Nanotubos de carbono en purificación de agua: Evaluación de seguridad, riesgos y sostenibilidad

Antecedentes

Obtener acceso a agua limpia y segura es un derecho humano básico. Desafortunadamente, 780 millones de personas en todo el mundo, especialmente en países en desarrollo, no tienen acceso a instalaciones de agua dulce [1]. Los nanotubos de carbono (CNT) han emergido como el nanomaterial (NM) principal para purificación de agua. Puede eliminar casi los tres tipos de contaminantes: orgánicos, inorgánicos y biológicos [2]. Esto se debe a su gran área superficial, alta relación de aspecto y mayor reactividad química junto con menor costo y energía. Aproximadamente, 736 toneladas métricas de CNT se utilizaron en años recientes para aplicaciones energéticas y ambientales, número que sigue aumentando [3]. A pesar del potencial para riesgo humano y ambiental, no hay un enfoque sistemático para evaluar los riesgos asociados con el empleo de CNT en purificación de agua, situación que requiere atención urgente.

Un amplio estudio bibliográfico sugiere que el uso frívolo de CNT como adsorbentes, compuestos o catalizadores, sensores, membranas y NMs diseñados es la razón principal de que 6,0 y 5,5% de CNT se filtren de plantas de tratamiento de aguas residuales (PTAR) y plantas de incineración de residuos, respectivamente [3]. Alternativamente, CNT podrían perderse en suelo (14,8%) y aire (1,4%) de la fase de disposición, lo que podría escapar finalmente a cuerpos de agua dulce. Los efectos de estos CNT ambientales (E-CNT) aún no están claros [4]. Nuestra investigación previa muestra cómo los E-CNT podrían transformarse [5]. Los CNT pueden alterarse para resistir biodegradación, aumentar captación celular, reactividad y toxicidad a flora y fauna terrestre, acuática y aérea. Consecuentemente, las percepciones sociales pueden verse afectadas adversamente y puede haber presión pública para prohibir CNT, ya que comparten efectos patológicos similares al asbesto [6]. Toda la evidencia sugiere que el público ignora los NMs y está positivamente dispuesto hacia los efectos de latencia de CNT.

De hecho, la sostenibilidad económica de los NM puede depender de ponderaciones de riesgo apropiadas aplicadas al sector [7,8] o enfoques más cuantitativos [9]. Nuestro estudio bibliográfico concerniente a aspectos de seguridad de CNT ha sugerido lagunas de conocimiento resumidas abajo:

• Existe ausencia de directrices universales de seguridad para CNT excepto la Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth (CSIRO) [10].

• Mientras el manejo de CNT como "matrices sólidas" en el ambiente ocupacional o en exposición primaria recibe prioridad para evaluación de riesgo, se identificaron amplias lagunas de conocimiento para exposición secundaria o vías ambientales.

• Estimar riesgo de CNT se basó principalmente en suposiciones previas con menos atención a factores contributivos significativos como propiedades fisicoquímicas de CNT en tecnologías de purificación de agua.

Aunque muchas organizaciones como la Agencia de Protección Ambiental (EPA), la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económicos (OCDE), la Unión Europea (UE) y los Centros para el Control y Prevención de Enfermedades (CDC) han estado monitoreando las implicaciones de seguridad ambiental de NMs, aún están en un enfoque de "esperar y ver" para E-CNT. Dadas las lagunas de conocimiento, aquí postulado varias importantes mediciones novedosas de evaluación y control de riesgo para problemas de seguridad E-CNT como se muestra en Fig. 1. Enfatizamos propiedades fisicoquímicas de CNT como tamaño, forma, diámetro, masa, relación de aspecto, carga, estabilidad, funcionalidades controlando agregación y dispersibilidad en agua, que podrían afectar el destino y nivel de toxicidad de E-CNT. Como se muestra en Fig. 1, preocupaciones de riesgo específicas están asociadas con aplicaciones específicas de CNT en purificación de agua. Estimar valoración y gestión de riesgo CNT específicas de aplicación ayudará a entender el escenario global y renovar directrices de seguridad CNT existentes; así, se puede asegurar nanosafety para CNT.

Reloj de nanosafety. Rotación en sentido horario pertenece a mediciones principales de riesgo CNT en purificación de agua. Estos riesgos mayores se detallan en secciones subsiguientes de este artículo

Métodos

Los nanotubos de carbono (CNT) son materiales fibrosos formados por capas de red cristalina de panal de grafito envueltas en forma de tubo ya sea como una sola capa o como múltiples capas [11]. El arreglo estructural preciso y orden les da una variedad de propiedades beneficiosas como ultra-ligereza, alta tensión superficial y alta relación de aspecto [12]. Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) consisten en la forma cilíndrica de una sola capa de grafeno mientras que los nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) están compuestos por múltiples capas de láminas de grafeno [13,14]. Ambos tipos de CNT se han usado para desalinización directa de agua e eliminación indirecta de contaminantes que complican el proceso de desalinización [15].

Es importante entender que no todos los CNT son tóxicos; alterar forma, tamaño y composición modificaría la nanototoxicidad de CNT [16]. CNT con longitud de fibras largas (>20 µm) que excede la longitud del macrófago no puede ser fagocitado por macrófago llevando a fagocitosis ineficiente, y esto previene su clearance del sistema, causando efectos dañinos. Generalmente, varios estudios han indicado que mayor longitud y diámetro mayor poseen mayor toxicidad que los menores [16]. Además, la longitud y diámetro de CNT que pueden controlarse durante la síntesis de CNT son otros factores principales que determinan el ciclo de vida y toxicidad. La toxicidad de diferentes tipos de CNT se resume en Tabla 1.

Ciclo de vida y dosis de liberación de CNT relacionados a estudios de evaluación de riesgo

El ciclo de vida de CNT puede categorizarse en seis etapas como se muestra en Fig. 2 que se relaciona con su cantidad de manejo y estado de dispersión [17,18]. La primera etapa involucra fabricación de CNT conducida en horno cerrado sin intrusión de oxígeno; así, la exposición a CNT es baja. No obstante, la exposición a CNT puede ocurrir durante mantenimiento del horno y manejo manual de CNT. La segunda etapa involucra fabricación de productos interinos como masterbatches y soluciones dispersas de CNT. Aunque la escala de equipo y cantidad de manejo en etapa 2 son menores que la línea de producción, la agitación en proceso de polvo de CNT puede aumentar su tasa de liberación al ambiente. Abrasión mecánica (desgaste) y envejecimiento fisicoquímico (corrosión o influencia térmica) pueden causar liberación de CNT. La tercera etapa es la fabricación de productos donde habrá manejo directo reducido de CNT al utilizar productos interinos conteniendo CNT fabricados durante la segunda etapa. Sin embargo, esta etapa puede liberar algunos CNT al aire durante secado de solución y curado de pintura. La cuarta etapa del ciclo de vida de CNT es el procesamiento de productos en el que se aplica estrés físico o térmico a productos compuestos donde CNT están unidos al polímero base y se espera liberación de CNT libres de tal compuesto significativamente baja. La quinta etapa es el uso de productos CNT por consumidores, y finalmente, la sexta etapa es la disposición o reciclaje de productos basados en CNT [17,18].

Ciclo de vida CNT. El ciclo de vida de CNT relacionado a estudios de evaluación de riesgo [18,61]

Rastrear el ciclo de vida del producto CNT puede posiblemente llevar a determinar en qué circunstancias puede ocurrir liberación de CNT de aplicaciones. Por ejemplo, CNT generalmente embebidos en matriz polimérica para mejorar resistencia mecánica, conductividad, etc. no serán liberados. Sin embargo, degradación de polímero involucrando fotorreacción, hidrólisis, oxidación y termólisis de la matriz polimérica puede liberar CNT al ambiente [19]. La tasa de degradación es influenciada por las características estructurales del polímero así como fuentes externas como agentes físicos, químicos y biológicos que controlan los procesos. Además, Wohlleben et al. [20] investigaron el ciclo de vida de nanocompuestos comparando fragmentos liberados y sus subsiguientes peligros in vivo. El autor identifica ninguna diferencia significativa en toxicidad para materiales nanocompuestos en comparación con sus contrapartes tradicionales sin nanorefuerzos bajo uso mecánico normal (ej. intemperismo, fase de uso normal y lijado). Además, Wohlleben et al. [21] también analizaron la liberación de CNT de nanomateriales asociados con neumáticos nano-reforzados durante su uso, ya sea por estrés mecánico o químico combinado. El autor reporta que un escenario en carretera libera más fragmentos por desgaste de banda de rodadura estimulado que el escenario lavado a agua superficial, indicando que solo estrés de envejecimiento sinérgico induce liberaciones significativas.

Investigación conducida por Girardello et al. [22] en invertebrados acuáticos sanguijuelas (Hirudo medicinalis) analizó respuestas inmunes agudas y crónicas sobre período corto [1,3,6,12] y largo (1 a 5 semanas) de tiempo a exposición a MWCNT. Ocurrió migración celular masiva en angiogénesis y fibroplasia de sanguijuela expuesta. Además, la caracterización inmunocitoquímica usando marcadores específicos muestra que monocitos y macrófagos (CD45⁺ y CD68⁺) fueron las células más afectadas en estos procesos inflamatorios. Estas células inmunocompetentes fueron caracterizadas por una secuencia de eventos que comienza con la expresión de citoquinas proinflamatorias (IL-18) y amiloidogénesis. El autor también confirma que óxido de aluminio en solución de exposición de sanguijuela fue menor que el nivel aceptado para salud humana en agua potable [22]. Además, ningún metal como aluminio, cobalto y hierro fue detectado en tejidos de sanguijuela como mostró análisis EDS. Este experimento encuentra que las respuestas en sanguijuelas fueron causadas por MWCNT y no por presencia de óxido metálico en solución de exposición [22]. Además, Muller et al. [23] documentaron que cuando MWCNT se introdujeron en tráqueas de ratas a dosis de 0,5, 2 y 5 mg por rata, esto resultó en reacciones inflamatorias y fibróticas en todas las dosis tras 3 días de administración intratraqueal única. Investigación conducida por Xu et al. [24] encontró que 0,5 ml de MWCNT (500 µg/ml) insertados cinco veces en 9 días en pulmones de ratas resulta en presencia de MWCNT en macrófagos alveolares y ganglios linfáticos mediastínicos.

Los procesos mencionados (ej. síntesis CNT, producción de interinos, procesamiento adicional, uso de productos, procesos de reciclaje y disposición final) pueden ocurrir en todas las etapas del ciclo de vida del producto [25]. CNT residuales que permanecen durante el tratamiento de aguas residuales pueden formar variedad de subproductos a través de reacción entre químicos y algunos contaminantes. Exposición crónica a estos químicos a través de ingestión de agua potable, inhalación y contacto dérmico durante actividades interiores regulares pueden suponer riesgos de cáncer y no cáncer a humanos [26].

Pocos estudios han investigado el destino de CNT en el ambiente o su vida media; es importante considerar si ENMs se transforman o son transportados entre diferentes medios, y si es así, en qué escalas de tiempo. Se está volviendo bien establecido que la naturaleza y comportamiento de CNT pueden alterar, a veces radicalmente, dependiendo del ambiente que encuentran, gobernado por su físico-química, incluyendo grupos funcionales de superficie, y forma física. La influencia en el ambiente será controlada por las características emergentes de los CNT y una gama de mecanismos posibles, incluyendo liberación de especies disueltas, pasivación, depleción local de especies, o captación directa de CNT por organismos. Además, el efecto negativo de CNT puede minimizarse entendiendo los efectos de las propiedades fisicoquímicas de CNT en su toxicidad. Por instancia, una investigación conducida por Wang et al. [27] sobre disminución del potencial de fibrosis pulmonar de MWCNT mediante recubrimiento pluronic F108 encuentra que el recubrimiento fue capaz de conferir dispersión de MWCNT y reducir efectos profibrogénicos de estos tubos in vitro y en pulmón animal intacto. El mecanismo de este efecto tiene la capacidad de prevenir daño lisosomal en macrófagos y posiblemente otros tipos celulares. El autor sugirió que recubrimiento PF 108 podría aplicarse como enfoque de diseño seguro para MWCNT en campos biomédicos como liberación de fármacos e imagen [27].

En resumen, para evaluar impacto ambiental de CNT, es importante caracterizarlos con precisión antes de uso y después de exposición a diferentes medios; la fenomenología en la interfaz entre nanomateriales y ambiente es especialmente crítica para predicciones a largo plazo. Casi no hay información disponible sobre cómo ENMs interactúan con medios ambientales, y solo un par de estudios se han reportado en el campo. Es necesario entender el destino y significancia de CNT liberados al ambiente para desarrollar diseños de producto apropiados, rutas de fabricación seguras y estrategias efectivas de disposición al final de vida.

Hechos críticos para CNT en purificaciones de agua

Adsorbentes

CNT son un adsorbente popular para purificaciones de agua, pero algún comentario sobre su seguridad es necesario. Típicamente, CNT se requieren en altos volúmenes para adsorber contaminantes de agua de concentraciones extremadamente altas. Así, es necesario ver qué tipos de CNT se despliegan y cuánto se usa. Diferentes individuos CNT podrían tener diferentes propiedades fisicoquímicas que deben ser accedidas. Más de 50.000 tipos diferentes de CNT están disponibles en el mercado [28] con diferentes longitudes, formas, cargas, etc. que ejemplifican la complejidad del material en el ambiente. Por otro lado, CNT prístinos son en sí problemáticos debido a sus impurezas genéricas [29] como metales y agentes carbonáceos que plantean problemas de nanosafety. Como corolario, científicos han purificado y funcionalizado CNT usando diferentes enfoques [30,31], pero un estudio reciente demuestra que tales CNT aumentan la captación de metales y niveles de toxicidad en células vivas [32].

La adsorción de contaminantes de agua cambia las características de CNT como tamaño y volumen de poro, carga o energía de superficie, estabilidad, hidrofobicidad y funcionalidades [33]. Primero, la adsorción de varios contaminantes orgánicos de agua como ácido húmico y ácido tánico (TA) altera propiedades de CNT y aumenta su estabilidad en el ambiente. Hyung et al. encontraron CNT estable con materias orgánicas adsorbidas en agua del río Suwannee [34], consistente con el estudio de fulerenos estables en el río Sahan, Ucrania [35]. Imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) sugirieron que los CNT eran gruesos en tamaños tras adsorción de TA y llevaron a la separación de CNT individual del haz [36]. Fenómenos similares también pueden encontrarse para adsorción de surfactante sobre CNT, que cambia la dispersibilidad del nanotubo en agua [37]. Estos estudios postulan que CNT estables pueden ser transportados y subsecuentemente depositados tras su liberación de PTAR a ambientes acuosos, llevando a captación potencial de E-CNT por células vivas. Segundo, metales inorgánicos como Fe, Cd, Ni, As y Hg adsorbidos sobre CNT podrían tener mayor reactividad y toxicidad dentro de la partícula. Estudios encontraron que CNT con iones metálicos como Fe y Ni son más tóxicos a células vivas [38]. Además, adsorbentes biológicos, especialmente microbios, tienen potencial para cambiar propiedades de superficie de CNT en PTAR. Por instancia, algunas enzimas intracelulares bacterianas catalizan la formación de radical hidroxilo (•OH) o H₂O₂ a través de reacciones redox que producen CNT carboxilados (C-CNT) [39]. Esto convierte CNT prístinos hidrofóbicos a hidrofílicos, afectando su agregación y haciendo su manejo extremadamente difícil, y los tubos serían difíciles de retener en PTAR. Algunas enzimas han degradado C-CNT [39,40] y transformado fragmentos cortos de CNT para facilitar transporte subsiguiente en el ambiente. Por tanto, los contaminantes (ej. orgánicos, inorgánicos y biológicos) deben removerse de modo que las propiedades de CNT no cambien. Se debe verificar si CNT cubierto tras adsorción ha sido cortado, molido, cizallado y desgarrado o no. Sobre esa base, se puede predecir la idoneidad de CNT para reuso en adsorción de contaminantes.

Catalizadores para procesos de oxidación avanzada

Medir riesgos de CNT como compuestos catalíticos es posible de múltiples maneras. Primero, alear CNT usando metales como Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Hg y sus óxidos a través de adsorciones físicas y/o químicas no es estable; hay chance de liberar cantidad significativa de partículas metálicas al medio ambiente. Segundo, cada metal dopado tiene sus propias propiedades específicas que podrían influir propiedades parentales de CNT y finalmente el comportamiento general del compuesto. Por ejemplo, Fe es popular para magnetizar el catalizador CNT para facilidad de reciclaje, lo que podría generar radicales hidroxilo que afectan viabilidad celular [41]. Estos podrían impactar estrategias de evaluación de riesgo nanosafety, y se debe contar la biocompatibilidad, riesgos de salud y problemas de toxicidad del compuesto final antes de desarrollar directriz de seguridad. Tercero, desinfección de microbios usando compuesto de CNT es importante. CNT-Ag-TiO₂ ha mostrado efectos antimicrobianos directos y es popularmente usado para romper paredes celulares bacterianas [42]. Sin embargo, tal tratamiento podría ser letal, ya que unas pocas bacterias especialmente Cianobacterias podrían ser responsables de liberar compuestos más tóxicos, ej. microcistinas, mientras descontaminan a través de CNT [2]. Cuarto, fotodegradación y oxidación catalítica en aire húmedo (CWAO) de contaminantes orgánicos persistentes usando catalizadores CNT-metal han producido varios productos de degradación y/o sus intermedios que podrían ser más tóxicos que sus compuestos parentales y dañinos a la salud [43]. Por tanto, antes de asumir que compuestos CNT-metal son completamente seguros para usar como fotocatalizador y oxidante catalítico en aire húmedo, se debe también tener en cuenta la reactividad, toxicidad y destino en el ambiente del producto degradado. Finalmente, científicos necesitan aislar CNT parentales de metal dopado para reciclaje. Aunque técnicas de corte seco o húmedo están disponibles para cortar y/o moler compuestos CNT [44], hay chance significativa de crear aerosoles de fragmentos libres cortos CNT/metal. Agua superficial y tierras serán destinos finales de cualquier liberación atmosférica de CNT y deben tratarse con precaución. Por tanto, manejar compuestos CNT-metal en medios líquidos o instalar ventilación de extracción mientras se procesa será útil.

Aplicación de CNT en fabricación de sensores

Aplicación de CNT como electrodo para biosensores es comparablemente seguro de usar. Hay poca chance de contacto directo de agua con electrodo CNT. Sin embargo, algunas mediciones de riesgo pueden seguirse. Primero, CNT 1D a menudo se combinan con NMs 2D, especialmente grafeno, para alta electroconductividad y flexibilidad mecánica. Tales superestructuras tienen diferentes propiedades fisicoquímicas [45] y plantean diferentes peligros ambientales que deben medirse con cautela. Segundo, CNT funcionalizados con poli(dialildimetilamonio cloruro) (PDDA) son muy comunes en biosensores electroquímicos. CNT-PDDA es dañino ya que el polímero ha influido viabilidad celular y hemólisis [46]. Finalmente, biomoléculas como ácido desoxirribonucleico (ADN), aptámeros, enzimas y proteínas han sido ampliamente inmovilizadas sobre CNT para sensar contaminantes orgánicos, inorgánicos y biológicos de agua. El método preferible de inmovilización de estas biomoléculas es adsorción física en lugar de modificaciones covalentes para mantener la integridad de CNT y conformaciones de biomoléculas que llevan a alta conductividad eléctrica. Sin embargo, tal sistema no es estable y duradero ya que biomoléculas lixiviadas del sistema son a menudo tóxicas a humanos. Por tanto, la calidad de un biosensor y sus cuantificaciones de riesgo dependen completamente de estrategias tomadas para producir el producto final.

Utilización de CNT en producción de membranas

CNT son populares como membrana separada llamada membrana de CNT alineados verticalmente (VA). En contraste, membrana de matriz mixta (MM)-CNT podría generarse dopando CNT en membranas poliméricas existentes como ósmosis inversa (OI), nanofiltración (NF) y ultrafiltración (UF) para proceso de separación mejorado. Por tanto, investigadores a menudo clasifican membrana CNT como OI, NF, UF y membranas nano-mejoradas [47]. Esto no es aceptable —al menos desde vista de nanosafety ya que membrana CNT es diferente de membranas OI, NF y UF. Según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) y la Organización Internacional de Normalización (ISO), una membrana solo podría clasificarse en base al tamaño del contaminante de agua que rechazan [48,49]. Mientras membranas OI y NF purifican agua por difusión, membrana UF retiene partículas suspendidas de agua. En contraste, una membrana CNT retiene tanto iones disueltos como sólidos suspendidos y también se ha usado para separación de gases [50]. Mientras polímeros orgánicos son bloques constructores de OI, NF y UF; CNT es un alótropo de carbono. Comparado con membranas convencionales, membranas CNT a menudo se funcionalizan con otras nanopartículas como TiO₂, Ag y Fe₃O₄ que podrían tener diferentes propiedades fisicoquímicas. Como resultado, evaluaciones de riesgo convencionales para OI, NF y UF no pueden aplicarse a membrana CNT. Se debe considerar tanto riesgos convencionales como emergentes asociados con tecnología de membrana CNT. Por tanto, directrices de seguridad CNT como proceso de membrana deben basarse en puntos de vista materialistas y aplicados no meramente en uso inconsistente de terminología dada por científicos. La clasificación de membrana CNT debe ser revisada críticamente para regularlas a la luz de estimación de riesgo y regulaciones porque no es posible promulgar leyes sin definiciones claras de la tecnología.

Nanomateriales diseñados

CNT diseñados están haciendo promesas notables en purificaciones de agua [51]. Se ha calculado que alrededor de 1100-29.200 toneladas métricas/año de nanomateriales diseñados (ENM) son emitidos de PTAR como efluentes mundialmente [52]. Horas y días después, tales ENM se asientan como agregaciones mayores en recursos hídricos naturales. Por tanto, el uso exitoso de ENM requiere implementación de directrices de seguridad [53] basadas en sus propiedades novedosas como forma, tamaño, carga, aglomeración, etc. La reactividad inusual de ENM es debido a sus efectos de superficie y cuánticos con diferentes propiedades optoelectrónicas y mecánicas [54]. Tales propiedades necesitan verificarse debido a sus varios resultados toxicológicos. El destino de CNT diseñados depende de sus propiedades interfaciales, como adsorción, reactividad, adhesión, cohesión y mojabilidad, y también regulado por química de agua como pH, mezclas de contaminantes, etc. [54]. CNT diseñados con funcionalidades apropiadas actúan como puntos de anclaje donde diferentes constituyentes naturales de agua pueden anclar. Tal modificación facilitaría la separación de CNT del haz, y CNT individuales filtrarán fuera de PTAR. Por tanto, efluentes de agua contaminados podrían encontrarse en agua tratada por CNT. Debido a la complejidad del material, a menudo es difícil medir toxicidad de CNT. Científicos usan suposiciones como "Una talla para todos" para medir fenómenos de toxicidad de estos materiales complejos novedosos. Hay una laguna de conocimiento y pobreza de datos científicos. Se requiere algo de pensamiento para validar y chequear niveles de toxicidad de cada ENM precisamente. Además de trabajos de laboratorio húmedo, podemos anticipar usar algunas herramientas computacionales como modelos de relación estructura-actividad cuantitativa (QSAR) para clasificar ENM con propiedades fisicoquímicas de consenso. Esto ayudará a partes interesadas a entender puntos calientes de riesgo globales y permitirles elegir qué combinación sería segura de usar. Científicos también pueden establecer límites umbral para cada ENM para ser usado en PTAR.

Tecnología combinada one-pot

Científicos a menudo prefieren desarrollar tecnología "One-Pot" donde diferentes tecnologías de purificación de agua se integrarán para abordar múltiples contaminantes de agua en tiempo real [5]. Rastrear tales combinaciones en términos de nanosafety puede ser trabajo difícil. A nuestro conocimiento, ninguna prueba de toxicidad de tal tecnología híbrida se ha hecho aún, así que uno podría necesitar testear por cualquier daño ambiental. Obviamente, la evaluación de riesgo para cada tecnología separada debe preocuparse con otras para que se puedan implementar controles sin evaluación adicional. El riesgo total de tecnología combinada de purificación de agua "One-Pot" puede calcularse como sigue:

Riesgos de exposición ocupacional de CNT

Un aumento en el número y volumen de producción de productos conteniendo nanomateriales diseñados (ENM), sin embargo, llevará a mayor liberación en el ambiente durante fabricación, uso, lavado o disposición de productos [55]. A nivel simple, la nanotecnología parecería industria segura ya que muy pocos problemas se han reportado hasta la fecha. Sin embargo, los efectos adversos más severos de estos ENM pueden volverse aparentes con el tiempo y proporcionar responsabilidades similares a productos conteniendo asbesto debido a su uso pervasivo en vida diaria. ENM como peligros ocupacionales y ambientales potenciales pueden plantear preocupaciones de salud y seguridad [56]. Como reportado por NIOSH, siete trabajadores desarrollaron hipoxemia y enfermedad pulmonar severa tras trabajar con pasta química conteniendo mezcla de nanopartículas (NP) indefinidas. En términos de riesgo de exposición ocupacional, datos han emergido proporcionando evidencia que un trabajador murió debido a síndrome de dificultad respiratoria mientras rociaba NP de níquel sobre arbustos para cojinetes de turbina usando proceso de arco metálico. Desafortunadamente, la industria de nanotecnología ha permanecido largely silenciosa sobre el uso de ENM, y reguladores gubernamentales no han introducido directrices estrictas. Por esta razón, hay necesidad de evaluar toxicidad de ENM y entender sus posibles efectos benéficos o adversos en salud humana.

El efecto de CNT aparece correlacionado con su método de administración o exposición [16]. El estándar actualizado disponible es prescrito para asbesto whereby el límite de exposición permisible (PEL) es 0,1 fibra por centímetro cúbico de aire sobre un promedio ponderado en tiempo (TWA) de 8 h con límite de excursión (EL) de 1,0 fibras de asbesto por centímetro cúbico sobre período de 30 min. El empleador debe asegurar que nadie esté expuesto por encima de este límite. Monitorear lugar de trabajo o actividad laboral para detectar exposición a asbesto en o por encima de PEL o EL para trabajador en riesgo de exposición es crucial [43].

Varios estudios han reportado que la exposición de CNT al sistema respiratorio podría llevar a asma, bronquitis, enfisema y cáncer de pulmón. Es importante notar que algunas fábricas son más polvorientas posiblemente debido a falta de estándares de higiene industrial [4]. Trabajar con CNT pulverizados o mezclas que contienen partículas finas de CNT podría suponer riesgo de inhalación. Muchos estudios experimentales conducidos sobre exposición por inhalación han contribuido a la evaluación de efectos de CNT en tracto respiratorio e identificación de límites de exposición. Exposición ocupacional prolongada a materia CNT aerotransportada podría llevar a lesiones severas en pulmones como documentado en estudios animales [4].

Resultados y discusión

El interior no polar funcionalizado de CNT proporciona una fuerte atracción a moléculas de agua polares y rechaza sal y contaminante. Esto, acompañado por bajo consumo de energía, antifouling así como función auto-limpiadora ha hecho membranas CNT una alternativa extraordinaria a tecnología convencional de tratamiento de agua [47]. CNT prístinos a menudo consisten de varios catalizadores metálicos, ceniza y un agente carbonáceo que actúan como sitio adsorbente adicional de CNT para múltiples contaminantes de agua. Las impurezas son uno de los factores usados para identificar diámetro de poro, morfología y habilidad de CNT para influir o inhibir comportamientos de adsorción [57]. Reducción y remoción de impurezas sin afectar la integridad original del nanotubo es uno de los mayores desafíos en aplicaciones de purificación de agua basadas en CNT [5]. Varios métodos se han aplicado para obtener CNT intactos como filtración, recocido a alta temperatura y centrifugación repetitiva, pero los métodos aún no pueden remover completamente los CNT [5,58,59].

Además de purificación de CNT, manipulación de solubilidad de CNT en sistema de agua es uno de los mayores factores impedimentos en tecnología de purificación de agua. Como ejemplo, CNT prístinos son insolubles en agua debido a su lámina de grafito hidrofóbica [5]. Para contrarrestar esta deficiencia, una modificación covalente se ha aplicado donde sustituyente hidrofílico se introduce usando tratamiento químico húmedo. Otro método es modificación no covalente que complementa el envolvimiento de surfactante ampliamente usado para aumentar solubilidad de CNT en agua o diferentes medios acuosos [60]. La contaminación de CNT en el ambiente podría ocurrir cuando nanotubos filtran de la columna de purificación de agua durante operación y fluyen directamente a recursos hídricos circundantes. Estos CNT tienen alta chance de reaccionar con varias biomoléculas presentes en el sistema de agua lo que posiblemente podría generar efectos tóxicos al ambiente acuático circundante [5]. Aunque CNT podrían ofrecer tecnologías de purificación de agua eficientes, los efectos ambientales potenciales necesitan ser analizados críticamente para estimar riesgo y desarrollar directrices de seguridad en el uso de materiales CNT en sistemas de tratamiento de agua.

Conclusiones

Asegurar instalaciones de agua limpia y segura, preservar nuestro ambiente y evitar nanofobia social son algunos de los desafíos enfrentados por científicos y los involucrados en el uso de nanomateriales. Debemos asegurar la conectividad de cada paso en el manejo, uso, disposición y destino de CNT en tecnologías de purificación de agua. Actualmente, hay pobreza de métodos y criterios para medir con precisión riesgos y peligros de CNT. Es aparente que hay necesidad de marcos regulatorios sólidos que aborden y gestionen específicamente los riesgos potenciales de nanotecnología. Este marco regulatorio debe abordar los desafíos enfrentados en identificar y caracterizar la forma de nanomaterial y su impacto en salud humana y ambiente. Nuestros procedimientos de evaluación de riesgo caso por caso, en profundidad, basados en relaciones estructura-propiedad del nanomaterial ayudarán a entender comportamiento de CNT en PTAR y su posterior liberación al ambiente. Con la ayuda de estas relaciones, una directriz de seguridad universal puede desarrollarse para abordar con precisión estimaciones de riesgo de CNT en futuras aplicaciones de purificación de agua.

Abreviaturas

CDC:

Centros para el Control y Prevención de Enfermedades

CNTs:

Nanotubos de carbono

CSIRO:

Organización de Investigación Científica e Industrial del Commonwealth

CWAO:

Oxidación catalítica en aire húmedo

E-CNTs :

CNT ambientales

EPA:

Agencia de Protección Ambiental

EU:

Unión Europea

IUPAC:

Unión Internacional de Química Pura y Aplicada

MM:

Matriz mixta

MWCNTs:

Nanotubos de carbono de pared múltiple

NM:

Nanomaterial

OECD:

Organización para la Cooperación y Desarrollo Económicos

PEL:

Límite de exposición permisible

QSAR:

Relación estructura-actividad cuantitativa

SWCNTs:

Nanotubos de carbono de pared simple

TA:

Ácido tánico

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

TWA:

Promedio ponderado en tiempo

WWTP:

Planta de tratamiento de aguas residuales