Transport von oberflächenmodifizierte Kohlenstoff-Nanoröhren durch eine Bodensäule
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
Mit der jüngsten Entwicklung in der Nanotechnologie, die verschiedene Arten von Nanopartikeln verwendet, um eine Reihe von Technologien in Branchen wie Informationstechnologie, Energie, Umweltwissenschaften, der Medizin, der inneren Sicherheit, Lebensmittelsicherheit und den Transport zu verbessern; ein gründliches Verständnis der Transport und Aufbewahrung von Nanopartikeln in Boden und Grundwasser ist von entscheidender Bedeutung für die Risikobewertung als auch umwelttechnische Anwendungen von Nanopartikeln 1-3. Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind eine der am meisten produzierte Kohlenstoff basierenden Nanopartikel 2,4. CNTs sind die langen und zylindrische Form von Graphen mit einem Durchmesser in der Regel unter 100 nm und einer Länge im Bereich von 100 nm bis 50 um. Sie haben einzigartige Eigenschaften, die ihre Verwendung in vielen Anwendungen beschleunigt haben, wie zum Beispiel Elektronik, Optik, Kosmetika und biomedizinischen Technik (beispielsweise Verbundwerkstoffe) 5. Mit der zunehmenden Nutzung, gibt es auch eine erhöhte risk zur Exposition des Menschen und Auswirkungen auf die Gesundheit als auch negative ökologische Folgen nach CNT und anderen kohlenstoffbasierte Nanomaterialien zur Verfügung, um die Umwelt 8.5.
Ohne Oberflächenmodifikationen (unfunktionalisierten) sind CNTs extrem hydrophob und neigen zur Aggregation in einer wässrigen Lösung. Funktionalisierten CNTs bleiben jedoch dispergiert und in wßrigen Lösungen stabil und werden für biomedizinische Zwecke, wie Arzneimittelabgabe 9 verwendet. Hier ist es wichtig, dass die CNTs dispergiert bleiben und genutzt, so kann der Wirkstoff innerhalb des menschlichen Körpers 10 geliefert werden. Auf der anderen Seite, um Umweltrisiken zu reduzieren, gibt es einen Bedarf an Studien, die sich, wie die CNTs, um unbeweglich zu ihrem Eintritt in Grundwasserleitern und Trinkwasserressourcen 11 zu vermeiden. Jüngste Studien haben die toxische Wirkung von CNTs auf lebende Organismen berichtet und auch Risiken für die Ökosysteme in Bezug auf die Eingabe von CNTs und Anreicherung in der Nahrungskette, daCNTs sind schwer biologisch abbaubar 5,8. Selbst mit Schrankenanlagen auf Deponien, die CNTs, kann es möglich sein, dass CNTs durch die Barrieren passieren. In solchen Fällen könnten CNTs in Grundwasservorkommen und Oberflächengewässer gelangen. Als CNT Entsorgungsvorschriften sind nicht gut definiert und Transportmechanismen sind weitgehend unverstanden, ist ein verbessertes Verständnis der Mobilität von CNTs notwendig, zu formulieren und Gestaltung geeigneter Entsorgungssysteme 12. Daher ist es wichtig, zu untersuchen und zu verstehen, das Schicksal und die Beförderung von CNTs in porösen Medien, und die Wirkung von physikalischen und chemischen Faktoren, die üblicherweise in der unterirdischen Umgebung auf der Oberfläche vorliegenden modifizierten CNT Retention.
Eine Reihe von Untersuchungen wurden aus über die Wirkung des Kollektors Korngrße 13-15 durchgeführt, Flussrate 16, und die Oberflächeneigenschaften der Körner 17 auf den Transport von Nanopartikeln in porösen Medien. Jedoch systematischen Untersuchungen über die Wirkung von SolutIonenchemie (wie pH-Wert und Ionenstärke) über mögliche Ablagerung auf den Sammeloberflächen sind noch begrenzt 18-20. Zusätzlich wird die kombinierte Wirkung von physikalischen Faktoren, Lösungschemie des Mediums, und die Oberflächeneigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren nicht gut verstanden und sind in den einzelnen Literatur. In dieser Studie wird ein Herstellungsverfahren für die Oberflächenmodifikation von MWCNTs zusammen mit einem systematischen Laborkolonne mit Säure gereinigt Quarzsand verpackt nachgewiesen werden verwendet, um den Transport, die Aufbewahrung und Remobilisierung von oberflächenmodifizierten CNTs in gesättigten porösen Medien zu untersuchen .
Protocol
Representative Results
Discussion
Wirkung von MWCNT Funktionalisierung
Wie Abbildung 2 bestätigt die Stabilität des funktionalisierten MWCNTs aufgrund Funktionalisierung und insbesondere durch die Zugabe von Carboxyl (-COOH) Gruppen an die Oberfläche der MWCNTs der beobachtete Unterschied in eluierte Volumen MWCNT wurde (3 und 4). Auf ähnliche Funktionalisierung wurde die Anwesenheit von Sauerstoff durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie 14…
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 |
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