Transport av Ytmodifierade kolnanorör via ett mark Kolumn
Summary
Surface properties of a nanoparticle are important for their interaction with the surrounding medium. Therefore the surface modification of carbon nanotubes can be critical for their transport and retention through porous media. Here, lab scale column experiments are used to understand the possible transport and retention of these nanoparticles.
Abstract
Carbon nanotubes (CNTs) are widely manufactured nanoparticles, which are being utilized in a number of consumer products, such as sporting goods, electronics and biomedical applications. Due to their accelerating production and use, CNTs constitute a potential environmental risk if they are released to soil and groundwater systems. It is therefore essential to improve the current understanding of environmental fate and transport of CNTs. The transport and retention of CNTs in both natural and artificial media have been reported in literature, but the findings widely vary and are thus not conclusive. There are a number of physical and chemical parameters responsible for variation in retention and transport. In this study, a complete procedure of selected multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) is presented starting from their surface modification to a complete set of laboratory column experiments at critical physical and chemical scenarios. Results indicate that the stability of the commercially available MWCNTs are critical with their attached surface functional group which can also influence the transport and retention of MWCNT through the surrounding medium.
Introduction
Med den senaste utvecklingen inom nanoteknik som använder olika typer av nanopartiklar för att förbättra ett antal tekniker inom branscher som IT, energi, miljövetenskap, medicin, hemlandsäkerhet, livsmedelssäkerhet, och transport; en grundlig förståelse av transport och lagring av nanopartiklar i mark och grundvatten är avgörande för riskbedömningen samt miljö- tillämpningar av nanopartiklar 1-3. Kolnanorör (cnts) är en av de mest producerade kolbaserade nanopartiklar 2,4. Cnts är den långa och cylindriska formen av grafen med en diameter typiskt under 100 nm och en längd inom intervallet 100 nm till 50 um. De har unika egenskaper, vilket har påskyndat deras användning i många tillämpningar, såsom elektronik, optik, kosmetika och biomedicinsk teknik (t.ex. kompositmaterial) 5. Med ökad användning, finns det också en ökad risk för människors exponering och effekter på hälsan samt negativa ekologiska konsekvenser efter CNT och andra kolbaserade nanomaterial förfogande för miljön 5-8.
Med inga ytan modifieringar (ofunktionaliserade), cnts är extremt hydrofoba och tenderar att aggregera i en vattenhaltig lösning. Funktion cnts kan dock fortfarande utspridda och stabila i vattenlösningar och används för biomedicinska ändamål såsom läkemedelstillförsel 9. Här är det viktigt att de cnts förblir spridda och mobiliseras, så att läkemedlet kan levereras inom den mänskliga kroppen 10. Å andra sidan, för att minska miljöriskerna, finns det ett behov av studier som fokuserar på hur man immobilisera cnts för att undvika deras inträde i grundvattenförande skikt och dricksvattenresurser 11. Nya studier har rapporterat den toxiska effekten av cnts på levande organismer och även risker för ekosystemen i termer av cnts in och ackumuleras i näringskedjorna, eftersomCnts är svåra att brytas ned 5,8. Även med barriärsystem i deponier som innehåller cnts, kan det vara möjligt för cnts att passera genom barriärerna. I sådana fall cnts kan träda i grundvattenmagasin och ytvattenförekomster. Som CNT föreskrifter om avfallshantering inte är väl definierade och transportmekanismer är dåligt förstådd, är nödvändigt en förbättrad förståelse för rörlighet cnts att formulera och design lämplig avfallssystem 12. Därför är det viktigt att studera och förstå öde och transport av cnts i porösa medier och effekten av fysiska och kemiska faktorer som vanligen förekommer i ytan miljön på ytan modifierad CNT retention.
Ett antal undersökningar har genomförts om effekten av samlare kornstorlek 13-15, flödeshastighet 16, och ytegenskaper kornen 17 om transport av nanopartiklar i porösa medier. Men systematiska undersökningar om effekten av lösnion kemi (t.ex. pH och jonstyrka) om möjligt avsättning på de samlarytorna är fortfarande begränsade 18-20. Dessutom är den kombinerade effekten av fysiska faktorer, lösningskemi av mediet, och ytegenskaper kolnanorör inte förstått och varierar i olika litteratur. I denna studie, kommer en framställningsmetod för ytmodifiering av MWCNTs påvisas tillsammans med en systematisk laboratorieskala kolonn packad med syra rengjord kvartssand kommer att användas för att undersöka transport, retention och mobilisering av ytmodifierade cnts i mättade porösa medier .
Protocol
Representative Results
Discussion
Effekt av MWCNT Funktion
Såsom fig 2 bekräftar stabiliteten av funktionalise MWCNTs, den observerade skillnaden i eluerat volym MWCNT berodde på funktionalisering och i synnerhet på grund av tillsatsen av karboxyl (-COOH) grupper till ytan av MWCNTs (figurerna 3 och 4). I liknande funktionprocessen, var närvaron av syre bekräftades genom röntgenfotoelektronspektroskopi 14. Det har visat sig tidigare att til…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the support from the Department of Earth Sciences, Uppsala University for supporting part of this research.
Materials
| Name of Material/ Equipments | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| MWCNT | Cheap Tubes Inc., USA | sku-03040304 | Purchased as semi-functionlized powder |
| Quartz sand | Sibelco Nordic, Baskarp, Sweden | B44 | Purchased with more than 91% silica sand |
| H2SO4 | VWR | 1.01833.2500 | 95-97% purity |
| HNO3 | VWR | 1.00441.1000 | 70% purity |
| HCl | VWR | 1.00317.2500 | 37-38% purity |
| H2O2 | VWR | 23615.248 | 30% purity |
| NaCl | VWR | 1.06404.0500 | 99.5% purity |
| NaOH | Sigma-Aldrich | S8045-500G | 99.99% pur pellets |
| Ultrasonic Homogenizer | Biologics Inc. Manassas, Virginia | Model 3000, 0-127-0002 | Operated for fix time interval |
| Sonicator (bath) | Kerry Ultrasonic Ltd | 1808 | Common bath sonicator |
| Peristaltic pump | Ismantec, Glattbrugg, Switzerland | ISM931 | Work with tygon tubing in the pump |
| Spectrophotometer | Hach Lange | DR500, LPV408.99.0001 | Operate with manual cuvette as well as automated sampling |
| pH meter | Metrohm | 781 | pH analysis |
| Glass column | Chromaflex | 420830-1510 | Column with adjustable cap |
| Fraction collector | Spectrum Labs Europe | CF-2, 124846 | Fixed at regular interval of time |
| Fraction collector tubes | VWR | 212-9599 | 6 ml volume glass tube |
| Hot plate stir | Thermo Scientific | SP131320-33 | Adjustable tempurature |
| Oven | Elektro Helios | 259 | For oven dry of sand |
| Balance | Mettler Toledo | AE 160 | For accurate weight |
References
- Maynard, A. D., et al. Safe handling of nanotechnology. Nature. 444, 267-269 (2006).
- Mauter, M., Elimelech, M. Environmental applications of carbon-based nanomaterials. Environ. Sci. Technol. 42 (16), 5843-5859 (2008).
- Darka-Kagy, K., Khodadoust, A. P., Reddy, K. R. Reactivity of aluminum lactate-modified nanoscale iron particles with pentachlorophenol in soils. Environ. Eng. Sci. 27 (10), 861-869 (2010).
- Lin, D., et al. Fate and transport of engineered nanomaterials in the environment. J. Environ. Qual. 39 (6), 1896-1908 (2010).
- Petersen, E. J., et al. Potential release pathways, environmental fate, and ecological risks of carbon nanotubes. Environ. Sci. Technol. 45 (23), 9837-9856 (2011).
- Wiesner, M., Bottero, J. Y. . Environmental nanotechnology. , (2007).
- Klaine, S. J., et al. Nanomaterials in the environment: Behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. Toxicol. Chem. 27 (9), 1825-1851 (2008).
- Wang, C., et al. Toxicity effects of four typical nanomaterials on the growth of Escherichia coli, Bacillus subtilis and Agrobacterium tumefaciens. Environ. Earth Sci. 65 (6), 1643-1649 (2012).
- Shen, M., et al. Polyethyleneimine mediated functionalization of multi-walled carbon nanotubes: Synthesis characterization, and in vitro toxicity assay. J. Phys. Chem. C. 113 (8), 3718-3724 (2009).
- Sahithi, K., et al. Polymeric conposites containing carbon nanotubes for bone tissue engineering. Int. J. Biol. Marcomol. 46 (3), 281-283 (2010).
- Petersen, E., Huang, Q., Weber, W. Bioaccumulation of radio-labeled carbon nanotubes by Eisnia Foetida. Environ. Sci. Technol. 42 (8), 3718-3724 (2008).
- Gottschalk, F., et al. Modeled Enrionmental concentrations of engineered nanomaterials for different regions. Enrviron. Sci. Technol. 43 (24), 9216-9222 (2009).
- Liu, X., et al. et al.Mobility of multiwalled carbon nanotubes in porous media.Environ. Sci. Technol. 43 (21), 8153-8158 (2009).
- Tian, Y., Gao, B., Ziegler, K. J. High mobility of SDBS-dispersed single-walled carbon nanotubes in saturated and unsaturated porous. J. Hazard. Mater. 186 (2-3), 1766-1772 (2011).
- Mattison, N. T., et al. Impact of porous media grain size on the transport of multi-walled carbon nanotubes. Environ. Sci. Technol. 45 (22), 9765-9775 (2011).
- Kasel, D., et al. Limited transport of functionlized multi-walled carbon nanotubes in two natural soils. Environ. Pollution. 180, 152-158 (2013).
- Yu, S., et al. Effects of humic acid and Tween-80 on behavior of decabromodiphenyl ether in soil columns. Environ. Earth Sci. 69 (5), 1523-1528 (2013).
- Jaisi, D. P., et al. Transport of single-walled carbon nanotubes in porous media: filtration mechanisms and reversibility. Environ. Sci. Technol. 42 (22), 8317-8323 (2008).
- Tiraferri, A., Tosco, T., Sethi, R. Transport and retention of microparticles in packed sand columns at low and intermediate ionic strengths: experiments and mathematical modeling. Environ. Earth Sci. 63 (4), 847-859 (2011).
- Tian, Y., et al. Deposition and transport of functionalized carbon nanotubes in water-saturated sand columns. J. Hazard. Mater. 213-214, 265-272 (2012).
- Mekonen, A., Sharma, P., Fagerlund, F. Transport and mobilization of multiwall carbon nanotubes in quartz sand under varying saturation. Environ. Earth Sci. 71 (8), 3751-3760 (2014).
- Sharma, P., Bao, D., Fagerlund, F. Deposition and mobilization of functionalized multiwall carbon nanotubes in saturated porous media: effect of grain size, flow velocity and solution chemistry. Environ. Earth Sci. , (2014).
- Phenrat, T., Lowry, G. V., Hotze, E. M. Nanoparticle aggregation: challenges to understanding transport and reactivity in the environment. J. Environ. Qual. 39 (6), 1909-1924 (2010).
- Crist, J. T., et al. Transport and retention mechanisms of colloids in partially saturated porous media. Vadose Zone J. 4 (1), 184-195 (2005).
- Jaisi, D. P., Elimelech, M. Single-walled carbon nanotubes exhibit limited transport in soil columns. Environ. Sci. Technol. 43 (24), 9161-9166 (2009).
- Corapcioglu, M. Y., Choi, H. Modeling colloid transport in unsaturated porous media and validation with laboratory column data. Water Resour. Res. 32 (12), 3437-3449 (1996).
- Wan, J., Wilson, J. L. Colloid transport in unsaturated porous media. Water Resour. Res. 30 (4), 857-864 (1994).
- Wan, J., Wilson, J. L. Visualization of the role of the gas-water interface on the fate and transport of colloids in porous media. Water Resour. Res. 30 (1), 11-24 (1994).
- Bradford, S. A., et al. Physical factors affecting the transport and fate of colloids in saturated porous media. Water Resour. Res. 38 (12), (2002).
- Bradford, S. A., Torkzaban, S., Walker, S. L. Coupling of physical and chemical mechanisms of colloid straining in saturated porous media. Water Res. 41 (13), 3012-3024 (2007).
