книги / Подходы к оценке безопасности наноматериалов

лены данные о потреблении энергии при производстве различных наноматериалов.

Рис. 13. Потребление энергии при производстве различных видов наноматериалов

CO2, экв/кг

Рис. 14. Влияние наноматериалов на выделение СО2

Изготовление полупроводников отличается наиболее высоким энергопотреблением по сравнению с другими рассматриваемыми материалами. Высокая потребность в энергии объясняется использованием таких процессов, как осаждение из паровой фазы и термическое окисление. Хотя традиционный процесс измельчения применительно к TiO2 не требует значительных энергетических затрат,

61

этот процесс не подходит для нанокомпонентов, имеющих специальные поверхностные свойства или строго определенный состав смеси. Наоборот, производство таких материалов требует проведения более сложных процессов, требующих оптимизации энергозатрат.

Увеличивается внимание к проблеме влияния наноматериалов на глобальное потепление (рис. 14). Как видно, производство полупроводниковых наноматериалов играет наибольшую роль в глобальном потеплении.

4.2. Использование и вторичное использование продукции нанотехнологий

Потенциальная опасность продуктов нанотехнологий на этапе использования зависит от их вида, структуры и способа производства. Воздействие наноматериалов, применяемых в качестве фильтров, катализаторов для преобразования энергии, неизвестно, использование наноматериалов при изготовлении средств передачи информации и сенсоров оценивается как незначительное. Основная опасность связана с потенциальным негативным воздействием на здоровье человека, которая кроется в товарах потребительского назначения, содержащих наноматериалы.

При оценке влияния наноматериалов на этапе их применения учитывается способ использования наночастиц, что определяет путь их воздействия на здоровье человека. Различают воздействия через дыхательные пути (например, при вдыхании воздуха в рабочей зоне), кожу (частицы, содержащиеся в солнцезащитных кремах), пищеварительную систему (вместе с пищей) или с помощью инъекций (медицинские препараты) (рис. 15).

Риск, связанный с наночастицами, во многом характеризуется путем их поступления в организм. Недавние исследования показали, что наночастицы могут накапливаться в областях с повышенной проницаемостью и проходить такие барьеры, как слизистая оболочка и оболочка сосудов. Мало известно об условиях, в которых различные частицы могут вызвать увеличение их распространения при совместном действии.

62

Доказанные пути Потенциальные пути

Рис. 15. Схема жизненного цикла наноматериалов в организме человека

Выделяют следующие факторы, определяющие токсичность наноматериала:

1.Небольшой размер наноматериалов. Это позволяет им проникать через клеточные мембраны и находиться внутри структуры ДНК или белка и тем самым изменять их функции. Наночастицы способны легко проницать через барьеры организма и накапливаться во внутренней среде.

2.Большая удельная поверхность наноматериалов. Эффект повышения химического потенциала веществ в ультрадисперсной форме приводит к аномальному увеличению растворимости и реакционной способности веществ в составе наноматериалов и приводит к увеличению токсичности.

3.Поверхностные характеристики. Высокая реакционная способность наноматериалов приводит к увеличению продукции свободных радикалов, которые ведут к повреждению ДНК.

4.Возможно, что наноматериалы адсорбируют отдельные контаминанты и транспортируют их внутрь клетки, что резко увеличи-

63

вает токсичность. Наноматериалы могут выступать в роли своеобразных проводников.

5.Метаболизм. Многие наночастицы с трудом распознаются клетками иммунной системы.

6.Накопление в объектах окружающей среды. Возможно, что наноматериалы не метаболизируются микроорганизмами и не под-

вергаются процессам детоксикации, что ведет к их накоплению в растительном, животном или микробном организме, тем самым ускоряется их поступление по пищевой цепи в организм человека.

Для оценки риска применения наноматриалов необходимо охарактеризовать их опасность и определить размер частиц, химический состав, структуру, оболочку. Далее на основании результатов оценки воздействия с учетом поведения частиц, длительности применения продукта, путей доставки частиц и данных о токсичности материала оценить возможные риски, вероятность воздействия, его характер, а также эффективность средств и систем контроля.

4.3.Управление отходами продукции нанотехнологии и рециклинг

Сцелью лучшего понимания потенциальных объемов и характеристик отходов наноматериалов все отходы материалов, которые могут быть загрязнены наночастицами, выделяются в отдельный поток отходов.

Отходы, содержащие наноматериалы, подразделяют на:

– чистые наноматериалы (например, карбоновые нанотрубки);

– объекты, загрязненные наноматериалами (например, средства индивидуальной защиты);

– суспензии, содержащие наноматериалы;

– твердые хрупкие матрицы с нановключениями или твердые материалы с наноструктурами, нежестко прикрепленными к поверхности, что может привести к попаданиям наночастиц в окружающую среду при контакте с воздухом и водой или вследствие механических повреждений.

В управлении отходами наноматериалов не учитываются твердые материалы, содержащие наноматериалы, в случае, если отсут-

64

ствует возможность выделения ими наночастиц. При этом учитываются пыли и стружки, образующиеся при измельчении и помоле данных материалов.

В настоящее время требования к утилизации базовых наноматериалов должны учитывать их характеристики. Если рассматриваемый материал токсичен, как, например, серебро или кадмий, или представляет иную опасность, например, как легковоспламеняющиеся растворители или кислоты, очевидно, что при управлении отходами это необходимо учитывать. Кроме того, многие наночастицы могут взаимодействовать с токсичными металлами. Наносферические материалы считаются огнеопасными веществами, поэтому даже наноматериалы на основе углерода должны собираться для предварительного определения характеристик опасности отходов.

Основой управления отходами, содержащими наноматериалы, является запрет на их размещение вместе с бытовыми отходами и на спуск в систему канализации.

При размещении отходов учитывается их состав, а также опасность/безопасность отходов в соответствии с существующими законодательными или иными актами.

При определении опасности наноотходов производится оценка материала по четырем свойствам: воспламеняемость, коррозионность, реактивность и токсичность. Воспламеняемость определяется с помощью специальных тестов, но, как правило, данным свойством обладают материалы с температурой вспышки менее 60 ºC. Такие материалы характеризуются способностью к самовоспламенению в определенных условиях, например при толчках. Коррозионностью обладают сильные кислоты и основания, которые могут разъедать контейнеры для хранения и транспортировки отходов. Реактивность характеризует материалы, неустойчивые при нормальных условиях, способные взрываться, выделять токсичные пары при нагревании, сжатии или попадании в водную среду. Токсичность веществ определяется посредством проведения специальных тестов. Кроме того, следует учитывать присутствие в наноматериалах веществ, токсичность которых известна, например, мышьяка, кадмия, свинца, серебра и селена. Смесь твердых отходов с опасными отходами также относится к опасным отходам.

65

Рассмотрим данную характеристику применительно к углеродным нанотрубкам. Не существует списка опасных отходов, в который были бы внесены углеродные нанотрубки. Тогда необходимо оценить опасность углерода, как основного материала, используемого в их производстве. Углерод не относится к опасным веществам, но тем не менее существует необходимость определить наличие свойств, определяющих опасность материала. Так, углеродные нанотрубки могут характеризоваться воспламеняемостью, но с учетом существующих знаний о данном материале можно заключить, что они не обладают коррозионностью, реактивностью и токсичностью. Таким образом, углеродные нанотрубки не относятся к опасным отходам. Другая ситуация наблюдается при оценке наноточек, поскольку в их состав могут входить кадмий и селен. Если тесты показали присутствие в исследуемом материале токсичных элементов, то его отходы относятся к категории опасных.

Размещение отходов, содержащих наноматериалы, не представляющих опасности, производится в контейнеры, изготовленные из инертного материала.

Размещение отходов наноматериалов, представляющих опасность, проводится следующим образом:

1.Отходы помещаются во внутренний контейнер, выполненный из инертного материала. Контейнер плотно закрывается во избежание попадания отходов в окружающую среду.

2.Внутренний контейнер помещается в пластиковый пакет.

3.Внешний контейнер внутри заполняется абсорбентом для предотвращения негативных последствий утечки отходов в случае нарушения целостности внутреннего контейнера.

На контейнерах помещаются специальные стикеры с описанием содержащихся отходов и словами «содержит наноматериалы». Как изображено на рис. 16, стикер должен содержать надписи: «осторожно», «содержит наноматериалы», «в случае повреждения контейнера обращаться (телефон и имя контактного лица)». Также могут указываться известные и предполагаемые свойства данных отходов. Если наноматериалы представлены в форме порошка, то также должна быть приписка на стикере: «Частицы могут обладать

66

повышенной активностью и токсичностью. Избегайте вдыхания и контакта с кожей».

ОСТОРОЖНО

Содержит наноматериалы Включая [описание состава вещества] В случае повреждения контейнера сообщить по телефону: [контактный телефон]

Рис. 16. Образец стикера на контейнер для отходов, содержащих наноматериалы

Наноматериалы считаются потенциально опасными. Отходы, содержащие опасные вещества в недопустимых количествах, должны быть утилизированы в соответствии с требованиями, предъявляемыми к опасным отходам. В случае если определенный наноматериал сохраняется длительное время в неизменной форме, все потенциально загрязненные каркасы, основания и другие материалы должны быть утилизированы путем сжигания. Кроме того, загрязненные острые элементы отходов должны быть помещены в специальные контейнеры и утилизированы как биологически опасные отходы.

При утилизации наносеребро и наномедь могут представлять риск в качестве экотоксинов. Утилизация использованных солнечных панелей, в которых используются полупроводниковые наноматериалы, также требует введения контроля для защиты рабочих и окружающей среды, поскольку многие из элементов, используемых в полупроводниках (кадмий, ртуть, селен), обладают химической токсичностью. На заключительном этапе жизненного цикла макромолекул наноматериалов существует лишь незначительная вероятность влияния на окружающую среду, что связано с их склонностью к деградации. Наиболее сложным является их отделение в установках для переработки отходов. Для отделения и идентификации макромолекул должны быть учтены следующие характеристики материалов:

–размер и форма материала (а также молекулярная масса);

–поливалентность;

–растворимость материала в полярных и неполярных жидкостях;

67

–заряд;

–поверхностные функциональные группы;

–химическая формула.

В целом, в процессе сжигания наноматериалы, выполненные на основе углерода, полностью утилизируются. Традиционно процесс сжигания требует дополнительной очистки образующихся газов, в которых могут содержаться тяжелые металлы, хлорпроизводные вещества и другие загрязнители. В настоящее время существуют молекулярные системы сортировки, позволяющие выделять вредные газы из продуктов сгорания и направлять их на дожигание. Однако углерод не является единственным компонентом, используемым для синтеза наноструктурных материалов. Например, кристаллы оксиды алюминия не сгорают, следовательно, возникает необходимость размещения их в окружающей среде, так как они не могут быть использованы вторично.

Попадание наночастиц в окружающую среду в процессе рециклинга продуктов, содержащих изучаемые частицы, определяется видом конечного продукта. Так, например, при рециклинге текстильной продукции, в составе которой имеется наносеребро, выделяется лишь 0,5 % его общего содержания, в сравнении с 90 % для металлических изделий, содержащих наночастицы оксида титана.

С целью снижения количества образующихся отходов предполагается снизить риск потерь наноматериалов и их попадания в окружающую среду в виде взвешенных частиц, содержащихся в небольших объемах неопасных жидкостей. При всем этом на данном этапе развития нанотехнологий количество образующихся отходов составляет около 9 т/год, что не представляет большой опасности для окружающей среды.

68

5. ОЦЕНКА ПОТЕЦИАЛЬНОЙ ОПАСНОСТИ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Перед проведением комплекса токсиколого-гигиенических исследований каждого отдельного наноматериала и содержащей его продукции на основании документации заявителя и собственных данных организации, проводящей исследование, должна быть выполнена предварительная оценка уровня их потенциальной опасности для здоровья человека. При этом выделяются три уровня потенциальной опасности.

1.Низкий уровень потенциальной опасности. Соответствую-

щий наноматериал оценивается по имеющимся показателям для составляющих его компонентов в традиционной форме (макродисперсной или в виде сплошных фаз). Исследований по специфическому биологическому действию компонентов в виде наночастиц не требуется.

2.Средний уровень потенциальной опасности. Осуществляется общетоксикологическая оценка материала и при необходимости проводятся некоторые виды специальных исследований.

3.Высокий уровень потенциальной опасности. Проводится полный комплекс исследований по проникновению наноматериалов через биологические мембраны и барьеры организма, распределению по органам и тканям, накоплению в жировой ткани, общетоксикологическая оценка (острая, подострая и хроническая токсичность), комплекс специальных исследований, включающий тестирование генотоксичности, мутагенности, тератогенности, влияния наноматериалов на геномный уровень (экспрессия генов), иммунотоксичности, органотоксичности, проницаемости барьера желудоч- но-кишечного тракта, аллергенности [6].

Алгоритм оценки уровня потенциальной опасности основывается на фундаментальных характеристиках тестируемого материала, декларируемых заявителем и (или) известных из данных литерату-

ры (рис. 17) [19].

69