Summary

Transport af overflademodificeret kulstofnanorør gennem en Soil kolonne

Published: April 02, 2015
doi:

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 seneste udvikling inden for nanoteknologi, der bruger forskellige typer af nanopartikler til at forbedre en række teknologier inden for brancher som informationsteknologi, energi, miljø, medicin, Homeland Security, fødevaresikkerhed og transport; en grundig forståelse af transport og opbevaring af nanopartikler i jord og grundvand er kritisk for risikovurdering og miljømæssige anvendelser af nanopartikler 1-3. Kulstofnanorør (CNT) er en af de mest producerede kulstofbaserede nanopartikler 2,4. CNTs er lange og cylindriske form af graphene med en diameter typisk under 100 nm og en længde i området fra 100 nm til 50 um. De har unikke egenskaber, som har accelereret deres anvendelse i mange applikationer, såsom elektronik, optik, kosmetik og biomedicinsk teknologi (f.eks kompositmaterialer) 5. Med øget brug, er der også en øget rISK til human eksponering og effekt på sundhed samt negative økologiske konsekvenser efter CNT og andre kulstof baserede nanomaterialer rådighed for miljøet 5-8.

Med ingen overflademodifikationer (ikke-funktionaliserede) CNTs er yderst hydrofobe og har tendens til at aggregere i en vandig opløsning. Funktionaliserede CNTs kan dog fortsat spredt og stabil i vandige opløsninger og anvendes til biomedicinske formål såsom drug delivery 9. Her er det vigtigt, at CNTs forbliver dispergeret og mobiliseret, så lægemidlet kan leveres i det menneskelige legeme 10. På den anden side, for at reducere miljørisici, er der behov for undersøgelser, der fokuserer på, hvordan man kan immobilisere CNTs for at undgå deres indgang til grundvandsmagasiner og drikkevand ressourcer 11. Nylige undersøgelser har rapporteret den toksiske virkning af CNTs om levende organismer og også risici for økosystemerne i form af CNTs ind og akkumuleres i fødekæderne, daCNTs er svære at nedbrydes biologisk 5,8. Selv med barrieresystemer på lossepladser indeholdende CNTs, kan det være muligt for CNTs at passere gennem barrierer. I sådanne tilfælde CNTs kunne træde i grundvandsmagasiner og overfladevandområder. Da CNT bortskaffelse regler ikke er veldefinerede og transport mekanismer er dårligt forstået, er det nødvendigt med en bedre forståelse af mobilitet CNTs at formulere og konstruktion svarende bortskaffelsessystemer 12. Derfor er det vigtigt at studere og forstå skæbne og transport af CNTs i porøse medier og effekten af ​​fysiske og kemiske faktorer almindeligvis er til stede i undergrunden miljø overflademodificeret CNT tilbageholdelse.

En række forskning er blevet udført om effekten af solfangeren kornstørrelse 13-15, flow rate 16, og overfladeegenskaber af kornene 17 om transport af nanopartikler i porøse medier. Dog, systematiske undersøgelser af effekten af ​​solution kemi (såsom pH og ionstyrke) om muligt deposition onto samler overflader er stadig begrænset 18-20. Derudover er den kombinerede effekt af fysiske faktorer, opløsning kemi af mediet, og overfladeegenskaber kulstofnanorør ikke godt forstået og varierer i forskellige litteratur. I denne undersøgelse vil en fremstillingsmetode til overfladebehandling af MWCNTs påvises sammen med en systematisk laboratorieskala søjle pakket med syre renset kvartssand vil blive anvendt til at undersøge transport, opbevaring og remobilisering af overflademodificerede CNTs mættede porøse medier .

Protocol

1. Funktionalisering af multiwalled kulstofnanorør Udfør hele funktionalisering skridt inde et stinkskab, ved hjælp af sikkerhed briller, handsker og kittel. Mål 24 ml svovlsyre og 8 ml af nitrat syre ved hjælp af en måleglas, og derefter overføre dem til et bæger. Tilføj 32 mg ubehandlede MWCNTs i et bægerglas ved hjælp af sølvpapir beholder ved en analytisk balance (slutkoncentration skal være 1 mg / ml af en sur blanding). Først holde bægeret med MWCNT og syre blanding i ultralydsr…

Representative Results

Virkning af MWCNT funktionalisering Den funktionaliserede og spredte MWCNT opløsning blev forseglet i bægeret for at lade opløsningen at nå ligevægt. Der var hverken sedimentation eller aggregering observeret i stamopløsningen efter lydbehandling, som den hydrodynamiske diameter MWCNT (1619 ± 262 nm) i opløsningen forblev det samme for seks måneder lydbehandling (figur 2). For at undersøge effekten af funktionalisering af MWCNTs på deres mobilitet…

Discussion

Virkning af MWCNT funktionalisering

Som figur 2 bekræfter stabiliteten af funktionaliserede MWCNTs den observerede forskel i eluerede volumen MWCNT skyldtes funktionalisering og især på grund af tilsætning af carboxyl (-COOH) grupper til overfladen af MWCNTs (figur 3 og 4). I lignende funktionalisering processen blev tilstedeværelsen af oxygen bekræftes ved røntgen fotoelektronspektroskopi 14. Det har vist …

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

  1. Maynard, A. D., et al. Safe handling of nanotechnology. Nature. 444, 267-269 (2006).
  2. Mauter, M., Elimelech, M. Environmental applications of carbon-based nanomaterials. Environ. Sci. Technol. 42 (16), 5843-5859 (2008).
  3. 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).
  4. Lin, D., et al. Fate and transport of engineered nanomaterials in the environment. J. Environ. Qual. 39 (6), 1896-1908 (2010).
  5. Petersen, E. J., et al. Potential release pathways, environmental fate, and ecological risks of carbon nanotubes. Environ. Sci. Technol. 45 (23), 9837-9856 (2011).
  6. Wiesner, M., Bottero, J. Y. . Environmental nanotechnology. , (2007).
  7. Klaine, S. J., et al. Nanomaterials in the environment: Behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. Toxicol. Chem. 27 (9), 1825-1851 (2008).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Sahithi, K., et al. Polymeric conposites containing carbon nanotubes for bone tissue engineering. Int. J. Biol. Marcomol. 46 (3), 281-283 (2010).
  11. Petersen, E., Huang, Q., Weber, W. Bioaccumulation of radio-labeled carbon nanotubes by Eisnia Foetida. Environ. Sci. Technol. 42 (8), 3718-3724 (2008).
  12. Gottschalk, F., et al. Modeled Enrionmental concentrations of engineered nanomaterials for different regions. Enrviron. Sci. Technol. 43 (24), 9216-9222 (2009).
  13. Liu, X., et al. et al.Mobility of multiwalled carbon nanotubes in porous media.Environ. Sci. Technol. 43 (21), 8153-8158 (2009).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Kasel, D., et al. Limited transport of functionlized multi-walled carbon nanotubes in two natural soils. Environ. Pollution. 180, 152-158 (2013).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Tian, Y., et al. Deposition and transport of functionalized carbon nanotubes in water-saturated sand columns. J. Hazard. Mater. 213-214, 265-272 (2012).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Crist, J. T., et al. Transport and retention mechanisms of colloids in partially saturated porous media. Vadose Zone J. 4 (1), 184-195 (2005).
  25. Jaisi, D. P., Elimelech, M. Single-walled carbon nanotubes exhibit limited transport in soil columns. Environ. Sci. Technol. 43 (24), 9161-9166 (2009).
  26. 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).
  27. Wan, J., Wilson, J. L. Colloid transport in unsaturated porous media. Water Resour. Res. 30 (4), 857-864 (1994).
  28. 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).
  29. Bradford, S. A., et al. Physical factors affecting the transport and fate of colloids in saturated porous media. Water Resour. Res. 38 (12), (2002).
  30. 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).
check_url/kr/52634?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Sharma, P., Fagerlund, F. Transport of Surface-modified Carbon Nanotubes through a Soil Column. J. Vis. Exp. (98), e52634, doi:10.3791/52634 (2015).

View Video