Transporte de nanotubos de carbono de superfície modificada através de uma coluna de solo

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

Com o recente desenvolvimento em nanotecnologia que utiliza vários tipos de nanopartículas para melhorar uma série de tecnologias em setores como tecnologia da informação, energia, ciência ambiental, medicina, segurança interna, a segurança alimentar, e transporte; uma compreensão completa do transporte e retenção de nanopartículas em solo e água subterrânea é fundamental para a avaliação de riscos, bem como aplicações ambientais de nanopartículas ^1-3. Nanotubos de carbono (CNT) são uma das nanopartículas à base de carbono mais produzidos ^2,4. Nanotubos de carbono são a forma cilíndrica longa e de grafeno com um diâmetro geralmente inferior a 100 nm e um comprimento na gama de 100 nm a 50 um. Eles têm propriedades únicas, que aceleraram a sua utilização em diversas aplicações, tais como a eletrônica, ótica, cosméticos e tecnologia biomédica (por exemplo, materiais compósitos) ^5. Com o aumento do uso, há também um aumento da risk à exposição humana e efeitos sobre a saúde, bem como as consequências ecológicas negativas seguintes CNT e disposição outras nanomateriais à base de carbono para o meio ambiente ^5-8.

Com nenhuma modificação de superfície (não funcionalizados), nanotubos de carbono são extremamente hidrofóbico e tendem a agregar em solução aquosa. Nanotubos de carbono funcionalizadas podem, no entanto, permanecem dispersos e estável em soluções aquosas e são utilizados para fins biomédicos, tais como a entrega de drogas ^9. Aqui, é essencial que os nanotubos de carbono permanecem dispersos e mobilização, de modo que o fármaco pode ser entregue no interior do corpo humano ^10. Por outro lado, para reduzir os riscos ambientais, não há a necessidade de estudos com foco em como imobilizar os nanotubos de carbono, a fim de evitar a sua entrada em aquíferos e dos recursos de água potável ^11. Estudos recentes têm demonstrado o efeito tóxico do CNT em organismos vivos e também os riscos para os ecossistemas em termos de nanotubos de carbono que entram e que se acumulam nas cadeias alimentares, uma vez queNanotubos de carbono são difíceis de biodegradar ^5,8. Mesmo com sistemas de barreira em aterros contendo os nanotubos de carbono, que pode ser possível para os nanotubos de carbono de passar através das barreiras. Nesses casos, os nanotubos de carbono poderia entrar em reservatórios de água subterrânea e corpos de água superficiais. Como regulamentos de eliminação da CNT não estão bem definidos e mecanismos de transporte são mal compreendidos, uma melhor compreensão da mobilidade dos nanotubos de carbono é necessário para a formulação e concepção de sistemas de escoamento adequado ^12. Portanto, é importante estudar e compreender o destino e transporte de nanotubos de carbono em meios porosos e o efeito de fatores físicos e químicos comumente presentes no ambiente de subsuperfície na superfície modificada retenção CNT.

Uma série de pesquisas têm sido realizadas sobre o efeito do tamanho do coletor de grão ^13-15, caudal ^16, e propriedades de superfície dos grãos de ¹⁷ sobre o transporte de nanopartículas em meios porosos. Entretanto, as investigações sistemáticas sobre o efeito da solutquímica de iões (tais como o pH e força iónica) sobre possível deposição sobre a superfície do colector são ainda limitados ^18-20. Além disso, o efeito combinado de factores físicos, solução química do meio e propriedades de superfície dos nanotubos de carbono não é bem compreendida e variam na literatura diferente. Neste estudo, um método de preparação para a modificação da superfície de MWCNTs será demonstrada, juntamente com uma coluna sistemática à escala laboratorial embalado com areia de quartzo limpo com ácido vai ser utilizado para investigar o transporte, a manutenção e remobilização de nanotubos de carbono de superfície modificada em meios porosos saturados .

Protocol

1. A funcionalização de multiwalled Nanotubos de Carbono Realizar toda a etapa de funcionalização dentro de um exaustor, usando óculos de segurança, luvas e jaleco. Medir 24 ml de ácido sulfúrico e 8 ml de ácido nitrato utilizando um cilindro graduado, e depois transferi-los para um copo. Adicionar 32 mg de MWCNTs não tratados para uma proveta de usar estanho recipiente de alumínio em uma balança analítica (concentração final deve ser de 1 mg / ml de mistura de ácido). Em primeiro lu…

Representative Results

Efeito de funcionalização MWCNT A solução MWCNT funcionalizado e disperso foi selado no recipiente para permitir que a solução atinja o equilíbrio. Não houve sedimentação nem agregação observada na solução estoque após sonicação, como o diâmetro hidrodinâmico da MWCNT (1.619 ± 262 nm) da solução manteve-se a mesma durante seis meses de ultra-sons (Figura 2). Para investigar o efeito de funcionalização de MWCNTs à sua mobilidade, dois…

Discussion

Efeito de funcionalização MWCNT

Como a Figura 2 confirma a estabilidade do MWCNTs funcionalizados, a diferença observada no volume de eluído de MWCNT foi devido a funcionalização e particularmente, devido à adição de carboxilo (-COOH) grupos à superfície das MWCNTs (Figuras 3 e 4). No processo de funcionalização semelhante, a presença de oxigênio foi confirmada pelo raio-X espectroscopia de fotoelétrons ^…

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