הובלה של פחמן-שונה Surface דרך טור קרקע
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
עם ההתפתחות האחרונה בננוטכנולוגיה שמשתמשת בסוגים שונים של חלקיקים כדי לשפר את מספר הטכנולוגיות בתעשיות כגון טכנולוגיית מידע, אנרגיה, מדעי סביבה, רפואה, ביטחון פנים, בטיחות מזון, ותחבורה; הבנה מעמיקה של התחבורה והשימור של חלקיקים בקרקע ומי תהום היא קריטית להערכת סיכונים, כמו גם יישומים סביבתיים של חלקיקים מהונדסים 1-3. צינורות פחמן (CNTs) הם אחד מהחלקיקים מבוססי פחמן מיוצרים ביותר 2,4. CNTs הוא הצורה הארוכה וגלילית של גרפן בקוטר בדרך כלל מתחת ל -100 ננומטר ואורך בטווח של 100 ננומטר ל -50 מיקרומטר. יש להם מאפיינים ייחודיים, שהתגברו השימוש שלהם ביישומים רבים, כגון אלקטרוניקה, אופטיקה, קוסמטיקה, וטכנולוגיה ביו-רפואית (לדוגמא, חומרים מרוכבים) 5. עם שימוש מוגבר, יש גם r מוגברISK לחשיפה של בני אדם והשפעה על בריאות, כמו גם השלכות אקולוגיות שליליות הבאים CNT וסילוק פחמן ננו מבוסס אחר לסביבה 5-8.
ללא שינויי פני השטח (unfunctionalized), צינוריות מאוד הידרופובי ונוטות לצבור בתמיסה מימית. צינוריות פונקציונליות יכולות, עם זאת, תישארנה מפוזרות ויציבה בתמיסות מימיות ומשמשות למטרות ביו-רפואיות כגון משלוח סמים 9. הנה חיוני זה שהצינוריות תישארנה מפוזרות ומגויסות, כך שהתרופה יכולה להיות מועברת בגוף האדם 10. מצד השני, כדי להפחית את הסיכונים סביבתיים, יש צורך במחקרים המתמקדים באיך לשתק את הצינוריות על מנת למנוע הכניסה שלהם למי תהום ומקורות מים לשתייה 11. מחקרים שנעשו לאחרונה דיווחו על ההשפעה הרעילה של צינוריות על יצורים חיים וגם סיכונים למערכות אקולוגיות במונחים של צינוריות הזנה ומצטברים ברשתות המזון, שכןהצינוריות קשות כדי שיתפרקו 5,8. אפילו עם מערכות מכשול במזבלות המכילות צינוריות, ייתכן שניתן לצינוריות לעבור את המחסומים. במקרים כאלה CNTs יכול להיכנס למאגרים מי תהום וגופי מים עיליים. כתקנות רשות CNT לא מוגדרות היטב ומנגנוני תחבורה הם הבינו היטב, הבנה משופרת של ניידות של צינוריות קיימת צורך בגיבוש ומערכות לרשות המתאימה עיצוב 12. לכן, חשוב ללמוד ולהבין את הגורל והובלה של צינוריות בתווך נקבובי ואת ההשפעה של גורמים פיסיקליים וכימיים הווה נפוץ בסביבה מתחת לפני הקרקע על פני השטח שונה שימור CNT.
מספר המחקר בוצע על ההשפעה של גודל גרגר אספן 13-15, תכונות זרימת שיעור 16, ופני שטח של הדגנים 17 בתחבורה של חלקיקים בתווך נקבובי. עם זאת, חקירות שיטתיות על ההשפעה של solutכימיה יון (כגון pH וחוזק יוני) בתצהיר אפשרי על גבי משטחי האספן עדיין מוגבלת 18-20. בנוסף, ההשפעה המשולבת של גורמים פיזיים, כימיה פתרון של המדיום, ואת מאפיינים של צינורות פחמן פני השטח אינה מובנת היטב ולהשתנות בספרות שונה. במחקר זה, שיטת הכנה לשינוי של MWCNTs משטח תהיה הפגינה יחד עם טור מעבדה בקנה מידה שיטתי עמוס בחול קוורץ לניקוי חומצה ישמש לחקור תחבורה, השימור וremobilization של צינוריות-שונה משטח בתווך נקבובי רווי .
Protocol
Representative Results
Discussion
השפעה של Functionalization MWCNT
כאיור 2 מאשר את היציבות של MWCNTs פונקציונליות, ההבדל שנצפה בנפח eluted של MWCNT נבע functionalization ובעיקר בשל התוספת של carboxyl (-COOH) קבוצות אל פני השטח של MWCNTs (איורים 3 ו -4). בתהליך functionalizatio…
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).
