé [43]. Par conséquent, avant de supposer que les composites NTC-métal sont totalement sûrs à utiliser comme photocatalyseur et oxydant catalytique de l'air humide, il convient également de garder à l'esprit la réactivité, la toxicité et le devenir du produit dégradé dans l'environnement. Enfin, les scientifiques doivent isoler les NTC parentaux du métal dopé pour le recyclage. Bien que des techniques de coupe à sec ou humide soient disponibles pour la coupe et/ou le meulage des composites de NTC [44], il existe un risque important de créer des aérosols de fragments libres de CNT/métal courts. Les eaux de surface et les terres seront les destinations ultimes de tout rejet atmosphérique de NTC et doivent être traitées avec prudence. Par conséquent, la manipulation de composites NTC-métal dans des milieux liquides ou l'installation d'une ventilation par extraction pendant le traitement seront utiles.

Application CNT dans la fabrication de capteurs

L'utilisation des NTC comme électrode pour les biocapteurs est relativement sûre. Il y a peu de chance de contact direct de l'eau avec l'électrode CNT. Cependant, quelques mesures de risque peuvent être suivies. Premièrement, les CNT 1D sont souvent combinés avec des NM 2D, en particulier le graphène pour une électroconductivité et une flexibilité mécanique élevées. De telles superstructures ont des propriétés physico-chimiques différentes [45] et présentent des risques environnementaux différents qui doivent être mesurés avec prudence. Deuxièmement, les NTC fonctionnalisés en poly (chlorure de diallyldiméthylammonium) (PDDA) sont très courants dans les biocapteurs électrochimiques. Les NTC-PDDA sont nocifs car le polymère a influencé la viabilité cellulaire et l'hémolyse [46]. Enfin, des biomolécules telles que l'acide désoxyribonucléique (ADN), des aptamères, des enzymes et des protéines ont été largement immobilisées sur des NTC pour détecter les polluants organiques, inorganiques et biologiques de l'eau. La méthode d'immobilisation préférable de ces biomolécules est l'adsorption physique plutôt que les modifications covalentes afin de maintenir l'intégrité du NTC et les conformations de la biomolécule qui conduisent à une conductivité électrique élevée. Cependant, un tel système n'est pas stable et durable car les biomolécules lixiviées du système sont souvent toxiques pour les humains. Par conséquent, la qualité d'un biocapteur et ses quantifications de risques dépendent entièrement des stratégies adoptées pour produire le produit final.

Utilisation des NTC dans la production de membranes

Les NTC sont populaires en tant que membrane séparée elle-même appelée membrane alignée verticalement (VA)-CNT. En revanche, une membrane à matrice mixte (MM)-CNT pourrait être générée en dopant des CNT dans les membranes polymères existantes telles que l'osmose inverse (RO), la nanofiltration (NF) et l'ultrafiltration (UF) pour le processus de séparation amélioré. Par conséquent, les chercheurs classent souvent les membranes CNT en membranes RO, NF, UF et nano-améliorées [47]. Ce n'est pas acceptable, du moins du point de vue de la nanosécurité puisque la membrane CNT est différente des membranes RO, NF et UF. Selon l'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA) et l'Organisation internationale de normalisation (ISO), une membrane ne peut être classée qu'en fonction de la taille du polluant de l'eau qu'elle rejette [48, 49]. Alors que les membranes RO et NF purifient l'eau lors de la diffusion, la membrane UF retient les particules d'eau en suspension. En revanche, une membrane CNT contient à la fois des ions dissous et des solides en suspension et a également été utilisée pour la séparation des gaz [50]. Alors que les polymères organiques sont les éléments constitutifs de RO, NF et UF; Le CNT est un allotrope du carbone. Par rapport aux membranes conventionnelles, les membranes NTC sont souvent fonctionnalisées avec d'autres nanoparticules telles que TiO₂ , Ag et Fe₃ O₄ qui peuvent avoir des propriétés physico-chimiques différentes. En conséquence, les évaluations de risques conventionnelles pour RO, NF et UF ne peuvent pas être appliquées à la membrane CNT. Il faut tenir compte à la fois des risques conventionnels et des risques émergents associés à la technologie des membranes CNT. Par conséquent, les directives de sécurité des CNT en tant que processus membranaire devraient être basées sur des points de vue matérialistes et appliqués et non simplement sur l'utilisation incohérente de la terminologie donnée par les scientifiques. La classification des membranes CNT doit être revue de manière critique afin de les réguler à la lumière de l'estimation des risques et des réglementations car il n'est pas possible d'adopter des lois sans des définitions claires de la technologie.

Nanomatériaux d'ingénierie

Les NTC conçus font des promesses remarquables dans la purification de l'eau [51]. Il a été calculé qu'environ 1 100 à 29 200 tonnes métriques/an de nanomatériaux manufacturés (ENM) sont émis par les STEP sous forme d'effluents dans le monde [52]. Des heures et des jours plus tard, ces ENM s'installent sous la forme d'agrégats plus importants dans les ressources en eau naturelles. Par conséquent, l'utilisation réussie des ENM nécessite la mise en œuvre de directives de sécurité [53] sur la base de ses nouvelles propriétés telles que la forme, la taille, la charge, l'agglomération, etc. La réactivité inhabituelle des ENM est due à leurs effets de surface et quantiques avec différentes propriétés optoélectroniques et mécaniques [54]. Ces propriétés doivent être vérifiées en raison de leurs divers résultats toxicologiques. Le devenir des NTC modifiés dépend de ses propriétés interfaciales, telles que l'adsorption, la réactivité, l'adhérence, la cohésion et la mouillabilité, et également régulé par la chimie de l'eau telle que le pH, les mélanges de polluants, etc. Les NTC conçus avec des fonctionnalités appropriées agissent comme un point d'attache où différents constituants naturels de l'eau peuvent s'ancrer. Une telle modification faciliterait la séparation des NTC du faisceau, et des NTC individuels s'échapperont de la station d'épuration. Ainsi, des effluents d'eaux contaminées pourraient être retrouvés dans les eaux traitées par les NTC. En raison de la complexité des matériaux, il est souvent difficile de mesurer la toxicité des NTC. Les scientifiques utilisent des hypothèses telles que « One Size Fit All » pour mesurer les phénomènes de toxicité de ces nouveaux matériaux complexes. Il y a un manque de connaissances et un manque de données scientifiques. Une réflexion est nécessaire pour valider et vérifier précisément les niveaux de toxicité de chaque ENM. Outre les travaux en laboratoire humide, nous pouvons anticiper l'utilisation de certains outils de calcul tels que les modèles de relations quantitatives structure-activité (QSAR) pour classer les ENM avec des propriétés physico-chimiques consensuelles. Cela aidera les parties prenantes à comprendre les points chauds du risque global et leur permettra de choisir quelle combinaison serait sûre à utiliser. Les scientifiques peuvent également encadrer les limites de seuil pour chaque ENM à utiliser dans les STEP.

Technologie combinée à un pot

Les scientifiques préfèrent souvent développer la technologie « One-Pot » où différentes technologies de purification de l'eau seront intégrées pour lutter contre plusieurs polluants de l'eau en temps réel [5]. Le suivi de telles combinaisons en termes de nanosécurité peut être un travail difficile. À notre connaissance, aucun test de toxicité d'une telle technologie hybride n'a encore été effectué, de sorte qu'il pourrait être nécessaire de tester tout dommage environnemental. De toute évidence, l'évaluation des risques pour chaque technologie distincte doit être concernée par les autres afin que l'on puisse mettre en œuvre les contrôles sans autre évaluation. Le risque total de la technologie de purification d'eau combinée « One-Pot » peut être calculé comme suit :

Risques d'exposition professionnelle aux NTC

Cependant, une augmentation du nombre et du volume de production de produits contenant des nanomatériaux manufacturés (ENM) entraînera un rejet plus important dans l'environnement lors de la fabrication, de l'utilisation, du lavage ou de l'élimination des produits [55]. À un niveau simple, la nanotechnologie semblerait être une industrie sûre puisque très peu de problèmes ont été signalés à ce jour. Cependant, les effets les plus néfastes de ces ENM peuvent devenir apparents au fil du temps et entraîner des responsabilités similaires à celles des produits contenant de l'amiante en raison de leur utilisation omniprésente dans la vie quotidienne. Les ENM en tant que risques professionnels et environnementaux potentiels peuvent soulever des problèmes de santé et de sécurité [56]. Tel que rapporté par le NIOSH, sept travailleurs ont développé une hypoxémie et une maladie pulmonaire grave après avoir travaillé avec une pâte chimique comprenant un mélange de nanoparticules indéfinies (NP). En termes de risque d'exposition pour la santé au travail, des données ont émergé, fournissant des preuves qu'un travailleur est décédé des suites d'un syndrome de détresse respiratoire alors qu'il pulvérisait des NP de nickel sur les bagues des roulements de turbine à l'aide d'un procédé à l'arc métallique. Malheureusement, l'industrie des nanotechnologies est restée largement silencieuse sur l'utilisation des ENM, et les régulateurs gouvernementaux n'ont pas introduit de directives strictes. Pour cette raison, il est nécessaire d'évaluer la toxicité des ENM et de comprendre leurs avantages ou effets indésirables possibles sur la santé humaine.

L'effet des NTC semble être corrélé à leur mode d'administration ou d'exposition [16]. La norme disponible mise à jour est prescrite pour l'amiante, la limite d'exposition admissible (PEL) étant de 0,1 fibre par centimètre cube d'air sur une moyenne pondérée dans le temps (TWA) de 8 heures avec une limite d'excursion (LE) de 1,0 fibre d'amiante par centimètre cube sur Période de 30 minutes. L'employeur doit s'assurer que personne n'est exposé au-dessus de cette limite. Il est crucial de surveiller le lieu de travail ou l'activité professionnelle pour détecter une exposition à l'amiante égale ou supérieure à PEL ou EL pour un travailleur à risque d'exposition [43].

Un certain nombre d'études ont rapporté que l'exposition des NTC au système respiratoire pourrait entraîner de l'asthme, une bronchite, un emphysème et un cancer du poumon. Il est important de noter que certaines usines sont plus poussiéreuses peut-être en raison du manque de normes d'hygiène industrielle [4]. Travailler avec des NTC pulvérisés ou des mélanges contenant de fines particules de NTC peut présenter un risque d'inhalation. De nombreuses études expérimentales menées sur l'exposition par inhalation ont contribué à l'évaluation des effets des NTC sur les voies respiratoires et à l'identification des limites d'exposition. Une exposition professionnelle prolongée aux NTC en suspension dans l'air pourrait entraîner de graves lésions dans les poumons, comme le montrent les études sur les animaux [4].

Résultats et discussion

La maison intérieure non polaire fonctionnalisée des CNT offre une forte attraction pour les molécules d'eau polaires et rejette le sel et les polluants. Ceci, accompagné d'une faible consommation d'énergie, d'une fonction antifouling ainsi que d'une fonction autonettoyante a fait des membranes CNT une alternative extraordinaire à la technologie conventionnelle de traitement de l'eau [47]. Les NTC vierges sont souvent constitués de divers catalyseurs métalliques, de cendres et d'un agent carboné qui agissent comme site adsorbant supplémentaire des NTC pour de multiples polluants de l'eau. Les impuretés sont l'un des facteurs utilisés pour identifier le diamètre des pores des nanotubes, leur morphologie et leur capacité à influencer ou à inhiber les comportements d'adsorption [57]. La réduction et l'élimination des impuretés sans affecter l'intégrité du nanotube d'origine est l'un des principaux défis des applications de purification d'eau à base de NTC [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.

Conclusions

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.

Abréviations

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

SWCNT :

Single-wall carbon nanotubes

TA:

Tannic acid

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TWA:

Time-weighted average

WWTP:

Waste water treatment plant