Транспортировка с модифицированной поверхностью углеродных нанотрубок через колонку почвы
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
С недавним развитием в области нанотехнологий, которая использует различные типы наночастиц на совершенствование ряда технологий в таких отраслях, как информационные технологии, энергетика, охрана окружающей науке, медицине, национальной безопасности, безопасности пищевых продуктов и транспортировки; Глубокое понимание транспорта и удержания наночастиц в почву и грунтовые воды имеет решающее значение для оценки риска, а также экологических применений наночастиц 1-3. Углеродные нанотрубки (УНТ) являются одним из наиболее производимых на основе углерода наночастиц 2,4. Углеродные нанотрубки имеют длинные и цилиндрической формы графена с диаметром, как правило, ниже 100 нм и длиной в диапазоне от 100 нм до 50 мкм. Они обладают уникальными свойствами, которые ускорили их использование во многих приложениях, таких как электроника, оптика, косметика и биомедицинских технологий (например, композитные материалы) 5. С увеличением использования, есть также увеличилась гISK воздействия на здоровье человека и воздействия на здоровье, а также неблагоприятных экологических последствий следующих НКТ и других углеродных наноматериалов распоряжении для окружающей среды 5-8.
При отсутствии поверхностных модификаций (нефункционализованного), углеродные нанотрубки очень гидрофобными и имеет тенденцию собираться в водном растворе. Функционализованные углеродные нанотрубки могут, тем не менее, остаются диспергируют и стабильны в водных растворах и могут быть использованы для биомедицинских целей, таких как доставка лекарственных средств 9. При этом существенно, что углеродные нанотрубки остаются диспергируют и мобилизованы, так что лекарственное средство может быть доставлено в человеческом теле 10. С другой стороны, для снижения экологических рисков, есть необходимость в проведении исследований, направленных на как иммобилизации УНТ для того, чтобы избежать их вход в водоносных горизонтов и питьевых водных ресурсов 11. Недавние исследования сообщили токсическое действие УНТ на живые организмы, а также рискует экосистем с точки зрения УНТ, входящих и накапливались в пищевой цепи, так какУНТ трудно разлагаются 5,8. Даже при барьерных систем на свалках, содержащих нанотрубки, это может быть возможно углеродные нанотрубки, чтобы пройти через барьеры. В таких случаях УНТ может вступить в водоемах подземных и поверхностных водных объектов. Поскольку нормы и правила по утилизации УНТ четко не определены и транспортные механизмы, плохо понимал, лучшее понимание мобильности УНТ необходимо сформулировать и проектирование систем надлежащей утилизации 12. Таким образом, важно изучить и понять судьбу и транспорт УНТ в пористых средах и влияние физических и химических факторов, обычно присутствующие в приповерхностном среды на модифицированной поверхностью сохранение CNT.
Количество исследований была проведена о влиянии размера коллектор зерна 13-15 при скорости потока 16, и поверхностные свойства зерен 17 на транспорте наночастиц в пористых средах. Однако систематические исследования о влиянии Solutионный химии (например, рН и ионной силы) на возможное осаждение на поверхности коллектора все еще ограничено 18-20. Кроме того, комбинированное воздействие физических факторов, химии растворов среды и поверхностных свойств углеродных нанотрубок не очень хорошо понял и различаются в разных литературе. В этом исследовании, способ получения для модификации поверхности МУНТ будет показано вместе с систематическим колонке лабораторной упакованы с кислотой чистить кварцевого песка будет использоваться для изучения транспорта, сохранения и ремобилизацию поверхностно-модифицированные УНТ в насыщенных пористых средах ,
Protocol
Representative Results
Discussion
Влияние МУНТ функционализации
Как показано на рисунке 2, подтверждает стабильность функционализированных MWCNTs, наблюдаемое различие в объеме элюированного MWCNT было обусловлено функционализации и, в частности в связи с добавлением карбоксильной (-СООН…
Disclosures
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).
