浄水におけるカーボンナノチューブについての有毒な真実：展望

背景

清潔で安全な水を利用できるようにすることは、基本的な人権です。残念ながら、世界中、特に発展途上国では、7億8000万人が淡水施設を利用できません[1]。カーボンナノチューブ（CNT）は、浄水用の最も重要なナノ材料（NM）として登場しました。有機、無機、生物学的汚染物質の3種類の汚染物質のほぼすべてを除去できます[2]。これは、表面積が大きく、アスペクト比が高く、化学反応性が高く、コストとエネルギーが低いためです。過去数年間で約736メートルトンのCNTがエネルギーおよび環境用途に利用され、その数は増え続けています[3]。人的リスクと環境リスクの両方の可能性があるにもかかわらず、緊急の注意が必要な状況である浄水にCNTを使用することに関連するリスクを評価するための体系的なアプローチはありません。

十分な文献研究は、吸着剤、複合材料または触媒、センサー、膜、および操作されたNMとしてのCNTの軽薄な使用が、CNTの6.0および5.5％がそれぞれ廃水処理プラント（WWTP）および廃棄物焼却プラントから漏れる主な理由であることを示唆しています。 [3]。あるいは、CNTは廃棄段階から土壌（14.8％）と空気（1.4％）に失われる可能性があり、最終的には淡水域に逃げる可能性があります。これらの環境用CNT（E-CNT）の影響はまだ明らかではありません[4]。私たちの以前の研究は、E-CNTがどのように変換されるかを示しています[5]。 CNTは、生分解、細胞への取り込みの増加、反応性、および陸生、水生、空中の動植物に対する毒性に抵抗するように変更することができます。その結果、社会的認識に悪影響が及ぶ可能性があり、CNTはアスベストと同様の病理学的影響を共有するため、CNTを禁止するよう国民からの圧力がかかる可能性があります[6]。すべての証拠は、一般市民がNMを知らず、CNTの潜伏効果に積極的に取り組んでいることを示唆しています。

実際、NMの経済的持続可能性は、セクターに適用される適切なリスクの重み付け[7、8]またはより定量的なアプローチ[9]に依存する可能性があります。 CNTの安全性に関する私たちの文献調査では、以下に要約するように知識のギャップが示唆されています。

• 連邦科学産業研究機構（CSIRO）[10]を除いて、CNTの普遍的な安全ガイドラインはありません。

• 職業環境または一次暴露における「固体マトリックス」としてのCNTの取り扱いがリスク評価の優先事項となる一方で、二次暴露または環境経路については広範な知識のギャップが特定されました。

• CNTリスクの推定は、主に、浄水技術におけるCNTの物理化学的特性などの重要な要因にあまり注意を払わずに、以前の仮定に基づいていました。

環境保護庁（EPA）、経済協力開発機構（OECD）、欧州連合（EU）、米国疾病予防管理センター（CDC）などの多くの組織が、環境安全への影響を監視しています。 NMの中で、それらはまだE-CNTの「待機」アプローチにあります。知識のギャップを考慮して、ここでは、図1に示すように、E-CNTの安全性の問題に関するいくつかの重要な新しいリスク評価と制御測定を仮定します。サイズ、形状、直径、質量、アスペクト比、電荷などのCNTの物理化学的特性を強調します。安定性、水中での凝集と分散性を制御する機能。これは、E-CNTの運命と毒性レベルに影響を与える可能性があります。図1に示すように、特定のリスクの懸念は、浄水におけるCNTの特定の用途に関連しています。アプリケーション固有のCNTリスクの評価と管理を見積もることは、グローバルシナリオを理解し、既存のCNT安全ガイドラインをオーバーホールするのに役立ちます。したがって、CNTのナノセーフティを保証することができます。

ナノセーフティクロック。時計回りの回転は、浄水における主要なCNTリスク測定に関係します。これらの主要なリスクについては、このホワイトペーパーの後続のセクションで詳しく説明します

メソッド

カーボンナノチューブ（CNT）は、グラファイトのハニカム結晶格子層を単層または多層のいずれかでチューブ状に包んだ繊維状材料です[11]。正確な構造配置と秩序により、超軽量、高表面張力、高アスペクト比などのさまざまな有益な特性が得られます[12]。単層カーボンナノチューブ（SWCNT）は、グラフェンの単一シェルの円筒形で構成されていますが、多層カーボンナノチューブ（MWCNT）は、グラフェンシートの多層で構成されています[13、14]。どちらのタイプのCNTも、直接的な水の脱塩と、脱塩プロセスを複雑にする汚染物質の間接的な除去に使用されてきました[15]。

すべてのCNTが毒性であるとは限らず、形状、サイズ、および組成を変更するとCNTのナノ毒性が変化することを理解することが重要です[16]。マクロファージの長さを超える長繊維（>20μm）のCNTは、マクロファージに飲み込まれず、非効率的な食作用を引き起こします。これにより、システムからのクリアランスが妨げられ、有害な影響が生じます。一般に、多くの研究は、より長い長さとより大きな直径がより小さなものよりも大きな毒性を持っていることを示しています[16]。さらに、CNT合成中に制御できるCNTの長さと直径は、ライフサイクルと毒性を決定するもう1つの主要な要因です。さまざまな種類のCNTの毒性を表1にまとめています。

リスク評価研究に関連するCNTのライフサイクルと放出線量

CNTのライフサイクルは、図2に示すように、取り扱い量と分散状態に関連する6つの段階に分類できます[17、18]。最初の段階は、酸素の侵入なしに密閉された炉で行われるCNT製造を含みます。したがって、CNTへの曝露は少ない。それにもかかわらず、CNTの暴露は、炉のメンテナンスおよびCNTの手動処理中に発生する可能性があります。第2段階では、マスターバッチやCNT分散液などの中間製品の製造が行われます。ステージ2の装置の規模と取り扱い量は生産ラインよりも小さいですが、CNT粉末プロセスでの攪拌により、環境への放出速度が上がる可能性があります。機械的摩耗（傷みや風袋）および物理化学的老化（腐食または熱の影響）により、CNTが放出される可能性があります。第3段階は製品の製造であり、第2段階で製造された暫定的なCNT含有製品を利用することにより、CNTの直接取り扱いが削減されます。ただし、この段階では、溶液の乾燥および塗料の硬化中に一部のCNTが空気中に放出される可能性があります。 ＣＮＴライフサイクルの第４段階は、物理的または熱的応力が複合製品に加えられる製品の処理であり、それにより、ＣＮＴはベースポリマーに結合され、そのような複合材料からの遊離ＣＮＴの放出は著しく低いと予想される。第5段階は消費者によるCNT製品の使用であり、最後に第6段階はCNTベースの製品の廃棄またはリサイクルです[17、18]。

CNTのライフサイクル。リスク評価研究に関連するCNTのライフサイクル[18、61]

CNT製品のライフサイクルを追跡することで、アプリケーションからのCNTの放出がどのような状況で発生する可能性があるかを判断できる可能性があります。たとえば、機械的強度や導電性などを高めるためにポリマーマトリックスに一般的に埋め込まれているCNTは放出されません。しかし、ポリマーマトリックスの光反応、加水分解、酸化、および熱分解を伴うポリマー分解は、CNTを環境に放出する可能性があります[19]。分解速度は、ポリマーの構造的特徴、およびプロセスを制御する物理的、化学的、生物学的因子などの外部ソースの影響を受けます。さらに、Wohlleben etal。 [20]放出されたフラグメントとその後の生体内の危険性を比較することにより、ナノコンポジットのライフサイクルを調査します。著者は、通常の機械的使用（例えば、風化、通常の使用段階、およびサンドリング）下でのナノフィラーなしの従来の対応物と比較して、ナノコンポジット材料の毒性に有意差がないことを特定しています。その上、Wohlleben等。 [21]はまた、機械的または化学的ストレスの組み合わせによる、使用中のナノ強化タイヤに関連するナノ材料からのCNTの放出を分析した。著者は、路上でのシナリオでは、水で洗ったシナリオよりも刺激されたトレッドの摩耗からより多くの破片を放出することを報告しています。これは、相乗的な老化ストレスのみが有意な放出を誘発することを示しています。

ジラルデッロらによって行われた研究。 [22]水生無脊椎動物ヒル（ Hirudo medicinalis ）MWCNTへの曝露に対する短期[1、3、6、12]および長期（1〜5週間）の急性および慢性免疫応答を分析しました。露出したヒルの血管新生と線維形成において、大規模な細胞遊走が起こった。さらに、特定のマーカーを使用した免疫細胞化学的特性は、単球とマクロファージ（CD45 ⁺ およびCD68 ⁺ ）これらの炎症過程で最も影響を受けた細胞でした。これらの免疫担当細胞は、炎症性サイトカイン（IL-18）の発現とアミロイド形成から始まる一連のイベントによって特徴づけられました。著者はまた、ヒル曝露溶液中の酸化アルミニウムが、飲料水中の人間の健康について許容されるレベルよりも低いことを確認しています[22]。さらに、EDS分析で示されているように、ヒル組織ではアルミニウム、コバルト、鉄などの金属は検出されませんでした。この実験では、ヒルの反応はMWCNTによって引き起こされたものであり、被ばく溶液中の金属酸化物の存在によって引き起こされたものではないことがわかりました[22]。さらに、Muller etal。 [23]は、MWCNTをラットの気管に0.5、2、5 mg /ラットの用量で導入すると、気管内に3日間単回投与した後、すべての用量で炎症反応と線維化反応を引き起こしたことを示しています。 Xuらによって行われた研究。 [24]は、0.5 mlのMWCNT（500μg/ ml）をラットの肺に9日間で5回挿入すると、肺胞マクロファージと縦隔リンパ節にMWCNTが存在することを発見しました。

前述のプロセス（たとえば、CNT合成、中間体の製造、さらなる処理、製品の使用、リサイクルプロセス、および最終廃棄）は、製品ライフサイクルのすべての段階で発生する可能性があります[25]。廃水の処理中に残る残留CNTは、化学物質と一部の汚染物質との反応によってさまざまな副産物を形成する可能性があります。飲料水の摂取、吸入、および通常の屋内活動中の皮膚接触によるこれらの化学物質への慢性暴露は、ヒトに癌および非癌のリスクをもたらす可能性があります[26]。

環境中のCNTの運命やその半減期を調査した研究はほとんどありません。 ENMが変換されるか、異なるメディア間で転送されるか、および変換される場合は、どのタイムスケールで転送されるかを検討することが重要です。 CNTの性質と振る舞いは、表面の官能基を含む物理化学や物理的形態によって支配され、遭遇する環境に応じて、時には非常に根本的に変化する可能性があることが確立されつつあります。環境への影響は、CNTの出現特性と、溶解種の放出、不動態化、種の局所的枯渇、または生物による直接的なCNTの取り込みなど、考えられるさまざまなメカニズムによって制御されます。さらに、CNTの物理化学的特性が毒性に及ぼす影響を理解することにより、CNTの悪影響を最小限に抑えることができます。たとえば、王らによって行われた研究。 [27]プルロニックF108コーティングを介してMWCNTの肺線維症の可能性を低下させると、コーティングがMWCNTの分散をもたらし、invitroおよび無傷の動物の肺におけるこれらのチューブの線維形成促進効果を低下させることができたことがわかります。この効果のメカニズムには、マクロファージやおそらく他の細胞型のリソソーム損傷を防ぐ能力があります。著者は、PF 108コーティングは、ドラッグデリバリーやイメージングなどの生物医学分野におけるMWCNTの安全な設計アプローチとして適用できる可能性があることを示唆しました[27]。

要約すると、CNTの環境への影響を評価するには、使用前とさまざまな媒体への曝露後にCNTを正確に特性評価することが重要です。ナノマテリアルと環境の間の界面での現象論は、長期的な予測を行うために特に重要です。 ENMが環境媒体とどのように相互作用するかについて入手可能な情報はほとんどなく、この分野で報告されているのはカップルの研究だけです。適切な製品設計、安全な製造ルート、および効果的な寿命末期の廃棄戦略を開発するには、環境に放出されたCNTの運命と重要性を理解する必要があります。

水浄化におけるCNTの重要な事実

吸着剤

CNTは水質浄化用の一般的な吸着剤ですが、安全性についてのコメントが必要です。通常、CNTは、非常に高濃度の水質汚染物質を吸着するために大量に必要とされます。したがって、どのタイプのCNTが展開され、どれだけ使用されているかを確認する必要があります。 CNTの個体が異なれば、アクセスすべき物理化学的特性も異なる可能性があります。 50,000を超えるさまざまなタイプのCNTが市場で入手可能であり[28]、さまざまな長さ、形状、電荷などがあり、環境内の材料の複雑さを示しています。一方、純粋なCNTは、ナノセーフティの問題を引き起こす金属や炭素質剤などの一般的な不純物[29]のため、それ自体が問題になります。当然の結果として、科学者はさまざまなアプローチを使用してCNTを精製および機能化しましたが[30、31]、最近の研究では、そのようなCNTが生細胞への金属の取り込みと毒性レベルを高めることが示されています[32]。

水質汚染物質を吸着すると、細孔のサイズと体積、表面電荷またはエネルギー、安定性、疎水性、機能性などのCNTの特性が変化します[33]。まず、フミン酸やタンニン酸（TA）などのさまざまな有機水質汚染物質の吸着により、CNTの特性が変化し、環境中での安定性が向上します。 Hyung etal。ウクライナのサハン川での安定したフラーレンの研究[35]と一致して、スワニー川の水に有機物が吸着した安定したCNTを発見しました[34]。透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、TA吸着時にCNTのサイズが厚く、バンドルから個々のCNTを分離することを示唆しました[36]。同様の現象は、CNTへの界面活性剤の吸着にも見られます。これにより、ナノチューブの水中での分散性が変化します[37]。これらの研究は、安定したCNTが輸送され、その後WWTPから水性環境に放出された後に沈着し、生細胞によるE-CNTの潜在的な取り込みにつながる可能性があると仮定しています。第二に、CNTに吸着されたFe、Cd、Ni、As、Hgなどの無機金属は、粒子内でより大きな反応性と毒性を持つ可能性があります。研究によると、FeやNiなどの金属イオンを含むCNTは、生細胞に対してより毒性が高いことがわかっています[38]。さらに、生物学的吸着剤、特に微生物は、WWTPのCNT表面特性を変化させる可能性があります。たとえば、一部の細菌の細胞内酵素は、ヒドロキシルラジカルの形成を触媒します（ ^• OH）またはH ₂ O ₂ カルボキシル化（C）-CNTを生成するレドックス反応を介して[39]。これにより、疎水性の元のCNTが親水性のCNTに変換され、それらの凝集に影響を与え、取り扱いが非常に困難になり、チューブをWWTPに保持することが困難になります。一部の酵素はC-CNTを分解し[39、40]、環境でのその後の輸送を容易にするために短いCNTフラグメントを変換しました。したがって、汚染物質（有機、無機、生物学など）は、CNTの特性が変化しないように除去する必要があります。吸着がカット、粉砕、シアーリング、リッピングされた後、CNTが覆われているかどうかを確認する必要があります。その上で、汚染物質の吸着に再利用するためのCNTの適合性を予測することができます。

高度な酸化プロセスの触媒

触媒複合材料としてのCNTリスクの測定は、さまざまな方法で可能です。まず、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Rh、Pd、Ag、Cd、Pt、Au、Hgなどの金属とそれらの酸化物を物理的および/または化学的吸着によって合金化する不安定;かなりの量の金属粒子が環境環境に放出される可能性があります。第二に、ドープされた各金属には、親のCNTの特性、そして最終的には複合材料の全体的な動作に影響を与える可能性のある独自の特性があります。たとえば、Feはリサイクルを容易にするためにCNT触媒を磁化するのに人気があり、細胞の生存率に影響を与えるヒドロキシルラジカルを生成する可能性があります[41]。これらはナノセーフティリスク評価戦略に影響を与える可能性があり、安全ガイドラインを作成する前に、最終的な複合材料の生体適合性、健康リスク、および毒性の問題を数える必要があります。第三に、CNTの複合材料を使用した微生物の消毒が重要です。 CNT-Ag-TiO ₂ 直接的な抗菌効果を示しており、細菌の細胞壁を破壊するために広く使用されています[42]。しかし、そのような処理は致命的である可能性があります。これは、いくつかの細菌、特にシアノバクテリアが、CNTを介して除染しながら、より毒性の高い化合物、つまりミクロシスチンを放出する原因となる可能性があるためです[2]。第4に、CNT-金属触媒を使用した残留性有機汚染物質の光​​分解および接触湿式空気酸化（CWAO）は、親化合物よりも毒性が高く、健康に害を及ぼす可能性のあるさまざまな分解生成物および/または中間体を生成しました[43]。したがって、CNT-金属複合材料が光触媒および触媒湿性空気酸化剤として完全に安全に使用できると仮定する前に、劣化した製品の反応性、毒性、および環境における運命にも留意する必要があります。最後に、科学者はリサイクルのためにドープされた金属から親のCNTを分離する必要があります。 CNT複合材料の切断および/または粉砕には乾式または湿式切断技術が利用可能ですが[44]、遊離の短いCNT /金属片のエアロゾルを生成する可能性が非常に高くなります。地表水と土地は、CNTの大気放出の最終的な目的地であり、注意して扱う必要があります。したがって、液体媒体でCNT-金属複合材料を処理したり、処理中に抽出換気を開始したりすると便利です。

センサー製造におけるCNTアプリケーション

バイオセンサーの電極としてのCNTの適用は、比較的安全に使用できます。 CNT電極と直接水が接触する可能性はほとんどありません。ただし、いくつかのリスク測定に従うことができます。まず、1DCNTは2DNM、特に高い導電性と機械的柔軟性のためにグラフェンと組み合わされることがよくあります。このような上部構造は、さまざまな物理化学的特性[45]を持ち、さまざまな環境ハザードをもたらすため、注意して測定する必要があります。第二に、ポリ（ジアリルジメチルアンモニウムクロリド）（PDDA）で官能化されたCNTは、電気化学バイオセンサーで非常に一般的です。 CNT-PDDAは、ポリマーが細胞の生存率と溶血に影響を与えているため、有害です[46]。最後に、デオキシリボ核酸（DNA）、アプタマー、酵素、タンパク質などの生体分子は、有機、無機、生物学的な水質汚染物質を検知するためにCNTに広く固定化されています。これらの生体分子の好ましい固定化方法は、高い電気伝導率をもたらすCNTの完全性と生体分子のコンフォメーションを維持するために、共有結合修飾ではなく物理吸着です。しかし、システムから浸出する生体分子は人体に有毒であることが多いため、このようなシステムは安定していて耐久性がありません。したがって、バイオセンサーの品質とそのリスクの定量化は、最終製品を製造するために取られた戦略に完全に依存しています。

膜製造におけるCNTの利用

CNTは、垂直配向（VA）-CNT膜と呼ばれる別個の膜自体として人気があります。対照的に、混合マトリックス（MM）-CNT膜は、逆浸透（RO）、ナノ濾過（NF）、限外濾過（UF）などの既存の高分子膜にCNTをドープして、分離プロセスを強化することで生成できます。したがって、研究者はしばしばCNT膜をRO、NF、UFおよびナノ強化膜として分類します[47]。 CNT膜はRO、NF、UF膜とは異なるため、これは受け入れられません。少なくともナノセーフティの観点からは。国際純正応用化学連合（IUPAC）と国際標準化機構（ISO）によると、膜は、拒否する水質汚染物質のサイズに基づいてのみ分類できました[48、49]。 RO膜とNF膜は拡散時に水を浄化しますが、UF膜は浮遊水粒子を保持します。対照的に、CNT膜は溶解イオンと浮遊物質の両方を保持し、ガス分離にも使用されています[50]。有機ポリマーはRO、NF、UFの構成要素です。 CNTは炭素同素体です。従来のメンブレンと比較して、CNTメンブレンは多くの場合、TiO ₂ などの他のナノ粒子で機能化されています。 、AgおよびFe ₃ O ₄ 異なる物理化学的特性を持っている可能性があります。その結果、RO、NF、UFの従来のリスク評価をCNT膜に適用することはできません。 CNT膜技術に関連する従来のリスクと新たに出現するリスクの両方を考慮する必要があります。したがって、膜プロセスとしてのCNT安全ガイドラインは、単に科学者によって与えられた用語の一貫性のない使用に基づくのではなく、唯物論的で適用された視点に基づくべきです。技術の明確な定義なしに法律を制定することは不可能であるため、リスク推定と規制に照らしてそれらを規制するために、CNT膜の分類を批判的に見直す必要があります。

工学的ナノマテリアル

設計されたCNTは、水の浄化において目覚ましい期待を寄せています[51]。約1100〜29,200メートルトン/年の人工ナノ材料（ENM）が、世界中の排水としてWWTPから排出されると計算されています[52]。数時間と数日後、そのようなENMは、天然水資源のより大きな集合体として定着しています。したがって、ENMをうまく使用するには、形状、サイズ、電荷、凝集などの新しい特性に基づいた安全ガイドライン[53]の実装が必要です。 ENMの異常な反応性は、異なるオプトエレクトロニクスと機械的特性を備えた表面効果と量子効果によるものです[54]。そのような特性は、それらのさまざまな毒物学的結果のために検証する必要があります。人工CNTの運命は、吸着、反応性、接着性、凝集性、湿潤性などの界面特性に依存し、pH、汚染物質混合物などの水化学によっても制御されます[54]。適切な機能を備えた設計されたCNTは、さまざまな天然水成分が固定できる付着点として機能します。このような変更により、バンドルからのCNTの分離が容易になり、個々のCNTがWWTPから漏れ出します。したがって、汚染された排水は、CNTで処理された水に含まれている可能性があります。材料が複雑なため、CNTの毒性を測定することはしばしば困難です。科学者は、これらの複雑な新規材料の毒性現象を測定するために、「One SizeFitAll」などの仮定を使用します。知識のギャップと科学的データの不足があります。各ENMの毒性レベルを正確に検証およびチェックするには、ある程度の考慮が必要です。ウェットラボでの作業に加えて、定量的構造活性相関（QSAR）モデルなどの計算ツールを使用して、コンセンサスの物理化学的特性を持つENMを分類することも期待できます。これにより、ステーク保有者は全体的なリスクのホットスポットを理解し、安全に使用できる組み合わせを選択できるようになります。科学者は、WWTPで使用される各ENMのしきい値制限をまとめることもできます。

ワンポット複合テクノロジー

科学者は、さまざまな浄水技術を統合して複数の水質汚染物質にリアルタイムで取り組む「ワンポット」技術の開発を好むことがよくあります[5]。ナノセーフティの観点からそのような組み合わせを追跡することは困難な仕事になる可能性があります。私たちの知る限り、そのようなハイブリッド技術の毒性試験はまだ行われていないので、環境への害を試験する必要があるかもしれません。明らかに、個別のテクノロジーごとのリスク評価は、他のテクノロジーに関係している必要があります。そうすれば、さらに評価しなくても制御を実装できます。 「ワンポット」複合浄水技術の総リスクは、次のように計算できます。

CNTの職業曝露リスク

しかし、人工ナノ材料（ENM）を含む製品の数と生産量が増えると、製品の製造、使用、洗浄、または廃棄中の環境への放出が大きくなります[55]。単純なレベルでは、これまでに報告された問題はほとんどないため、ナノテクノロジーは安全な産業のように思われます。ただし、これらのENMの最も悪影響は時間の経過とともに明らかになり、日常生活で広く使用されているため、アスベスト含有製品と同様の責任を負う可能性があります。潜在的な職業上および環境上の危険としてのENMは、健康および安全上の懸念を引き起こす可能性があります[56]。 NIOSHによって報告されたように、7人の労働者は、未定義のナノ粒子（NP）の混合物を含む化学ペーストを使用した後、低酸素血症と重度の肺疾患を発症しました。労働安全衛生への暴露リスクに関しては、金属アークプロセスを使用してタービンベアリングのブッシュにニッケルNPを噴霧しているときに、呼吸窮迫症候群のために労働者が死亡したという証拠を提供するデータが出てきました。残念ながら、ナノテクノロジー業界はENMの使用についてほとんど沈黙を守っており、政府の規制当局は厳格なガイドラインを導入していません。このため、ENMの毒性を評価し、ENMが人間の健康に及ぼす可能性のある利益または悪影響を理解する必要があります。

CNTの効果は、それらの投与方法または曝露方法と相関しているようです[16]。更新された利用可能な基準はアスベストに対して規定されており、許容暴露限界（PEL）は8時間の時間加重平均（TWA）で空気1立方センチメートルあたり0.1ファイバーであり、エクスカーション限界（EL）は立方センチメートルあたり1.0アスベストファイバーです。 30分の期間。雇用主は、誰もこの制限を超えて暴露されないようにする必要があります。アスベスト曝露を検出するために職場または作業活動を監視することは、曝露のリスクがある労働者にとってPELまたはEL以上であることが重要です[43]。

多くの研究が、呼吸器系へのCNTの曝露が喘息、気管支炎、肺気腫、および肺がんにつながる可能性があることを報告しています。おそらく産業衛生基準の欠如のために、いくつかの工場はより埃っぽいことに注意することが重要です[4]。粉砕されたCNTまたはCNTの微粒子を含む混合物を扱うと、吸入の危険性があります。吸入ばく露に関して実施された多くの実験的研究は、気道に対するCNTの影響の評価とばく露限界の特定に貢献している。動物実験で報告されているように、空気中のCNT物質への長時間の職業的曝露は、肺に重度の病変を引き起こす可能性があります[4]。

結果と考察

CNTの機能化された非極性内部ホームは、極性水分子に強い引力を提供し、塩と汚染物質を排除します。これは、低エネルギー消費、防汚、およびセルフクリーニング機能を伴い、CNT膜を従来の水処理技術の並外れた代替手段にしました[47]。自然のままのCNTは、多くの場合、さまざまな金属触媒、灰、および複数の水質汚染物質に対するCNTの追加の吸着サイトとして機能する炭素質剤で構成されています。不純物は、ナノチューブの細孔径、形態、および吸着挙動に影響を与えるまたは阻害する能力を特定するために使用される要因の1つです[57]。元のナノチューブの完全性に影響を与えずに不純物を減らして除去することは、CNTベースの浄水アプリケーションにおける主要な課題の1つです[5]。ろ過、高温アニーリング、反復遠心分離など、無傷のCNTを取得するためにいくつかの方法が適用されていますが、それでもCNTを完全に除去することはできません[5、58、59]。

CNTの精製に加えて、水システムにおけるCNTの溶解度の操作は、水浄化技術の主要な阻害要因の1つです。一例として、元のCNTは、疎水性のグラファイトシートのために水に不溶性です[5]。この欠点に対抗するために、共有結合修飾が適用され、それにより、親水性置換基が湿式化学処理を使用して導入される。別の方法は、水または異なる水性媒体へのCNTの溶解度を高めるために広く使用されている界面活性剤ラッピングを補完する非共有結合修飾です[60]。環境中のCNT汚染は、操作中にナノチューブが浄水カラムから漏れ、周囲の水資源に直接流れ込むときに発生する可能性があります。これらのCNTは、水系に存在するさまざまな生体分子と反応する可能性が高く、周囲の水生環境に毒性を及ぼす可能性があります[5]。 CNTは効率的な浄水技術を提供できますが、リスクを推定し、水処理システムでのCNT材料の使用における安全ガイドラインを作成するには、潜在的な環境への影響を批判的に分析する必要があります。

結論

清潔で安全な水施設を確保し、環境を保護し、社会的なナノフォビアを回避することは、科学者やナノマテリアルの使用に携わる人々が直面する課題の一部です。浄水技術におけるCNTの取り扱い、使用、廃棄、運命の各ステップの接続性を確保する必要があります。現在、CNTのリスクとハザードを正確に測定するための方法と基準は不足しています。ナノテクノロジーの潜在的なリスクに対処し、具体的に管理する強固な規制の枠組みが必要であることは明らかです。この規制の枠組みは、ナノマテリアルの形態とそれが人間の健康と環境に与える影響を特定して特徴づける際に直面する課題に対処する必要があります。ナノマテリアルの構造と特性の関係に基づくケースバイケースの詳細なリスク評価手順は、WWTPでのCNTの挙動とその後の環境への放出を理解するのに役立ちます。これらの関係の助けを借りて、将来の浄水アプリケーションでCNTのリスク推定に正確に対処するための普遍的な安全ガイドラインを開発することができます。

略語

CDC：

疾病管理予防センター

CNT：

カーボンナノチューブ

CSIRO：

連邦科学産業研究機構

CWAO：

触媒的湿式空気酸化

E-CNT：

環境CNT

EPA：

環境保護庁

EU：

欧州連合

IUPAC：

国際純正応用化学連合

MM：

混合マトリックス

MWCNT：

多層カーボンナノチューブ

NM：

ナノマテリアル

OECD：

経済協力開発機構

PEL：

許容暴露限界

QSAR：

定量的構造活性相関

SWCNT：

単層カーボンナノチューブ

TA：

タンニン酸

TEM：

透過型電子顕微鏡

TWA：

時間加重平均

WWTP：

廃水処理プラント