Nanotubes de carbone dans la purification de l'eau : Évaluation de la sécurité, risques et durabilité

Contexte

L'accès à l'eau propre et sûre est un droit humain fondamental. Malheureusement, 780 millions de personnes dans le monde, surtout dans les pays en développement, n'ont pas accès à des installations d'eau douce. Les nanotubes de carbone (CNT) ont émergé comme le nanomatériau (NM) principal pour la purification de l'eau. Ils peuvent éliminer presque les trois types de polluants : organiques, inorganiques et biologiques. Ceci est dû à leur grande surface spécifique, haut rapport d'aspect et plus grande réactivité chimique avec coût et énergie inférieurs. Environ 736 tonnes métriques de CNT ont été utilisées ces dernières années pour applications énergétiques et environnementales, un nombre qui continue d'augmenter. Malgré le potentiel pour risques humains et environnementaux, il n'y a pas d'approche systématique pour évaluer les risques associés à l'emploi des CNT dans la purification de l'eau, une situation qui requiert une attention urgente.

Une ample étude de littérature suggère que l'utilisation futile des CNT comme adsorbants, composites ou catalyseurs, capteurs, membranes et NMs conçus est la raison principale que 6,0 et 5,5% des CNT fuient des stations de traitement des eaux usées (STEU) et usines d'incinération de déchets, respectivement. Alternativement, les CNT pourraient être perdus vers le sol (14,8%) et l'air (1,4%) de la phase d'élimination, ce qui pourrait ultimement s'échapper vers les corps d'eau douce. Les effets de ces CNT environnementaux (E-CNT) ne sont pas encore clairs. Notre recherche précédente montre comment les E-CNT pourraient être transformés. Les CNT peuvent être modifiés pour résister à la biodégradation, augmenter la prise cellulaire, réactivité et toxicité pour la flore et faune terrestre, aquatique et aérienne. Conséquemment, les perceptions sociétales peuvent être affectées négativement et il peut y avoir pression publique pour interdire les CNT, car ils partagent des effets pathologiques similaires à l'amiante. Toutes les preuves suggèrent que le public est ignorant des NMs et positivement disposé vers les effets de latence des CNT.

En effet, la durabilité économique des NMs peut dépendre de pondérations de risque appropriées appliquées au secteur ou d'approches plus quantitatives. Notre étude de littérature concernant les aspects de sécurité CNT a suggéré des lacunes de connaissance résumées ci-dessous :

• Il y a une absence de directives universelles de sécurité pour les CNT excepté pour l'Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth (CSIRO).

• Alors que la manipulation des CNT comme « matrices solides » dans l'environnement professionnel ou dans l'exposition primaire reçoit la priorité pour l'évaluation des risques, d'importantes lacunes de connaissance ont été identifiées pour l'exposition secondaire ou les voies environnementales.

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

Bien que de nombreuses organisations comme l'Agence de 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) surveillent les implications de sécurité environnementale des NMs, elles sont encore dans une approche « attendre et voir » pour les E-CNT. Données les lacunes de connaissance, ici, nous postulons plusieurs mesures importantes et novatrices d'évaluation et contrôle des risques pour les problèmes de sécurité E-CNT comme montré Fig. 1. Nous insistons sur les propriétés physico-chimiques des CNT telles que taille, forme, diamètre, masse, rapport d'aspect, charge, stabilité, fonctionnalités contrôlant l'agrégation et la dispersibilité dans l'eau, qui pourraient affecter le destin et le niveau de toxicité des E-CNT. Comme montré Fig. 1, des préoccupations de risque spécifiques sont associées à des applications spécifiques des CNT dans la purification de l'eau. Estimer l'appréciation et la gestion des risques CNT spécifiques à l'application aidera à comprendre le scénario global et réviser les directives de sécurité CNT existantes ; ainsi, on peut assurer la nanosécurité pour les CNT.

Horloge nanosécurité. Rotation horaire concerne les mesures majeures de risque CNT dans la purification de l'eau. Ces risques majeurs sont détaillés dans les sections subséquentes de cet article

Méthodes

Les nanotubes de carbone (CNT) sont des matériaux fibreux formés de couches de réseau cristallin en nid d'abeille de graphite enroulées en forme de tube soit comme une seule couche ou comme couches multiples. L'arrangement structural précis et l'ordre leur donnent une variété de propriétés bénéfiques telles qu'ultra-léger, haute tension de surface et haut rapport d'aspect. Les nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) consistent en la forme cylindrique d'une seule coquille de graphène alors que les nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) sont composés de multiples couches de feuilles de graphène. Les deux types de CNT ont été utilisés pour la désalinisation directe de l'eau et l'élimination indirecte de polluants qui compliquent le processus de désalinisation.

Il est important de comprendre que tous les CNT ne sont pas toxiques ; modifier la forme, taille et composition modifierait la nanotoxicité des CNT. Les CNT avec longueur de fibres longues (> 20 µm) qui dépasse la longueur des macrophages ne peuvent pas être engloutis par les macrophages menant à une phagocytose inefficace, et ceci empêche leur élimination du système, causant des effets nocifs. Généralement, un nombre d'études ont indiqué que une longueur plus longue et un diamètre plus large possèdent une toxicité plus grande que les plus petits. De plus, la longueur et le diamètre des CNT qui peuvent être contrôlés pendant la synthèse des CNT sont d'autres facteurs majeurs qui déterminent le cycle de vie et la toxicité. La toxicité de différents types de CNT est résumée dans le Tableau 1.

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

Le cycle de vie des CNT peut être catégorisé en six étapes comme montré Fig. 2 qui se rapporte à leur quantité de manipulation et état de dispersion. La première étape implique la fabrication des CNT conduite dans un fourneau fermé sans intrusion d'oxygène ; ainsi, l'exposition aux CNT est faible. Néanmoins, l'exposition aux CNT peut survenir pendant la maintenance du fourneau et la manipulation manuelle des CNT. La deuxième étape implique la fabrication de produits intermédiaires tels que masterbatches et solutions dispersées en CNT. Même si l'échelle d'équipement et la quantité de manipulation à l'étape 2 sont plus petites que la ligne de production mais l'agitation dans le processus de poudre CNT peut augmenter leur taux de libération dans l'environnement. L'abrasion mécanique (usure) et le vieillissement physicochimique (corrosion ou influence thermique) peuvent causer la libération de CNT. La troisième étape est la fabrication de produits où il y aura une manipulation directe réduite des CNT en utilisant des produits intermédiaires contenant des CNT fabriqués pendant la deuxième étape. Cependant, cette étape peut libérer certains CNT dans l'air pendant le séchage de solution et le durcissement de peinture. La quatrième étape du cycle de vie des CNT est le traitement de produits dans lequel un stress physique ou thermique est appliqué aux produits composites où les CNT sont liés au polymère de base et la libération de CNT libres de tel composite est attendue significativement faible. La cinquième étape est l'utilisation de produits CNT par les consommateurs, et finalement, la sixième étape est l'élimination ou le recyclage des produits basés sur CNT.

Cycle de vie CNT. Le cycle de vie des CNT lié aux études d'évaluation des risques

Suivre le cycle de vie du produit CNT peut possiblement mener à déterminer dans quelles circonstances une libération de CNT des applications peut survenir. Par exemple, les CNT généralement embarqués dans la matrice polymère pour améliorer la résistance mécanique, conductivité, etc. ne seront pas libérés. Cependant, la dégradation du polymère impliquant photoreaction, hydrolyse, oxydation et thermolyse de la matrice polymère peut libérer des CNT dans l'environnement. Le taux de dégradation est influencé par les caractéristiques structurales du polymère ainsi que les sources externes telles agents physiques, chimiques et biologiques qui contrôlent les processus. De plus, Wohlleben et al. investiguent le cycle de vie des nanocomposites en comparant fragments libérés et leurs dangers in vivo subséquents. L'auteur identifie pas de différence significative de toxicité pour matériaux nanocomposites en comparaison à leurs homologues traditionnels sans nanofillers sous utilisation mécanique normale (ex. vieillissement, phase d'utilisation normale et ponçage). En plus, Wohlleben et al. ont aussi analysé la libération de CNT des nanomatériaux associés aux pneus nano-renforcés pendant leur utilisation, soit par stress mécanique ou chimique combiné. L'auteur rapporte qu'un scénario sur route libère plus de fragments depuis l'usure de bande de roulement stimulée que le scénario lavé vers eau de surface, indiquant que seul le stress de vieillissement synergique induit des libérations significatives.

La recherche conduite par Girardello et al. sur invertébrés aquatiques sangsues (Hirudo medicinalis) a 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 fibroplasie de la sangsue exposée. De plus, la caractérisation immunocytochimique utilisant marqueurs spécifiques montre que les monocytes et macrophages (CD45⁺ et CD68⁺) étaient les cellules les plus affectées dans ces processus inflammatoires. Ces cellules immunocompétentes étaient caractérisées par une séquence d'événements qui commence avec l'expression de cytokines pro-inflammatoires (IL-18) et l'amyloïdogenèse. L'auteur confirme aussi que l'oxyde d'aluminium dans la solution d'exposition de sangsue était plus bas que le niveau accepté pour la santé humaine dans l'eau potable. De plus, aucun métal tel que aluminium, cobalt et fer n'étaient détectés dans les tissus de sangsue comme montré par analyse EDS. Cette expérience trouve que les réponses dans les sangsues étaient causées par les MWCNT et non par la présence d'oxyde métallique dans la solution d'exposition. De plus, Muller et al. ont documenté que quand des MWCNT étaient introduits dans les trachées de rats à un dosage de 0,5, 2 et 5 mg par rat, cela résultait en réactions inflammatoires et fibrotique à toutes doses après 3 jours d'administration intra-trachéale unique. La recherche conduite par Xu et al. a trouvé que 0,5 ml de MWCNTs (500 µg/ml) insérés cinq fois sur 9 jours dans les poumons de rats résultait en la présence de MWCNTs dans macrophages alvéolaires et ganglions lymphatiques médiastinaux.

Les processus susmentionnés (ex. synthèse CNT, production d'intermédiaires, traitement ultérieur, utilisation produit, processus recyclage et élimination finale) peuvent survenir à tous les stades du cycle de vie du produit. Les CNT résiduels qui restent pendant le traitement des eaux usées peuvent former une variété de sous-produits par réaction entre chimique et certains polluants. L'exposition chronique à ces chimiques par ingestion d'eau potable, inhalation et contact cutané pendant activités intérieures régulières peut poser des risques cancérigènes et non-cancérigènes aux humains.

Peu d'études ont investigué le destin des CNT dans l'environnement ou leur demi-vie ; il est important de considérer si les ENMs se transforment ou sont transportés entre différents milieux, et si oui, sur quelles échelles de temps. Il devient bien établi que la nature et le comportement des CNT peuvent altérer, parfois assez radicalement, dépendant de l'environnement qu'ils rencontrent, gouverné par leur chimie physique, incluant leurs groupes fonctionnels de surface, et forme physique. L'influence sur l'environnement sera contrôlée par les caractéristiques émergentes des CNT et une gamme de mécanismes possibles, incluant la libération d'espèces dissoutes, passivation, déplétion locale d'espèces, ou prise directe de CNT par organismes. En plus, l'effet négatif des CNT peut être minimisé en comprenant les effets des propriétés physico-chimiques des CNT sur leur toxicité. Par exemple, une recherche conduite par Wang et al. sur la diminution du potentiel de fibrose pulmonaire des MWCNT par revêtement pluronic F108 trouve que le revêtement était capable de conférer la dispersion des MWCNT et réduire les effets profibrogéniques de ces tubes in vitro et dans le poumon animal intact. Le mécanisme de cet effet a la capacité de prévenir le dommage lysosomal dans les macrophages et possiblement autres types cellulaires. L'auteur a suggéré que le revêtement PF 108 pourrait être appliqué comme approche de design sûr pour MWCNTs dans domaines biomédicaux tels que administration de médicaments et imagerie.

En résumé, pour évaluer l'impact environnemental des CNTs, il est important de les caractériser avec précision avant utilisation et après exposition à différents médias ; la phénoménologie à l'interface entre les nanomatériaux et l'environnement est surtout critique pour faire des prédictions à long terme. Il y a presque aucune information disponible sur comment les ENMs interagissent avec les médias environnementaux, et seulement quelques études ont été rapportées dans le domaine. Il est nécessaire de comprendre le destin et la signification des CNTs libérés dans l'environnement afin de développer des designs de produits appropriés, routes de fabrication sûres, et stratégies d'élimination de fin de vie efficaces.

Faits critiques pour les CNTs dans les purifications d'eau

Adsorbants

Les CNTs sont un adsorbant populaire pour les purifications d'eau, mais un commentaire sur leur sécurité est nécessaire. Typiquement, les CNTs sont requis en hauts volumes pour adsorber les polluants d'eau de concentrations extrêmement hautes. Ainsi, il est nécessaire de voir quels types de CNTs sont déployés et combien est utilisé. Différents individus CNTs pourraient avoir différentes propriétés physico-chimiques qui devraient être accédées. Plus de 50 000 types différents de CNTs sont disponibles sur le marché avec différentes longueurs, formes, charges etc. qui exemplifient la complexité du matériau dans l'environnement. D'autre part, les CNTs purs sont eux-mêmes problématiques à cause de leurs impuretés génériques telles que métaux et agents carbonés qui posent des problèmes de nanosécurité. En corollaire, les scientifiques ont purifié et fonctionnalisé les CNTs en utilisant différentes approches, mais une étude récente démontre que de tels CNTs augmentent la prise de métal et les niveaux de toxicité sur cellules vivantes.

L'adsorption de polluants d'eau change les caractéristiques des CNTs telles que taille et volume des pores, charge ou énergie de surface, stabilité, hydrophobicité et fonctionnalités. Premièrement, l'adsorption de divers polluants organiques d'eau tels que l'acide humique et l'acide tannique (TA) altère les propriétés des CNTs et augmente sa stabilité dans l'environnement. Hyung et al. ont trouvé des CNTs stables avec matières organiques adsorbées dans l'eau de la rivière Suwannee, consistant avec l'étude de fullerènes stables dans la rivière Sahan, Ukraine. Images de microscopie électronique en transmission (MET) suggéraient que les CNTs étaient épais en tailles sur adsorption de TA et menaient à la séparation de CNT individuels du faisceau. Phénomènes similaires peuvent aussi être trouvés pour l'adsorption de surfactant sur les CNTs, qui change la dispersibilité des nanotubes dans l'eau. Ces études postulent que des CNTs stables peuvent être transportés et subséquemment déposés après leur libération des STEU dans environnements aqueux, menant ainsi à la prise potentielle d'E-CNTs par cellules vivantes. Deuxièmement, les métaux inorganiques tels que Fe, Cd, Ni, As et Hg adsorbés sur les CNTs pourraient avoir une réactivité et toxicité plus grande dans la particule. Des études ont trouvé que les CNTs avec ions métalliques tels que Fe et Ni sont plus toxiques pour cellules vivantes. De plus, les adsorbants biologiques, surtout microbes, ont le potentiel de changer les propriétés de surface des CNTs dans les STEU. Par exemple, certaines enzymes intracellulaires bactériennes catalysent la formation de radical hydroxyle (•OH) ou H₂O₂ par réactions redox qui produisent des CNTs carboxylés (C-CNTs). Ceci convertit les CNTs purs hydrophobes en hydrophiles, affectant leur agrégation et rendant leur manipulation extrêmement difficile, et les tubes seraient difficiles à retenir dans les STEU. Certaines enzymes ont dégradé les C-CNTs et transformé les fragments courts de CNTs pour faciliter le transport subséquent dans l'environnement. Par conséquent, les polluants (ex. organiques, inorganiques et biologiques) devraient être éliminés de telle façon que les propriétés des CNTs ne seraient pas changées. On devrait vérifier si les CNTs après adsorption ont été coupés, broyés, cisailés et déchirés ou non. Sur cette base, on peut prédire la convenance des CNTs à réutiliser pour l'adsorption de polluants.

Catalyseurs pour procédés d'oxydation avancés

Mesurer les risques des CNTs comme composites catalyseurs est possible de multiples façons. Premièrement, l'alliage des CNTs 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 adsorption physique et/ou chimique n'est pas stable ; il y a une chance de libérer une quantité significative de particules métalliques dans le milieu environnemental. Deuxièmement, chaque métal dopé a ses propres propriétés spécifiques qui pourraient influencer les propriétés du CNT parental et ultimement le comportement global du composite. Par exemple, Fe est populaire pour magnétiser le catalyseur CNT pour facilité de recyclage, ce qui pourrait générer des radicaux hydroxyles qui affectent la viabilité cellulaire. Ceci pourrait impacter les stratégies d'évaluation des risques nanosécurité, et on devrait compter la biocompatibilité, risques sanitaires et problèmes de toxicité du composite final avant de développer une directive de sécurité. Troisièmement, la désinfection de microbes en utilisant le composite CNT est importante. CNT-Ag-TiO₂ a montré des effets antimicrobiens directs et est populairement utilisé pour rompre les parois cellulaires bactériennes. Cependant, un tel traitement pourrait être létal, puisque quelques bactéries surtout Cyanobactéries pourraient être responsables pour libérer plus de composés toxiques, ex. microcystines, pendant la décontamination par les CNTs. Quatrièmement, la photodégradation et l'oxydation catalytique à air humide (CWAO) de polluants organiques persistants utilisant catalyseurs CNT-métal ont produit divers produits de dégradation et/ou leurs intermédiaires qui pourraient être plus toxiques que leurs composés parents et nocifs pour la santé. Par conséquent, avant d'assumer que les composites CNT-métal sont complètement sûrs à utiliser comme photocatalyseur et oxydant catalytique air-humide, on devrait aussi garder à l'esprit la réactivité, toxicité et destin dans l'environnement du produit dégradé. Finalement, les scientifiques ont besoin d'isoler les CNTs parentaux du métal dopé pour recyclage. Bien que techniques de coupe sèche ou humide soient disponibles pour couper et/ou broyer les composites CNT, il y a une chance significative de créer des aérosols de fragments courts CNT/métal libres. Eaux de surface et terres seront les destinations ultimes de toute libération atmosphérique de CNTs et devraient être traitées avec prudence. Par conséquent, manipuler les composites CNT-métal en milieux liquides ou installer ventilation d'extraction pendant le traitement sera utile.

Application des CNTs dans la fabrication de capteurs

L'application des CNTs comme électrode pour biosenseurs est comparablement sûre à utiliser. Il y a peu de chance de contact direct d'eau avec l'électrode CNT. Cependant, quelques mesures de risque peuvent être suivies. Premièrement, les CNTs 1D sont souvent combinés avec des NMs 2D, surtout graphène pour haute électroconductivité et flexibilité mécanique. De telles superstructures ont différentes propriétés physico-chimiques et posent différents dangers environnementaux qui devraient être mesurés avec prudence. Deuxièmement, les CNTs poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDDA)-fonctionnalisés sont très communs dans les biosenseurs électrochimiques. CNTs-PDDA est nocif depuis que le polymère a influencé la viabilité cellulaire et l'hémolyse. Finalement, les biomolécules telles que l'acide désoxyribonucléique (ADN), aptamères, enzymes et protéines ont été largement immobilisées sur les CNTs pour détecter les polluants d'eau organiques, inorganiques et biologiques. La méthode d'immobilisation préférable de ces biomolécules est l'adsorption physique plutôt que modifications covalentes afin de maintenir l'intégrité des CNTs et les conformations des biomolécules qui mènent à haute conductivité électrique. Cependant, un tel système n'est pas stable et durable puisque les biomolécules lixiviées du système sont souvent toxiques pour les humains. Par conséquent, la qualité d'un biosenseur et ses quantifications de risque sont complètement dépendantes des stratégies prises pour produire le produit final.

Utilisation des CNTs dans la production de membranes

Les CNTs sont populaires comme membrane séparée elle-même appelée membrane CNT alignée verticalement (VA). En contraste, une membrane CNT à matrice mixte (MM) pourrait être générée en dopant des CNTs dans les membranes polymériques existantes telles que l'osmose inverse (OI), nanofiltration (NF) et ultrafiltration (UF) pour le processus de séparation amélioré. Par conséquent, les chercheurs classent souvent la membrane CNT comme OI, NF, UF et membranes nano-améliorées. Ceci n'est pas acceptable — au moins d'un point de vue nanosécurité puisque la membrane CNT est différente des membranes OI, NF et UF. Selon l'Union internationale de chimie pure et appliquée (IUPAC) et l'Organisation internationale de normalisation (ISO), une membrane pourrait seulement être classée sur la base de la taille du polluant d'eau qu'elles rejettent. Tandis que les membranes OI et NF purifient l'eau à diffusion, la membrane UF retient les particules d'eau en suspension. En contraste, une membrane CNT retient à la fois ions dissous et solides en suspension et a aussi été utilisée pour séparation de gaz. Tandis que les polymères organiques sont les blocs de construction des OI, NF et UF ; le CNT est un allotrope de carbone. Comparées aux membranes conventionnelles, les membranes CNT sont souvent fonctionnalisées avec d'autres nanoparticules telles que TiO₂, Ag et Fe₃O₄ qui pourraient avoir différentes propriétés physico-chimiques. En résultat, les évaluations de risque conventionnelles pour OI, NF et UF ne peuvent pas être appliquées à la membrane CNT. On devrait considérer à la fois les risques conventionnels et nouvellement émergents associés à la technologie de membrane CNT. Par conséquent, les directives de sécurité CNT comme processus de membrane devraient être basées sur des points de vue matérialistes et appliqués non pas simplement basés sur l'utilisation incohérente de terminologie donnée par les scientifiques. La classification de la membrane CNT devrait être revue critique afin de les réguler à la lumière de l'estimation des risques et régulations car il n'est pas possible d'édicter des lois sans définitions claires de la technologie.

Nanomatériaux conçus

Les CNTs conçus font des promesses remarquables dans les purifications d'eau. Il a été calculé qu'environ 1100–29 200 tonnes métriques/an de nanomatériaux conçus (ENMs) sont émis des STEU comme effluents mondialement. Des heures et jours plus tard, de tels ENMs se déposent comme agrégations plus grandes dans les ressources en eau naturelles. Par conséquent, l'utilisation réussie des ENMs requiert l'implémentation de directives de sécurité sur la base de ses propriétés novatrices telles que forme, taille, charge, agglomération etc. La réactivité inhabituelle des ENMs est due à leurs effets de surface et quantiques avec différentes propriétés optoélectroniques et mécaniques. De telles propriétés ont besoin d'être vérifiées à cause de leurs divers résultats toxicologiques. Le destin des CNTs conçus dépend de ses propriétés interfaciales, telles que adsorption, réactivité, adhésion, cohésion et mouillabilité, et aussi régulée par la chimie de l'eau telle que pH, mélanges de polluants etc. Les CNTs conçus avec fonctionnalités appropriées agissent comme points d'attache où différents constituants d'eau naturelle peuvent ancrer. Une telle modification faciliterait la séparation des CNTs du faisceau, et des CNTs individuels fuiront hors des STEU. Par conséquent, des effluents d'eau contaminés pourraient être trouvés dans l'eau traitée par les CNTs. À cause de la complexité du matériau, il est souvent difficile de mesurer la toxicité des CNTs. Les scientifiques utilisent des hypothèses telles que « Une Taille Convient À Tous » pour mesurer les phénomènes de toxicité de ces matériaux complexes novateurs. Il y a un écart de connaissance et une pénurie de données scientifiques. Une certaine réflexion est requise pour valider et vérifier les niveaux de toxicité de chaque ENM précisément. En plus des travaux de laboratoire humide, nous pouvons anticiper l'utilisation d'outils computationnels tels que modèles de relation quantitative structure-activité (QSAR) pour classifier les ENMs avec propriétés physico-chimiques de consensus. Cela aidera les parties prenantes à comprendre les points chauds de risque globaux et leur permettre de choisir quelle combinaison serait sûre à utiliser. Les scientifiques peuvent aussi définir des limites seuils pour chaque ENM à utiliser dans les STEU.

Technologie combinée one-pot

Les scientifiques préfèrent souvent développer une technologie « one-pot » où différentes technologies de purification d'eau seront intégrées pour s'attaquer à multiples polluants d'eau en temps réel. Le suivi de telles combinaisons en termes de nanosécurité peut être un travail difficile. À notre connaissance, aucun test de toxicité de telle technologie hybride n'a encore été fait, donc on pourrait avoir besoin de tester pour tout dommage environnemental. Évidemment, l'évaluation des risques pour chaque technologie séparée devrait être concernée avec les autres pour qu'on puisse implémenter les contrôles sans évaluation supplémentaire. Le risque total de la technologie combinée one-pot de purification d'eau peut être calculé comme suit :

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

Risques d'exposition professionnelle aux CNTs

Une augmentation du nombre et volume de production de produits contenant des nanomatériaux conçus (ENMs) mènera à une libération plus grande dans l'environnement pendant la fabrication, utilisation, lavage ou élimination des produits. À un niveau simple, la nanotechnologie semblerait comme une industrie sûre depuis très peu de problèmes ont été rapportés à ce jour. Cependant, les effets les plus adverses de ces ENMs peuvent devenir apparents avec le temps et fournir des responsabilités similaires aux produits contenant de l'amiante due à leur utilisation pervasive dans la vie quotidienne. Les ENMs comme dangers professionnels et environnementaux potentiels peuvent soulever des préoccupations de santé et sécurité. Comme rapporté par NIOSH, sept travailleurs ont développé une hypoxémie et maladie pulmonaire sévère après avoir travaillé avec une pâte chimique comprenant un mélange de nanoparticules (NPs) non définies. En termes de risque d'exposition professionnelle, des données ont émergé fournissant des preuves qu'un travailleur est mort due à syndrome de détresse respiratoire pendant pulvérisation de NPs nickel sur buissons pour roulements de turbine utilisant un processus arc métallique. Malheureusement, l'industrie nanotechnologie est restée largement silencieuse sur l'utilisation des ENMs, et les régulateurs gouvernementaux n'ont pas introduit de directives strictes. Pour cette raison, il y a un besoin d'évaluer la toxicité des ENMs et comprendre leurs possibles bénéfices ou effets adverses sur la santé humaine.

L'effet des CNTs apparaît corrélé avec leur méthode d'administration ou d'exposition. La norme mise à jour disponible est prescrite pour l'amiante où la limite d'exposition permise (PEL) est 0,1 fibre par centimètre cube d'air sur une moyenne pondérée dans le temps (MPT) de 8 h avec limite d'excursion (EL) de 1,0 fibres d'amiante par centimètre cube sur période 30-min. L'employeur doit s'assurer que personne n'est exposé au-dessus de cette limite. Surveiller le lieu de travail ou l'activité de travail pour détecter l'exposition à l'amiante est à ou au-dessus de PEL ou EL pour un travailleur qui est à risque d'exposition est crucial.

Un nombre d'études ont rapporté que l'exposition des CNTs au système respiratoire pourrait mener à asthme, bronchite, emphysème et cancer du poumon. Il est important de noter que certaines usines sont plus poussiéreuses possiblement due au manque de standards d'hygiène industrielle. Travailler avec des CNTs pulvérisés ou mélanges contenant des particules fines de CNTs pourrait poser un risque d'inhalation. Beaucoup d'études expérimentales conduites sur l'exposition par inhalation ont contribué à l'évaluation des effets des CNTs sur le tractus respiratoire et l'identification des limites d'exposition. L'exposition professionnelle prolongée à la matière CNT aéroportée pourrait mener à des lésions sévères dans les poumons comme documenté dans études animales.

Résultats et discussion

L'intérieur non-polaire fonctionnalisé des CNT fournit une forte attraction aux molécules d'eau polaires et rejette sel et polluant. Ceci, accompagné de faible consommation d'énergie, antifouling ainsi que fonction auto-nettoyante a fait des membranes CNT une alternative extraordinaire à la technologie conventionnelle de traitement d'eau. Les CNTs purs consistent souvent en divers catalyseurs métalliques, cendres et un agent carboné qui agissent comme sites d'adsorption additionnels des CNTs pour multiples polluants d'eau. Les impuretés sont un des facteurs utilisés pour identifier le diamètre des pores des nanotubes, morphologie et capacité à influencer ou inhiber les comportements d'adsorption. La réduction et l'élimination des impuretés sans affecter l'intégrité originale du nanotube est un des défis majeurs dans les applications de purification d'eau basées sur CNTs. Plusieurs méthodes ont été appliquées pour obtenir des CNTs intacts telles que filtration, recuit haute température et centrifugation répétitive, mais les méthodes sont encore incapables de complètement éliminer les CNTs.

En plus de la purification des CNTs, la manipulation de la solubilité des CNTs dans le système d'eau est un des facteurs majeurs impedant la technologie de purification d'eau. Comme exemple, les CNTs purs sont insolubles dans l'eau due à leur feuille de graphite hydrophobe. Afin de contrer ce défaut, une modification covalente a été appliquée où un substituant hydrophile est introduit par traitement chimique humide. Une autre méthode est la modification non-covalente qui complète l'enveloppement de surfactant largement utilisé pour augmenter la solubilité des CNTs dans l'eau ou différents médias aqueux. La contamination des CNTs dans l'environnement pourrait survenir quand les nanotubes fuient de la colonne de purification d'eau pendant l'opération et s'écoulent directement dans les ressources en eau environnantes. Ces CNTs ont une haute chance de réagir avec diverses biomolécules présentes dans le système d'eau qui pourrait possiblement générer des effets toxiques pour l'environnement aquatique environnant. Même si les CNTs pourraient offrir des technologies de purification d'eau efficaces, les effets environnementaux potentiels ont besoin d'être analysés critique afin d'estimer le risque et développer des directives de sécurité dans l'utilisation des matériaux CNT dans les systèmes de traitement d'eau.

Conclusions

Assurer des installations d'eau propres et sûres, préserver notre environnement et éviter la nanophobie sociétale sont certains des défis enfrentés par les scientifiques et ceux impliqués dans l'utilisation des nanomatériaux. Nous devons assurer la connectivité de chaque étape dans la manipulation, utilisation, élimination et destin des CNTs dans les technologies de purification d'eau. Actuellement, il y a une pénurie de méthodes et critères pour mesurer avec précision les risques et dangers des CNTs. Il est apparent qu'il y a un besoin de cadres réglementaires solides qui adressent et gèrent spécifiquement les risques potentiels de la nanotechnologie. Ce cadre réglementaire devrait adresser les défis enfrentés dans l'identification et la caractérisation de la forme du nanomatériel et son impact sur la santé humaine et l'environnement. Nos procédures d'évaluation des risques approfondies, cas-par-bas, basées sur les relations structure-propriété du nanomatériel aideront à comprendre le comportement des CNTs dans les STEU et leur libération subséquente dans l'environnement. Avec l'aide de ces relations, une directive de sécurité universelle peut être développée pour adresser avec précision les estimations de risque des CNTs dans les futures applications de purification d'eau.

Abréviations

CDC :

Centre de contrôle et de prévention des maladies

CNTs :

Nanotubes de carbone

CSIRO :

Organisation de recherche scientifique et industrielle du Commonwealth

CWAO :

Oxydation catalytique à air humide

E-CNTs :

CNTs environnementaux

EPA :

Agence de protection de l'environnement

EU :

Union européenne

IUPAC :

Union internationale de chimie pure et appliquée

MM :

Matrice mixte

MWCNTs :

Nanotubes de carbone à parois multiples

NM :

Nanomatériel

OECD :

Organisation de coopération et de développement économiques

PEL :

Limite d'exposition permise

QSAR :

Relation quantitative structure-activité

SWCNTs :

Nanotubes de carbone à paroi unique

TA :

Acide tannique

TEM :

Microscopie électronique en transmission

TWA :

Moyenne pondérée dans le temps

WWTP :

Station de traitement des eaux usées