Nanotubus Karbon dalam Pengolahan Air: Menilai Keamanan, Risiko, dan Keberlanjutan

Latar Belakang

Mendapatkan akses ke air yang bersih dan aman adalah hak asasi manusia dasar. Sayangnya, 780 juta orang di seluruh dunia, terutama di negara berkembang, tidak memiliki akses ke fasilitas air tawar [1]. Nanotubus karbon (CNT) telah muncul sebagai nanomaterial (NM) terdepan untuk pengolahan air. Ia dapat menghilangkan hampir ketiga tipe polutan, yaitu polutan organik, anorganik, dan biologis [2]. Hal ini karena luas permukaan yang tinggi, rasio aspek yang besar dan reaktivitas kimia yang lebih besar bersama dengan biaya dan energi yang lebih rendah. Sekitar, 736 metrik ton CNT telah digunakan dalam beberapa tahun terakhir untuk aplikasi energi dan lingkungan, angka yang terus meningkat [3]. Meskipun potensi risiko bagi manusia dan lingkungan, tidak ada pendekatan sistematis untuk menilai risiko yang terkait dengan penggunaan CNT dalam pengolahan air, situasi yang memerlukan perhatian mendesak.

Studi literatur yang luas menunjukkan bahwa penggunaan CNT yang sembarangan sebagai adsorben, komposit atau katalis, sensor, membran, dan NM yang dirancang adalah alasan utama 6,0 dan 5,5% CNT bocor dari pabrik pengolahan air limbah (WWTP) dan pabrik pembakaran sampah, masing-masing [3]. Secara alternatif, CNT dapat hilang ke tanah (14,8%) dan udara (1,4%) dari fase pembuangan, yang pada akhirnya mungkin melarikan diri ke badan air tawar. Efek CNT lingkungan (E-CNT) masih belum jelas [4]. Penelitian kami sebelumnya menunjukkan bagaimana E-CNT dapat ditransformasi [5]. CNT dapat diubah untuk menahan biodegradasi, meningkatkan penyerapan seluler, reaktivitas dan toksisitas bagi flora dan fauna darat, air, dan udara. Akibatnya, persepsi masyarakat mungkin terpengaruh secara negatif dan mungkin ada tekanan publik untuk melarang CNT, karena mereka memiliki efek patologis yang mirip dengan asbes [6]. Semua bukti menunjukkan bahwa masyarakat tidak menyadari NM dan positif terhadap efek latensi CNT.

Memang, keberlanjutan ekonomi NM mungkin tergantung pada bobot risiko yang diterapkan pada sektor [7, 8] atau pendekatan kuantitatif yang lebih baik [9]. Studi literatur kami tentang aspek keselamatan CNT telah menunjukkan kesenjangan pengetahuan seperti yang diringkas di bawah ini:

• Tidak ada pedoman keselamatan universal untuk CNT kecuali untuk Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) [10].

• Sementara penanganan CNT sebagai “matriks padat” di lingkungan pekerja atau paparan primer menerima prioritas untuk penilaian risiko, kesenjangan pengetahuan yang luas diidentifikasi untuk paparan sekunder atau jalur lingkungan.

• Estimasi risiko CNT terutama didasarkan pada asumsi sebelumnya dengan perhatian yang kurang pada faktor kontribusi signifikan seperti properti fisiko-kimia CNT dalam teknologi pengolahan air.

Meskipun banyak organisasi seperti Environment Protection Agency (EPA), Organization for Economic Co-operation and Development (OECD), Uni Eropa (EU), dan Centre for Disease Control and Prevention (CDC) telah memantau implikasi keamanan lingkungan NM, mereka masih dalam pendekatan “tunggu dan lihat” untuk E-CNT. Dengan kesenjangan pengetahuan, di sini, kami memostulasikan beberapa pengukuran penilaian dan kontrol risiko yang penting dan baru untuk masalah keselamatan E-CNT seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1. Kami menekankan properti fisiko-kimia CNT seperti ukuran, bentuk, diameter, massa, rasio aspek, muatan, stabilitas, fungsionalitas yang mengontrol agregasi dan dispersibilitas dalam air, yang mungkin mempengaruhi nasib dan tingkat toksisitas E-CNT. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1, kekhawatiran risiko spesifik terkait dengan aplikasi spesifik CNT dalam pengolahan air. Estimasi penilaian dan manajemen risiko spesifik aplikasi CNT akan membantu memahami skenario global dan mengoreksi pedoman keselamatan CNT yang ada; dengan demikian, seseorang dapat memastikan nanosafety untuk CNT.

Jam nanosafety. Rotasi searah jarum jam berkaitan dengan pengukuran risiko utama CNT dalam pengolahan air. Risiko utama ini dirinci dalam bagian-bagian berikutnya dari makalah ini

Metode

Nanotubus karbon (CNT) adalah bahan seriat yang terbentuk dari lapisan jaringan kristal saringan lebah grafin yang digulung menjadi bentuk tabung baik sebagai lapis tunggal atau sebagai beberapa lapis [11]. Pengaturan struktural yang tepat dan urutan memberi mereka berbagai properti yang bermanfaat seperti ultra-ringan, tegangan permukaan tinggi, dan rasio aspek tinggi [12]. Nanotubus karbondinding tunggal (SWCNT) terdiri dari bentuk tabung silinder dari satu cangkang grafin sedangkan nanotubus karbondinding ganda (MWCNT) terdiri dari beberapa lapis lembar grafin [13, 14]. Keduanya tipe CNT telah digunakan untuk dessalinasi air langsung dan pengapusan tidak langsung polutan yang menyulitkan proses dessalinasi [15].

Penting untuk dipahami bahwa tidak semua CNT beracun dengan mengubah bentuk, ukuran, dan komposisi akan memodifikasi nanotoxisitas CNT [16]. CNT dengan panjang serat panjang (> 20 μm) yang melebihi panjang makrofag tidak dapat ditelan oleh makrofag mengakibatkan fagositosis yang tidak efisien, dan ini mencegah pembersihannya dari sistem, menyebabkan efek berbahaya. Secara umum, sejumlah studi telah menunjukkan bahwa panjang yang lebih besar dan diameter yang lebih besar memiliki toksisitas yang lebih besar daripada yang lebih kecil [16]. Selain itu, panjang dan diameter CNT yang dapat dikontrol selama sintesis CNT adalah faktor utama lainnya yang menentukan siklus hidup dan toksisitas. Toksisitas berbagai tipe CNT diringkas dalam Tabel 1.

Siklus Hidup dan Dosis Rilis CNT terkait Studi Penilaian Risiko

Siklus hidup CNT dapat dikategorikan menjadi enam tahapan seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2 yang berkaitan dengan jumlah penanganan dan status penyaluran [17, 18]. Tahap pertama melibatkan pembuatan CNT yang dilakukan dalam tungku tertutup tanpa intrusi oksigen; oleh karena itu, paparan CNT rendah. Namun, paparan CNT dapat terjadi selama perawatan tungku dan penanganan manual CNT. Tahap kedua melibatkan pembuatan produk sementara seperti masterbatch dan larutan terdispersi CNT. Meskipun skala peralatan dan jumlah penanganan dalam tahap 2 lebih kecil daripada lini produksi, agitasi dalam proses serbuk CNT dapat meningkatkan laju rilisnya ke lingkungan. Atras mekanis (aus dan tare) dan penuaan fisiko-kimia (korosi atau pengaruh termal) dapat menyebabkan rilis CNT. Tahap ketiga adalah pembuatan produk di mana akan ada penanganan langsung CNT yang dikurangi dengan memanfaatkan produk interim yang mengandung CNT yang diproduksi selama tahap kedua. Namun, tahap ini dapat melepaskan beberapa CNT ke udara selama pengeringan larutan dan pengeringan cat. Tahap keempat dari siklus hidup CNT adalah pemrosesan produk di mana stres fisik atau termal diterapkan pada produk komposit di mana CNT terikat pada polimer dasar dan rilis CNT bebas dari komposit tersebut diharapkan sangat rendah. Tahap kelima adalah penggunaan produk CNT oleh konsumen, dan akhirnya, tahap keenam adalah pembuangan atau daur ulang produk berbasis CNT [17, 18].

Melacak siklus hidup produk CNT mungkin dapat menyebabkan menentukan dalam keadaan apa rilis CNT dari aplikasi dapat terjadi. Misalnya, CNT yang umumnya ditanamkan dalam matriks polimer untuk meningkatkan kekuatan mekanis, konduktivitas, dll. tidak akan dilepaskan. Namun, degradasi polimer yang melibatkan fotoreaksi, hidrolisis, oksidasi, dan termolisis matriks polimer dapat melepaskan CNT ke lingkungan [19]. Laju degradasi dipengaruhi oleh fitur struktural polimer serta sumber eksternal seperti agen fisik, kimia, dan biologis yang mengontrol proses tersebut. Selain itu, Wohlleben et al. [20] menyelidiki siklus hidup nanokomposit dengan membandingkan fragmen yang dilepaskan dan bahaya in vivo yang seterusnya. Penulis mengidentifikasi tidak ada perbedaan signifikan dalam toksisitas untuk materi nanokomposit dibandingkan dengan sepadan tradisionalnya tanpa pengisi nano dalam penggunaan mekanis normal (misalnya, pemapanan cuaca, fase penggunaan normal, dan pengendalian). Selain itu, Wohlleben et al. [21] juga menganalisis rilis CNT dari nanomaterial yang terkait dengan ban diperkuat nano selama penggunaan mereka, baik melalui stres mekanis atau kimia gabungan. Penulis melaporkan bahwa skenario di jalan raya melepaskan lebih banyak fragmen dari aus tread yang ditanggulkan daripada skenario cuci ke permukaan air, menunjukkan bahwa hanya stres penuaan sinergis yang menginduksi rilis yang signifikan.

Penelitian yang dilakukan oleh Girardello et al. [22] pada invertebrat akuatik sangsuka (Hirudo medicinalis) menganalisis respons imun akut dan kronis selama periode waktu yang pendek [1, 3, 6, 12] dan panjang (1 hingga 5 minggu) paparan terhadap MWCNT. Migrasi seluler massif terjadi dalam angiogenesi dan fibroplasia sangsuka yang terpapar. Selain itu, karakterisasi imunositokimia menggunakan penanda spesifik menunjukkan bahwa monocyte dan makrofag (CD45⁺ dan CD68⁺) adalah sel yang paling terpengaruh dalam proses inflamasi ini. Sel imunokompetent ini dikarakterisasi oleh urutan peristiwa yang dimulai dengan ekspresi sitokin pro-inflamasi (IL-18) dan amiloidogenesis. Penulis juga mengonfirmasi bahwa oksida aluminium dalam larutan paparan sangsuka lebih rendah dari tingkat yang diterima untuk kesehatan manusia dalam air minum [22]. Selain itu, tidak ada logam seperti aluminium, kobalt, dan besi yang terdeteksi dalam jaringan sangsuka seperti yang ditunjukkan oleh analisis EDS. Eksperimen ini menemukan bahwa respons dalam sangsuka disebabkan oleh MWCNT dan bukan oleh keberadaan oksida logam dalam larutan paparan [22]. Selain itu, Muller et al. [23] mendokumentasikan bahwa ketika MWCNT diperkenalkan ke dalam trakeus tikus pada dosis 0,5, 2, dan 5 mg per tikus, ini mengakibatkan reaksi inflamasi dan fibrotik pada semua dosis setelah 3 hari dari administrasi intra-trakeal tunggal. Penelitian yang dilakukan oleh Xu et al. [24] menemukan bahwa 0,5 ml MWCNT (500 μg/ml) yang dimasukkan lima kali selama 9 hari ke dalam paru-paru tikus menghasilkan keberadaan MWCNT dalam makrofag alveolar dan nodus limfatik mediastinum.

Proses-proses di atas (misalnya sintesis CNT, produksi intermediate, pemrosesan lebih lanjut, penggunaan produk, proses daur ulang, dan pembuangan akhir) mungkin terjadi di semua tahapan siklus hidup produk [25]. Sisa CNT yang tetap selama pengolahan air limbah dapat membentuk berbagai produk samping melalui reaksi antara kimia dan beberapa polutan. Paparan kronis terhadap kimia ini melalui ingesti air minum, inhalasi, dan kontak dermis selama aktivitas ruangan teratur dapat menimbulkan risiko kanker dan non-kanker bagi manusia [26].

Sedikit studi yang telah menyelidiki nasib CNT di lingkungan atau umur parah mereka; penting untuk mempertimbangkan apakah ENM bertransformasi atau diangkut antara media yang berbeda, dan jika iya, selama berapa waktu. Ini menjadi sangat terjamin bahwa sifat dan perilaku CNT dapat berubah, terkadang cukup radikal, tergantung pada lingkungan yang ditemuinya, yang diatur oleh fisika kimia mereka, termasuk grup fungsional permukaan, dan bentuk fisik. Pengaruh pada lingkungan akan dikontrol oleh karakteristik emergensial CNT dan berbagai mekanisme yang mungkin, termasuk rilis spesies terlarut, passivasi, depletasi lokal spesies, atau penyerapan CNT langsung oleh organisme. Selain itu, efek negatif CNT dapat diminimalkan dengan memahami efek properti fisiko-kimia CNT pada toksisitas mereka. Misalnya, penelitian yang dilakukan oleh Wang et al. [27] tentang penurunan potensi fibrosi paru MWCNT melalui pelapis pluronic F108 menemukan bahwa pelapis tersebut mampu memberikan dispersi MWCNT dan mengurangi efek profibrogenik tabung ini in vitro dan dalam paru-paru utuh hewan. Mekanisme efek ini memiliki kapasitas untuk mencegah kerusakan lisosoma dalam makrofag dan mungkin tipe sel lain. Penulis menyarankan bahwa pelapis PF 108 dapat diterapkan sebagai pendekatan desain yang aman untuk MWCNT dalam bidang biomedis seperti pengiriman obat dan citra [27].

Ringkasnya, untuk mengevaluasi dampak lingkungan CNT, penting untuk mengkarakterisasi mereka secara akurat sebelum penggunaan dan setelah paparan ke media yang berbeda; fenomena di antarmuka antara nanomaterial dan lingkungan sangat kritis untuk membuat prediksi jangka panjang. Hampir tidak ada informasi yang tersedia tentang bagaimana ENM berinteraksi dengan media lingkungan, dan hanya beberapa studi yang telah dilaporkan dalam bidang ini. Perlu untuk memahami nasib dan signifikansi CNT yang dilepaskan ke lingkungan untuk mengembangkan desain produk yang tepat, rute manufaktur yang aman, dan strategi pembuangan akhir kehidupan yang efektif.

Fakta Kritis untuk CNT dalam Pengolahan Air

Adsorben

CNT adalah adsorben yang populer untuk pengolahan air, tetapi beberapa komentar tentang keamanannya diperlukan. Biasanya, CNT diperlukan dalam volume tinggi untuk menyerap polutan air dengan konsentrasi yang sangat tinggi. Oleh karena itu, perlu untuk melihat tipe CNT apa yang digunakan dan berapa banyak yang sedang digunakan. Individu CNT yang berbeda mungkin memiliki properti fisiko-kimia yang berbeda yang harus diakses. Lebih dari 50.000 tipe CNT yang berbeda tersedia di pasar [28] dengan panjang, bentuk, muatan, dan sebagainya yang menggambarkan kompleksitas materi di lingkungan. Di sisi lain, CNT pristin itu sendiri menimbulkan masalah karena impurety generik mereka [29] seperti logam dan agen karbon yang menimbulkan masalah nanosafety. Sebagai korolar, ilmuwan telah memurnikan dan fungsionalisasi CNT dengan berbagai pendekatan [30, 31], tetapi studi terbaru menunjukkan bahwa CNT seperti itu meningkatkan penyerapan logam dan tingkat toksisitas pada sel hidup [32].

Serapan polutan air mengubah karakteristik CNT seperti ukuran pori dan volume, muatan permukaan atau energi, stabilitas, hidrofobisitas, dan fungsionalitas [33]. Pertama, serapan berbagai polutan air organik seperti asam humik dan asam tannic (TA) mengubah properti CNT dan meningkatkan stabilitasnya di lingkungan. Hyung et al. menemukan CNT stabil dengan materi organik yang terserap dalam air Sungai Suwannee [34], konsisten dengan studi fulleren stabil di Sungai Sahan, Ukraina [35]. Citra mikroskop elektron transmisi (TEM) menunjukkan bahwa CNT menjadi tebal pada ukuran setelah adsorpsi TA dan mengarah pada pemisahan CNT individu dari gumpalan [36]. Fenomena serupa juga dapat ditemukan untuk adsorpsi surfaktan pada CNT, yang mengubah dispersibilitas nanotubus dalam air [37]. Studi-studi ini memostulasikan bahwa CNT stabil dapat diangkut dan kemudian disetor setelah rilisnya dari WWTP ke lingkungan akuatis, sehingga mengarah pada potensi penyerapan E-CNT oleh sel hidup. Kedua, logam anorganik seperti Fe, Cd, Ni, As, dan Hg yang terserap pada CNT dapat memiliki reaktivitas dan toksisitas yang lebih besar di dalam partikel. Studi menemukan bahwa CNT dengan ion logam seperti Fe dan Ni lebih beracun bagi sel hidup [38]. Selain itu, adsorben biologis, terutama mikroba, memiliki potensi untuk mengubah properti permukaan CNT di WWTP. Misalnya, enzim intrakelular bakteri tertentu katalis pembentukan radikal hidroksil (•OH) atau H₂O₂ melalui reaksi redoks yang menghasilkan CNT karbosilasi (C) [39]. Ini mengubah CNT pristin hidrofobik menjadi hidrofilik, mengganggu agregasinya dan membuat penanganannya sangat sulit, dan tabung akan sulit untuk dipertahankan di WWTP. Beberapa enzim telah mendgradasi C-CNT [39, 40] dan mentransformasi fragmen CNT pendek untuk memfasilitasi transportasi selanjutnya di lingkungan. Oleh karena itu, polutan (misalnya organik, anorganik, dan biologis) harus dihilangkan dengan cara yang tidak mengubah properti CNT. Seseorang harus memeriksa apakah CNT yang tertutup setelah adsorpsi telah dipotong, digiling, digeser, atau dirip atau tidak. Pada dasarnya, seseorang dapat memprediksi kesesuaian CNT untuk digunakan kembali untuk adsorpsi polutan.

Katalis untuk Proses Oksidasi Lanjutan

Mengukur risiko CNT sebagai komposit katalis dapat dilakukan dengan berbagai cara. Pertama, pelinggahan CNT dengan logam seperti Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo, Rh, Pd, Ag, Cd, Pt, Au, Hg dan oksida mereka melalui adsorpsi fisik dan/atau kimia tidak stabil; ada kemungkinan rilis jumlah partikel logam yang signifikan ke dalam lingkungan. Kedua, setiap logam yang di-dop memiliki properti spesifiknya sendiri yang mungkin mempengaruhi properti induk CNT dan pada akhirnya perilaku keseluruhan komposit. Misalnya, Fe populer untuk memagnetkan katalis CNT untuk kemudahan daur ulang, yang dapat menghasilkan radikal hidroksil yang mempengaruhi kelangsungan sel [41]. Hal ini mungkin mempengaruhi strategi penilaian risiko nanosafety, dan seseorang harus menghitung kompatibilitas biologis, risiko kesehatan, dan masalah toksisitas komposit akhir sebelum mengembangkan pedoman keselamatan. Ketiga, dekontaminasi mikroba menggunakan komposit CNT penting. CNT-Ag-TiO₂ telah menunjukkan efek antimikroba langsung dan populer digunakan untuk merobek dinding sel bakteri [42]. Namun, perlakuan seperti itu dapat berakibat fatal, karena beberapa bakteri terutama Cyanobacteria dapat bertanggung jawab untuk melepaskan kombinasi toksik yang lebih besar, misalnya, mikrosistin, saat dekontaminasi melalui CNT [2]. Keempat, fotodegradasi dan oksidasi udara basah katalitik (CWAO) dari polutan organik persisten menggunakan katalis logam-CNT telah menghasilkan berbagai produk degradasi dan/atau intermediate mereka yang dapat lebih beracun daripada kombinasi induk dan berbahaya bagi kesehatan. Oleh karena itu, sebelum mengasumsikan bahwa komposit logam-CNT sepenuhnya aman untuk digunakan sebagai fotokatalis dan oksidasi udara basah katalitik, seseorang juga harus mengingat reaktivitas, toksisitas, dan nasib produk degradasi di lingkungan. Terakhir, ilmuwan perlu memisahkan CNT induk dari logam yang di-dop untuk daur ulang. Meskipun teknik pemotongan kering atau basah tersedia untuk memotong dan/atau menggiling komposit CNT [44], ada kemungkinan signifikan untuk menciptakan aerosol fragmen CNT/logam bebas pendek. Permukaan air dan tanah akan menjadi tujuan akhir dari rilis atmosfer CNT apa pun dan harus diperlakukan dengan hati-hati. Oleh karena itu, penanganan komposit logam-CNT dalam media cair atau memasang ventilasi ekstraksi saat memproses akan membantu.

Aplikasi CNT dalam Manufaktur Sensor

Aplikasi CNT sebagai elektroda untuk biosensor relatif aman untuk digunakan. Terdapat sedikit kemungkinan kontak langsung air dengan elektroda CNT. Namun, beberapa pengukuran risiko dapat diikuti. Pertama, CNT 1D sering digabungkan dengan NM 2D, terutama grafin untuk konduktivitas elektro yang tinggi dan fleksibilitas mekanis. Superstruktur ini memiliki properti fisiko-kimia yang berbeda [45] dan menimbulkan bahaya lingkungan yang berbeda yang harus diukur dengan hati-hati. Kedua, CNT yang difungsionalisasi dengan polidialildimetilamoniun klorida (PDDA) sangat umum dalam biosensor elektrokimia. CNT-PDDA berbahaya karena polimer telah mempengaruhi kelangsungan sel dan hemolisis [46]. Akhirnya, biomolekul seperti asam deoksiribonukleat (DNA), aptamer, enzim, dan protein telah banyak diimobilkan pada CNT untuk sensing polutan air organik, anorganik, dan biologis. Metode imobilisasi yang diinginkan dari biomolekul ini adalah adsorpsi fisik daripada modifikasi kovalen untuk mempertahankan integritas CNT dan konformasi biomolekul yang mengarah pada konduktivitas listrik yang tinggi. Namun, sistem ini tidak stabil dan tahan lama karena biomolekul yang lepas dari sistem seringkali beracun bagi manusia. Oleh karena itu, kualitas biosensor dan pengukuran risikonya sepenuhnya tergantung pada strategi yang diambil untuk menghasilkan produk akhir.

Utilisasi CNT dalam Produksi Membran

CNT populer sebagai membran terpisah disebut membran CNT vertikal teratur (VA). Dalam kontras, membran campuran matriks (MM) dapat dihasilkan dengan doping CNT ke dalam membran polimer yang ada seperti osmosis terbalik (RO), nanofiltrasi (NF), dan ultrafiltrasi (UF) untuk proses pemisahan yang ditingkatkan. Oleh karena itu, peneliti sering mengklasifikasi membran CNT sebagai RO, NF, UF, dan membran nano-tingkat [47]. Ini tidak dapat diterima—setidaknya dari sudut pandang nanosafety karena membran CNT berbeda dari membran RO, NF, dan UF. Menurut Kimia Murni dan Terapkan Internasional (IUPAC) dan Organisasi Standarisasi Internasional (ISO), sebuah membran hanya dapat diklasifikasikan berdasarkan ukuran polutan air yang ditolaknya [48, 49]. Sementara RO dan NF menyucikan air melalui difusi, UF menyaring partikel air yang tersendang. Dalam kontras, membran CNT menahan ion terlarut dan padatan tersendang dan juga telah digunakan untuk pemisahan gas [50]. Sementara polimer organik adalah blok konstruksi RO, NF, dan UF; CNT adalah alotrop karbon. Dibandingkan membran konvensional, membran CNT sering difungsionalkan dengan nanopartikel lain seperti TiO₂, Ag, dan Fe₃O₄ yang mungkin memiliki properti fisiko-kimia yang berbeda. Akibatnya, penilaian risiko konvensional untuk RO, NF, dan UF tidak dapat diterapkan pada membran CNT. Seseorang harus mempertimbangkan risiko konvensional dan risiko baru yang muncul yang terkait dengan teknologi membran CNT. Oleh karena itu, pedoman keselamatan CNT sebagai proses membran harus didasarkan pada pandangan material dan terapan, tidak hanya berdasarkan penggunaan terminologi yang tidak konsisten yang diberikan oleh ilmuwan. Klasifikasi membran CNT harus ditinjau secara kritis untuk mengatur mereka dalam konteks estimasi dan regulasi risiko karena tidak mungkin untuk menetapkan hukum tanpa definisi yang jelas dari teknologi.

Nanomaterial Terkonstruksi

CNT terkonstruksi menunjukkan janji yang luar biasa dalam pengolahan air [51]. Telah dihitung bahwa sekitar 1100–29.200 metrik ton/tahun nanomaterial terkonstruksi (ENM) teremit dari WWTP sebagai efluen di seluruh dunia [52]. Beberapa jam dan hari kemudian, ENM tersebut menendang sebagai agregasi yang lebih besar di sumber air alami. Oleh karena itu, penggunaan ENM yang sukses memerlukan implementasi pedoman keselamatan [53] berdasarkan properti baru mereka seperti bentuk, ukuran, muatan, agregasi, dan sebagainya. Reaktivitas yang tidak biasa dari ENM adalah karena efek permukaan dan kuantum dengan properti optoelektronik dan mekanis yang berbeda [54]. Properti ini perlu diverifikasi karena hasil toksikologis yang berbeda. Nasib CNT terkonstruksi tergantung pada properti antarmuka mereka, seperti adsorpsi, reaktivitas, adhesi, kohesi, dan basabilitas, dan juga diatur oleh kimia air seperti pH, campuran polutan, dan sebagainya [54]. CNT terkonstruksi dengan fungsionalitas yang tepat bertindak sebagai titik penampatan di mana berbagai komponen air alami dapat ancar. Modifikasi seperti itu akan memfasilitasi pemisahan CNT dari gumpalan, dan CNT individual akan bocor dari WWTP. Akibatnya, efluen air yang tercemar dapat ditemukan dalam air yang diolah oleh CNT. Karena kompleksitas materi, seringkali sulit untuk mengukur toksisitas CNT. Ilmuwan menggunakan asumsi seperti “One Size Fit All” untuk mengukur fenomena toksisitas dari materi baru kompleks ini. Ada kesenjangan pengetahuan dan kesenjangan data ilmiah. Pemikiran diperlukan untuk memvalidasi dan memeriksa tingkat toksisitas setiap ENM secara tepat. Selain pekerjaan basah lab, kami dapat mengantisipasi penggunaan beberapa alat komputasi seperti model hubungan struktur-aktivitas kuantitatif (QSAR) untuk mengklasifikasi ENM dengan properti fisiko-kimia yang sepakat. Ini akan membantu pemangku kepentingan memahami titik panas risiko keseluruhan dan memungkinkan mereka untuk memilih kombinasi mana yang akan aman untuk digunakan. Ilmuwan juga dapat menetapkan batas ambang untuk setiap ENM yang akan digunakan di WWTP.

Teknologi Gabungan One-Pot

Ilmuwan sering memilih untuk mengembangkan teknologi “One-Pot” di mana berbagai teknologi pengolahan air diintegrasikan untuk menangani beberapa polutan air secara real-time [5]. Pelacakan kombinasi semacam itu dalam hal nanosafety dapat menjadi pekerjaan yang sulit. Mengetahuinya, belum ada uji toksisitas dari teknologi hibrid semacam itu yang telah dilakukan, sehingga seseorang mungkin perlu menguji untuk kerusakan lingkungan apa pun. Jelas, penilaian risiko untuk setiap teknologi terpisah harus khawatir tentang yang lain sehingga seseorang dapat menerapkan kontrol tanpa penilaian lebih lanjut. Risiko total dari teknologi gabungan “One-Pot” dapat dihitung sebagai berikut:

Risiko Paparan Pekerja CNT

Peningkatan jumlah dan volume produksi produk yang mengandung nanomaterial terkonstruksi (ENM), namun, akan mengarah pada rilis yang lebih besar ke lingkungan selama manufaktur, penggunaan, pencucian, atau pembuangan produk [55]. Pada level sederhana, nanoteknologi akan terlihat seperti industri yang aman karena sangat sedikit masalah yang telah dilaporkan hingga saat ini. Namun, efek yang paling berbahaya dari ENM ini mungkin menjadi nyata seiring waktu dan memberikan kewajiban yang mirip dengan produk yang mengandung asbes karena penggunaan yang luas dalam kehidupan sehari-hari. ENM sebagai potensi bahaya pekerja dan lingkungan mungkin menimbulkan kekhawatiran kesehatan dan keselamatan [56]. Seperti yang dilaporkan oleh NIOSH, tujuh pekerja mengalami hipoksemia dan penyakit paru parah setelah bekerja dengan pasta kimia yang terdiri dari campuran nanopartikel (NP) yang tidak ditentukan. Dalam hal risiko paparan kesehatan pekerja, data telah muncul yang memberikan bukti bahwa seorang pekerja meninggal karena sindrom kesulitan bernapas saat menyemprotkan NP nikel pada pohon untuk bearing turbine menggunakan proses busur logam. Sayangnya, industri nanoteknologi telah tetap largely diam tentang penggunaan ENM, dan regulator pemerintah belum memperkenalkan pedoman yang ketat. Untuk alasan ini, ada kebutuhan untuk menilai toksisitas ENM dan memahami manfaat atau efek berbahaya yang mungkin pada kesehatan manusia.

Efek CNT tampaknya berkorelasi dengan metode administrasi atau paparan mereka [16]. Standar yang diperbarui yang tersedia ditetapkan untuk asbes di mana batas paparan yang diizinkan (PEL) adalah 0,1 serat per sentimeter kubik udara selama rata-rata waktu tertimbang 8 jam dengan batas ekskursi (EL) 1,0 serat asbes per sentimeter kubik selama periode 30 menit. Pemberi kerja harus memastikan bahwa tidak ada yang diekspos di atas batas ini. Pemantauan tempat kerja atau aktivitas kerja untuk mendeteksi paparan asbes berada di atas PEL atau EL untuk pekerja yang berisiko paparan sangat penting [43].

Sejumlah studi telah melaporkan bahwa paparan CNT pada sistem pernapasan dapat menyebabkan asma, bronkitis, emfisema, dan kanker paru. Penting untuk dicatat bahwa beberapa pabrik lebih debu mungkin karena kurangnya standar higiene industri [4]. Bekerja dengan serbuk CNT atau campuran yang mengandung partikel CNT halus dapat menimbulkan risiko inhalasi. Banyak studi eksperimental yang dilakukan pada paparan inhalasi telah berkontribusi pada penilaian efek CNT pada saluran pernapasan dan identifikasi batas paparan. Paparan pekerja jangka panjang pada materi CNT udara dapat menyebabkan lesi parah pada paru seperti yang didokumentasikan dalam studi hewan [4].

Hasil dan Pembahasan

Fungsi interior nonpolar CNT memberikan daya tarik yang kuat terhadap molekul air polar dan menolak garam serta polutan. Ini, bersama dengan konsumsi energi rendah, antifouling, serta fungsi self-cleaning telah membuat membran CNT alternatif luar biasa terhadap teknologi pengolahan air konvensional [47]. CNT pristin sering terdiri dari berbagai katalis logam, abu, dan agen karbon yang berfungsi sebagai situs adsorben tambahan CNT untuk berbagai polutan air. Impurity adalah salah satu faktor yang digunakan untuk mengidentifikasi diameter pori, morfologi, dan kemampuan nanotubus untuk mempengaruhi atau menghambat perilaku serapan [57]. Pengurangan dan penghapusan impurity tanpa mempengaruhi integritas nanotubus asli adalah salah satu tantangan utama dalam aplikasi pengolahan air berbasis CNT [5]. Beberapa metode telah diterapkan untuk mendapatkan CNT utuh seperti filtravasi, pemanasan suhu tinggi, dan sentrifugasi berulang, tetapi metode ini masih tidak dapat sepenuhnya menghapus CNT [5, 58, 59].

Selain pemurnian CNT, manipulasi kelerengaan CNT dalam sistem air adalah salah satu faktor utama yang menghambat dalam teknologi pengolahan air. Sebagai contoh, CNT pristin tidak larut dalam air karena lapisan grafit hidrofobik mereka [5]. Untuk mengatasi kekurangan ini, modifikasi kovalen telah diterapkan di mana substituent hidrofilik diperkenalkan melalui perawatan kimia basah. Metode lain adalah modifikasi non-kovalen yang melengkapi pembungkus surfaktan yang banyak digunakan untuk meningkatkan kelerengaan CNT dalam air atau media akuatik lainnya [60]. Kontaminasi CNT di lingkungan dapat terjadi ketika nanotubus bocor dari kolom pengolahan air selama operasi dan langsung mengalir ke sumber air di sekitar. CNT ini memiliki kemungkinan tinggi untuk bereaksi dengan berbagai biomolekul yang ada dalam sistem air yang mungkin dapat menghasilkan efek toksis terhadap lingkungan akuatik di sekitar [5]. Meskipun CNT dapat menawarkan teknologi pengolahan air yang efisien, efek lingkungan potensial perlu dianalisis secara kritis untuk mengestimasi risiko dan mengembangkan pedoman keselamatan dalam penggunaan materi CNT dalam sistem pengolahan air.

Kesimpulan

Memastikan fasilitas air yang bersih dan aman, melestarikan lingkungan kita, dan menghindari nanofobia sosial adalah beberapa tantangan yang dihadapi oleh ilmuwan dan mereka yang terlibat dalam penggunaan nanomaterial. Kami harus memastikan konektivitas setiap langkah dalam penanganan, penggunaan, pembuangan, dan nasib CNT dalam teknologi pengolahan air. Saat ini, ada kesenjangan metode dan kriteria untuk mengukur risiko dan bahaya CNT secara akurat. Jelas bahwa ada kebutuhan akan kerangka regulasi yang solid yang mengatasi dan secara khusus mengelola potensi risiko nanoteknologi. Kerangka regulasi ini harus mengatasi tantangan yang dihadapi dalam mengidentifikasi dan mengkarakterisasi bentuk nanomaterial dan dampaknya pada kesehatan manusia dan lingkungan. Prosedur penilaian risiko mendalam case-by-case kami berdasarkan hubungan struktur-properti nanomaterial akan membantu dalam memahami perilaku CNT di WWTP dan rilisnya selanjutnya ke lingkungan. Dengan bantuan hubungan ini, pedoman keselamatan universal dapat dikembangkan untuk secara akurat mengatasi estimasi risiko CNT dalam aplikasi pengolahan air di masa depan.

Singkatan

CDC:

Centre for Disease Control and Prevention

CNTs:

Nanotubus karbon

CSIRO:

Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization

CWAO:

Oksidasi udara basah katalitik

E-CNTs :

CNT lingkungan

EPA:

Environment Protection Agency

EU:

Uni Eropa

IUPAC:

Kimia Murni dan Terapkan Internasional

MM:

Campuran matriks

MWCNTs:

Nanotubus karbon dinding ganda

NM:

Nanomaterial

OECD:

Organisasi untuk Kemitraan dan Pengembangan Ekonomi

PEL:

Batas paparan yang diizinkan

QSAR:

Hubungan struktur-aktivitas kuantitatif

SWCNTs:

Nanotubus karbondinding tunggal

TA:

Asam tannic

TEM:

Mikroskopi elektron transmisi

TWA:

Rata-rata waktu tertimbang

WWTP:

Pabrik pengolahan air limbah