Ce dossier constitue la suite de mon précédent essai intitulé “Etudes portant sur la toxicité des dérivés de Graphène sur tous les éléments des environnements aquatiques”.
Dans une étude, de 2014, intitulée “Stability and Transport of Graphene Oxide Nanoparticles in Groundwater and Surface Water” [104], des chercheurs de l’université de Californie, à Riverside, ont mesuré la mobilité de l’oxyde de graphène dans l’eau et ont déterminé qu’il pouvait aisément y circuler facilement en cas de libération dans les lacs, les cours d’eau, les fleuves – et, donc, également, les nappes phréatiques.
L’oxyde de graphène est également réputé pour être facilement dispersé dans d’autres solvants organiques.
Selon l’un des co-auteurs, Jake Lanphere: «D’autres études ont examiné des conditions de laboratoire idéales qui ne reflètent pas nécessairement les conditions que l’on peut trouver dans les environnements aquatiques. Notre étude a examiné les effets de paramètres environnementaux pertinents et de différents types d’eau que l’on peut trouver dans les eaux souterraines et les eaux de surface. Notre étude est la première à examiner les effets de ces paramètres environnementaux sur le devenir et le transport dans les milieux poreux».
Selon une étude, de 2020, intitulée “Solvent–Solvent Correlations across Graphene: The Effect of Image Charges”, [90] une feuille de graphène se comporte “comme un miroir” pour les molécules d’eau. « Au contact de l’eau, le graphène interfère avec les liaisons hydrogène entre les molécules d’eau, les remplaçant par une attraction de dispersion plus faible vers les atomes de carbone. Néanmoins, le graphène pur s’avère faiblement hydrophile. Cela s’explique en partie par la conductivité du graphène, qui ajoute un mécanisme attractif intéressant entre les dipôles aqueux et les charges transitoires induites sur les atomes de carbone.»
Depuis lors, d’autres études ont été réalisées portant sur la même problématique… et sur les solutions à y apporter – à savoir, comment éliminer les dérivés de graphène des eaux. Un certain nombre d’étude, également, ont étudié les amplitudes de concentration et d’auto-accumulation des dérivés du graphène dans les stations d’épuration des eaux usées.
“Performance of constructed wetlands with different water level for treating graphene oxide wastewater: Characteristics of plants and microorganisms”. Mai 2023. [105]Les zones humides construites sont censées présenter des avantages pour l’élimination des polluants émergents, mais leurs caractéristiques sont moins connues lorsqu’elles traitent des eaux usées contenant de l’oxyde de graphène. Dans la présente étude, nous avons étudié les caractéristiques de l’Iris pseudacorus, des micro-organismes et de l’élimination des polluants dans les zones humides construites avec un niveau d’eau de 60 cm et 37 cm. Les plantes dans les eaux souterraines avaient une teneur en chlorophylle plus élevée et des activités d’enzymes antioxydantes (superoxyde dismutase, catalase, peroxydase) ainsi qu’une teneur en malondialdéhyde plus faibles. Les activités des enzymes substrats ont été affectées par le temps et le type de zones humides construites. Les zones humides construites avec un niveau d’eau de 37 cm n’ont augmenté que les activités de la déshydrogénase, tandis que les zones humides construites avec un niveau d’eau de 60 cm ont augmenté les activités de la catalase, de l’uréase, de la phosphatase neutre et de l’arylsulfatase. L’analyse de séquençage a révélé que la communauté microbienne présentait une plus grande richesse et une plus grande diversité dans les eaux usées chlorées, mais cette dissemblance a pu être atténuée par l’effet du temps. Les protéobactéries (25,62-60,36 %) et les actinobactéries (13,86-56,20 %) étaient des phyla dominants stables dans les eaux usées souterraines. Le rapport protéobactéries/acidobactéries indique que l’état trophique de la zone rhizosphérique des plantes est plus faible dans les eaux usées souterraines. Les nitrospirae ont été enrichis de 0,16 à 0,68 % et de 0,75 à 1,42 % dans les zones humides construites avec un niveau d’eau de 60 cm et les zones humides construites avec un niveau d’eau de 37 cm. L’enrichissement des phyla Proteobacteria et Firmicutes dans les zones humides construites avec un niveau d’eau de 60 cm a été attribué à la classe Gammaproteobacteria et au genre Enterococcus. La transformation de l’oxyde de graphène a montré quelques réductions dans les zones humides construites, qui pourraient être affectées par la profondeur de l’eau et du substrat. Dans l’ensemble, les eaux usées domestiques ont permis l’élimination de l’azote et du phosphore à hauteur de 48,78-62,99% et 95,01%, ce qui a diminué de 8,41% et 7,31% dans les eaux usées urbaines. L’élimination de la demande chimique en oxygène a été moins affectée, atteignant 93%. Cette étude pourrait fournir de nouvelles preuves de la capacité des eaux souterraines à traiter les eaux usées contenant de l’oxyde de graphène.
“Disinfection byproduct formation and toxicity of graphene oxide in water treatment system”. 2019. [89]
La production et l’utilisation croissantes d’oxyde de graphène sont inévitables dans les systèmes de traitement de l’eau et des eaux usées. Avec l’augmentation rapide de la production et de l’utilisation de l’oxyde de graphène, il est inévitable qu’il s’écoule dans les systèmes de traitement de l’eau et des eaux usées et qu’il soit finalement oxydé par les désinfectants pour former des sous-produit de désinfection. Par ailleurs, l’oxyde de graphène étant un matériau carboné de taille nanométrique, il peut également perturber le système de digestion humain lorsqu’il est absorbé par le corps humain. Cette étude a exploré la formation de sous-produit de désinfection en présence d’oxyde de graphène uniquement. Les résultats de cette étude font progresser les connaissances sur la formation de sous-produit de désinfectionpar l’oxyde de graphène dans les systèmes de traitement de l’eau et donnent un aperçu des effets toxiques des produits de transformation de l’oxyde de graphène.
“Investigation of acute effects of graphene oxide on wastewater microbial community: a case study”. 2013. [122]
Dans la présente étude, nous avons étudié la toxicité aiguë, c’est-à-dire l’effet à court terme et à forte charge de l’oxyde de graphène sur les fonctions microbiennes liées au processus de traitement biologique des eaux usées. Les résultats ont montré que les effets toxiques de l’oxyde de graphène sur les communautés microbiennes dépendaient de la dose, en particulier pour des concentrations comprises entre 50 et 300mg/L. L’activité métabolique bactérienne, la viabilité bactérienne et l’élimination biologique des nutriments, tels que les matières organiques, l’azote et le phosphore, ont été significativement affectées par la présence de l’oxyde de graphène dans les boues activées. En outre, la présence de l’oxyde de graphène a détérioré la qualité de l’effluent final en augmentant la turbidité de l’eau et en réduisant la déshydratabilité des boues. Les techniques microscopiques ont confirmé la pénétration et l’accumulation de l’oxyde de graphène dans la matrice du floc des boues activées. Les résultats ont démontré que l’interaction de l’oxyde de graphène avec les eaux usées produisait une quantité significative d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), ce qui pourrait être l’un des mécanismes responsables de l’effet toxique de l’oxyde de graphène.
“Aggregation of graphene oxide and its environmental implications in the aquatic environment”. 2023. [99]
La stabilité de l’oxyde de graphène est l’un des facteurs les plus importants qui contrôlent en fin de compte son devenir dans l’environnement et les risques écologiques. Les particules de l’oxyde de graphène agrégées ont moins de sites actifs disponibles et un rapport surface-volume plus faible que les particules d’oxyde de graphène primaires, ce qui diminue la réactivité et la biodisponibilité des particules d’oxyde de graphène agrégées. L’oxyde de graphène a été annoncé comme étant la particule la plus toxique parmi les différents matériaux à base de graphène, ce qui montre l’importance de comprendre l’exposition de l’oxyde de graphène dans l’environnement pour un fonctionnement sûr. En raison de ses nombreux groupes contenant de l’oxygène, l’oxyde de graphène est dispersable dans l’eau et peut être transporté dans l’eau par des processus physiques ou par la chaîne alimentaire. Il peut donc s’accumuler dans l’écosystème et constituer une menace pour les organismes aquatiques et, à terme, pour la santé humaine. Les risques et la toxicité de l’oxyde de graphène dans l’environnement aquatique ne peuvent pas être abordés uniquement en fonction de ses caractéristiques sans prendre en compte le comportement d’agrégation de l’oxyde de graphène dans les masses d’eau naturelles. Par conséquent, la connaissance de la cinétique d’agrégation et de la stabilité de l’oxyde de graphène est essentielle pour promouvoir ses applications industrielles et évaluer ses risques environnementaux.
Après leur rejet dans les milieux aquatiques, les particules de l’oxyde de graphène entrent en contact avec les constituants du système naturel, qui peuvent inclure des ions inorganiques, des matières organiques naturelles et des particules colloïdales. Ces substances peuvent influencer le comportement de l’oxyde de graphène colloïdal et dicter l’agrégation/la stabilité de l’oxyde de graphène dans l’eau naturelle. De nombreuses découvertes ont montré que la stabilité de l’oxyde de graphène dans les solutions aqueuses est fortement influencée par la chimie de la solution (par exemple, la force ionique et le pH) et les caractéristiques de la surface des particules (par exemple, la teneur en oxygène de la surface et la taille des particules). Divers ions inorganiques, notamment Ca2+, Mg2+, Na+, K+, SO42-, HCO3- et Cl-, ont un effet évident sur le comportement électrocinétique des colloïdes de l’oxyde de graphène et, par conséquent, sur leur comportement d’agrégation/stabilité. Par exemple, l’agrégation des particules de l’oxyde de graphène a été renforcée par l’augmentation de la concentration des cations qui suppriment les forces électrostatiques répulsives entre les particules de l’oxyde de graphène. De même, les acides humiques et fulviques, principaux constituants de la matière organique naturelle, ont été considérés comme s’adsorbant sur la surface de l’oxyde de graphène et stabilisant de manière significative les particules de l’oxyde de graphène.
Les conditions environnementales telles que la lumière, la température, le pH et la matière organique dissoute peuvent jouer des rôles complexes dans l’agrégation/la stabilité de l’oxyde de graphène dans les systèmes aquatiques naturels. L’agrégation de l’oxyde de graphène a été favorisée lorsque la température est passée de 6 à 40 ℃ en présence de cations Na+, K+ (monovalents) et Ca2+ (divalents), principalement en raison de la réduction de la répulsion électrostatique et de la déshydratation accrue des cations. La génération de paires électron-trou sous photo-irradiation dégrade l’oxyde de graphène en fragments plus petits et en espèces de faible poids moléculaire, ce qui peut influencer le devenir de l’oxyde de graphène dans les eaux naturelles. Il est donc nécessaire de faire la lumière sur les différents facteurs environnementaux susceptibles d’influencer le comportement d’agrégation/stabilité de l’oxyde de graphène dans l’environnement aquatique. Cette étude mettra en évidence les différents facteurs environnementaux responsables de l’agrégation de l’oxyde de graphène en milieu aquatique.
L’oxyde de graphène présente une excellente dispersibilité dans divers solvants, principalement dans l’eau, en raison des groupes d’acide carboxylique (-COO-) chargés négativement. Ces groupes chargés négativement créent une interaction électrostatique répulsive entre les particules de l’oxyde de graphène, qui est supérieure à la force d’attraction de van der Waals (vdW), ce qui favorise la stabilité colloïdale de l’oxyde de graphène. La stabilité colloïdale de l’oxyde de graphène détermine son application dans l’industrie, sa biodisponibilité, la génération d’espèces réactives de l’oxygène (ROS), son effet toxique et sa capacité d’adsorption/désorption de divers autres contaminants (par exemple, les ions de métaux lourds et les polluants organiques). Par conséquent, un examen complet de la cinétique d’agrégation des nanoparticules de l’oxyde de graphène est nécessaire non seulement pour promouvoir leurs applications dans l’industrie, mais aussi pour une évaluation plus précise de leur devenir dans l’environnement, de leur transport et de la prédiction de leur influence environnementale et des risques qu’elles présentent.
“New insight into the aggregation of graphene oxide in synthetic surface water: Carbonate nanoparticle formation on graphene oxide”. [94]
«L’oxyde de graphène, utilisé dans une grande variété d’applications, est de plus en plus introduit dans les environnements aquatiques. Cette situation nécessite des recherches sur l’agrégation et la sédimentation de l’oxyde de graphène afin de réguler les comportements et les risques environnementaux. De nombreuses études ont examiné l’agrégation et le mécanisme de l’oxyde de graphène dans l’eau avec un seul sel de fond (système monosel) ; cependant, cela peut ne pas refléter les environnements aquatiques réels où plusieurs sels coexistent (système multisel).
Une eau de surface synthétique typique (eau douce) contenant des multisels représentatifs a donc été utilisée pour étudier l’agrégation et la sédimentation de l’oxyde de graphène. L’agrégation dépendante de la concentration de l’oxyde de graphène (agrégation à faible concentration, stabilité à forte concentration) a été observée dans l’eau douce, et cette agrégation dépendante de la concentration est opposée à l’agrégation dans les systèmes monosels (solutions de NaCl ou de CaCl2). La présence de feuilles de l’oxyde de graphène a induit la formation de nanoparticules de CaMg(CO3)2 amorphes sur les surfaces de l’oxyde de graphène dans l’eau douce, et les nanoparticules formées ont favorisé l’agrégation et la sédimentation de faibles concentrations de l’oxyde de graphène par une action de pontage.
Les conditions neutres et alcalines étaient favorables à la formation de nanoparticules de CaMg(CO3)2 et à l’agrégation induite de l’oxyde de graphène. Ces résultats montrent un nouveau mécanisme d’agrégation de l’oxyde de graphène dans les eaux pertinentes pour l’environnement et nous aident à mieux évaluer le devenir de l’oxyde de graphène dans l’environnement.. »
“Removal of graphene oxide from water and wastewater using coagulation–flocculation”. 2018. [98]
«L’utilisation généralisée des nano-matériaux et nano-particules manufacturés attire l’attention sur le fait qu’ils peuvent finir par endommager l’environnement. Étant donné la production croissante de nano-matériaux à base de graphène et leur incorporation dans des produits de consommation,il est fort probable qu’ils soient rejetés dans les stations d’épuration des eaux usées.
La présente étude a évalué l’élimination de l’oxyde de graphène à différentes concentrations dans l’eau et dans l’effluent secondaire des boues activées conventionnelles par coagulation-floculation avec différentes concentrations de coagulants. Pour évaluer l’élimination de l’oxyde de graphène, la spectroscopie UV-Vis a été utilisée pour mesurer les concentrations de l’oxyde de graphène avant et après le traitement de coagulation-floculation. Des analyses FTIR ont été utilisées pour évaluer la présence de l’oxyde de graphène dans les boues résiduelles et des analyses du potentiel zêta ont été utilisées pour élucider les mécanismes de coagulation sur l’élimination de l’oxyde de graphène. Sur la base des résultats de la présente étude, on peut conclure que les particules de l’oxyde de graphène peuvent être éliminées de l’eau et des eaux usées par le processus de coagulation-floculation. »
“Removal of graphene oxide from water by floc-flotation”. 2018. [87]
«Il a été constaté que l’ajout de chlorhydrate de dodécylamine pouvait rendre les surfaces d’oxyde de graphène hydrophobes, tandis qu’une force d’agitation appropriée fournissait l’énergie cinétique nécessaire pour surmonter la barrière énergétique entre les particules qui s’approchent. Par conséquent, l’agglomération hydrophobe de l’oxyde de graphène peut être grandement favorisée et la séparation par flottation des flocs de l’eau peut être réalisée efficacement. Ce traitement a permis d’éliminer jusqu’à 98% des nanoparticules d’oxyde de graphène de l’eau, ce qui a permis de réduire considérablement les problèmes environnementaux liés à l’oxyde de graphène dans les masses d’eau naturelles. »
“Structure and chemistry of graphene oxide in liquid water from first principles”. 2020. [92] C’est une étude Française… rédigée en Anglais comme à l’accoutumée.
«L’oxyde de graphène est une étoile montante parmi les matériaux 2D, mais son interaction avec l’eau liquide reste une question fondamentalement ouverte : la caractérisation expérimentale à l’échelle atomique est difficile, et la modélisation par des approches classiques ne peut pas décrire correctement la réactivité chimique. Ici, nous comblons le fossé entre les modèles informatiques simples et les systèmes expérimentaux complexes, en réalisant des simulations moléculaires réalistes de premier principe de l’oxyde de graphène dans l’eau liquide. Nous construisons des modèles d’oxyde de graphène chimiquement précis et étudions leur comportement dans l’eau, en montrant que les groupes fonctionnels porteurs d’oxygène (hydroxyles et époxydes) sont préférentiellement regroupés sur la couche d’oxyde de graphène. Nous avons démontré les propriétés spécifiques de l’oxyde de graphène dans l’eau, une combinaison inhabituelle d’hydrophilie et de dynamique rapide de l’eau. Enfin, nous avons démontré que l’oxyde de graphène est chimiquement actif dans l’eau, acquérant une charge négative moyenne de l’ordre de 10 mC m-2. La modélisation ab initio met en évidence le caractère unique des structures d’oxyde de graphène pour des applications en tant que membranes innovantes pour le dessalement et la purification de l’eau.»
“The behavior of graphene oxide trapped at the air water interface”. [85]
“Transport and retention of graphene oxide nanoparticles in sandy and carbonaceous aquifer sediments: Effect of physicochemical factors and natural biofilm”. 2021. Cette étude porte sur de nouvelles informations concernant le transport, la rétention et le comportement d’attachement des nano-particules d’oxyde de graphène dans les substrats sédimentaires naturels. [97]
«Il est essentiel de comprendre le transport des nano-particules d’oxyde de graphène dans les matériaux aquifères indigènes pour déterminer les effets néfastes potentiels des nanomatériaux manufacturés sur les ressources environnementales et la santé publique. Ce travail fournit de nouvelles informations sur le transport, la rétention et le comportement d’attachement des nano-particules d’oxyde de graphène dans les substrats sédimentaires naturels. Les concentrations et les espèces de cations dans les ressources en eau souterraine peuvent non seulement modifier l’étendue de l’agrégation des nano-particules d’oxyde de graphène, mais aussi déterminer les mécanismes conduisant à leur rétention dans les milieux poreux. Des études par lots et en colonnes ont montré un effet significatif de la température élevée et de la force ionique sur l’augmentation de la rétention des nano-particules d’oxyde de graphène dans les sédiments naturels.
En outre, une plus grande rétention des nano-particules d’oxyde de graphène a été observée dans les milieux poreux sur lesquels un biofilm s’était développé par rapport aux mêmes milieux en l’absence de biofilm. La déformation de la gorge des pores, la rugosité physique de la surface, la neutralisation des charges de surface, la diminution du potentiel zêta et la porosité des collecteurs sont autant de facteurs susceptibles d’expliquer cette différence de rétention. Le colmatage des aquifères par le biofilm peut avoir un effet négatif sur les propriétés hydrauliques des aquifères en diminuant la conductivité hydraulique. En revanche, cette recherche démontre que le biofilm fonctionne également comme un biofiltre, retenant les nano-particules d’oxyde de graphène et gérant le risque potentiel pour l’environnement et la santé publique associé à la réutilisation en surface de ces ressources en eau souterraine. D’autres études sont nécessaires pour déterminer comment les caractéristiques d’un biofilm (épaisseur, âge, hydrophobicité, etc.) affectent l’interaction entre les grains de l’aquifère naturel et les nano-particules d’oxyde de graphène».
“Aggregation and resuspension of graphene oxide in simulated natural surface aquatic environments”. 2015. [101]
“Transport of graphene oxide nanoparticles in saturated sandy soil”. 2014. [91]
“Impact of secondary salts, temperature, and pH on the colloidal stability of graphene oxide in water”. 2022. [96]
«Le potentiel zêta a été utilisé pour étudier l’effet des sels secondaires (carbonate, sulfate et phosphate), de la température (20 à 60 degrés C) et du pH (5 à 9) sur la stabilité de six types d’oxyde de graphène différents produits à partir de graphite naturel, synthétique et amorphe, avec et sans l’utilisation du broyage par attrition. Nos résultats suggèrent que les températures supérieures à 30 degrés C, ainsi que les sels de carbonate et de sulfate à des concentrations pertinentes pour les régions arides et semi-arides, pourraient favoriser la formation d’agglomérats de GO, limitant ainsi son utilisation et sa mobilité dans l’eau».
“Graphene oxides in water: assessing stability as a function of material and natural organic matter properties”. 2017. [86]
