Implications environnementales des nanotechnologies: risques et détection

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1 Implications environnementales des nanotechnologies: risques et détection Jean-Yves BOTTERO CEREGE UMR 7330 CNRS-Aix- Marseille Université-IRD-Collège de France

2 Commercialized nanomaterial/nanoproducts UV absorbers Medical Applications TiO 2 Stronger and lighter materials NTC Water treatment Ag Faster electronic circuit Antimicrobial TiO 2, CeO 2 Self-cleaning surfaces: cements, paints

3 Estimation de production de Nano TiO2 (Ch Robichaud et al EST, (2009) NanoAg Estimates Industrial applications of bulk silver 14,161 Metric Tons/Year Estimated nano-ag production Metric Tons/Year Nano-Ag as a % of Bulk Market 0.01% - 6% From Ch Hendren PhD Dissertation DUKE, 2011 In 2010, biocidal plastics and textiles are predicted to account for up to 15% of the total silver released into water in the European Union. Blaser, S. A. et al., Science of the Total Environment (2008).

4 Source of NP S Nano particule formulée= NM I j,i=1 n Nano-Enabled Product P j,j=1 m Concerne plus le Travailleur I 1 P 1 S I 2 P 2 I n P m Concerne plus l environnement = DILUTION, TRANSFORMATION, TRANSFERT Air Station d Epuration Storage /Use Landfill Agriculture Boue Effluent Natural Waters M Wiesner, JY Bottero CRAS 2011

5 La station d épuration et l incinération sont un passage «obligé» pour le traitement des déchets Le problème est d appréhender les liens entre les flux dans la chaine de valeurs et ce qui va vers l environnement via l air, eau, effluents pour les nano produits en fonction des quelques connaissances que l on a de leur dégradabilité, transformation, transport Par exemple le flux de Nm vers les stations d épuration peuvent être estimés à partir d analyses des boues et ainsi permet d estimer les pertes connaissant les quantités produites ou encadrer à partir d études antérieures (ex PCB, DDT). Cette approche est complémentaire de l analyse des dangers (impacts) encore largement inconnus ou peu fiable du fait d une caractérisation des Nms peu poussée dans bien des cas. Ces travaux doivent aller de paire avec une approche «ecoconception» permettant une meilleure bio-compatibilité des produits tout au long de leur cycle de vie.

6 Que connait on des transformations au contact de l eau (Np, Nm, Produits) I-Réactivité surfacique des nanoparticules en milieu aqueux (ex C 60 ) II-Cycle de vie de nanomatériaux (ex TiO2) III- Comment détecter?

7 number of H2O monolayers adsorbed I-Importance de l eau dans la biodisponibilité: exemple des C 60 initialement hydrophobes C % H 2 O hydrophobic irreversible modification of the surface Labille, Brant, et al. (2007) Fulleren., Nanotub. & Carb. Nanostruc. P (H 2 O) / P 0 multi-layer adsorption of H 2 O

8 zeta potential (mv) -HCOH H 2 O Que se passe-t-il à la surface? FTIR 1H SS NMR 1H SS NMR fullerol AQU/nC60 C ppm Infra-rouge 0 ph L hydroxylation de n-c 60 est -20 à l origine d une charge négative s < 0 no salt Labille Labille et et al., al., ES ES and and T T

9 II- Cycle de vie des nanomatériaux I. Surface properties and colloïdal stability bioavailability II-Interaction with III- transfer Water and Tranformation V. Biodegradation Toxicity coagulation Inorganic colloïds + Effets sur les procédés De traitement + Effets sur les procédés De traitement Diffusion dans les gels biologique s Adsorption,Flocu lation. Organic molecules pollutants IV. Interaction with matter

10 Zeta potential (mv) Evolution de la surface des NanoTiO2 formulés: Ex Crème solaire Apparition d une phase hydrophile stable perte de la couche organique PDMS Potentiel zéta de Al(OH) 3 3 ph 8 Dark UV/ Auffan, L., et al, 2010, Environmental Science & Technology, 44 (7), Labille et al, 2010, Environ. Poll.,, 158, 12,3482. C Botta et al, Environ. Poll? 2011

11 Inactivation virus Production d O 2- : «nano résidu» vs pure rutile TiO 2 La couche de Al(OH) 3 bloque la production d O 2- Ce n est pas le cas du P25 «recouvert» de SiO2 M Auffan et al, ES and T 2010 J Labille et al Band Env Pollution, Gap Calculations 2011 (ev) TiO2(P25) 3.42 TiO2(P25)-SiO2(2.5%) 3.43 TiO2(P25)-SiO2(10%) 3.45 TiO2(P25)-SiO2(20%) 3.47 A Barron, ES and T. 2011,

12 Un besoin : détecter et analyser dans les milieux naturels, eaux, sols, déchets. Caractériser des propriétés? Surface area Porosity Aggregation state Size Shape Solubility Chemical composition Surface charge Surface chemistry Nano particules Crystal structure

13 «Primary physicochemical» characterisation Size Agregation state, Size distribution Shape Surface area, Porosity Chemical composition Surface charge Crystal structure Surface chemistry Adapted from Hasselov & Kaegi PCS dynamic light scattering Static light scattering Electron microscopy (SEM) Electron microscopy (TEM) Raman spectroscopy X-ray diffraction ICP-MS Etc

14 Available Techniques and principles Chemical analysis Flame Atomic Absorption Spectroscopy FAAS Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy (GFAAS) Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES) Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy (ICPMS) Light Matter interactions (X-ray, ) spectroscopies Light scattering Spectroscopies Electron microscopies X-ray micro-spectroscopies and tomography Atomic force microscopy Separation/fractionation techniques Centrifugation Hydrodynamic flow Filtration Field-flow Sedimentation fractionation Chromatography Electrophoresis Coupled techniques FFF-ICP/MS HDChrom. ICP/MS

15 Principles Coupled techniques FFF-ICP/MS HDChrom. ICP/MS Assymetric Field-Flow-Fractionation WYATT Technology Separation/fractionation techniques

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