Transporte de nanotubos de carbono modificado en la superficie a través de una columna de suelo
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
Con el reciente desarrollo en nanotecnología que utiliza diferentes tipos de nanopartículas para mejorar algunas de las tecnologías en industrias como la tecnología de la información, la energía, la ciencia del medio ambiente, la medicina, la seguridad nacional, la seguridad alimentaria, y el transporte; un conocimiento profundo del transporte y la retención de las nanopartículas en el suelo y las aguas subterráneas es fundamental para la evaluación de riesgos, así como aplicaciones ambientales de nanopartículas artificiales 1-3. Los nanotubos de carbono (CNTs) son una de las nanopartículas a base de carbono más producidas 2,4. CNTs son la forma larga y cilíndrica de grafeno con un diámetro típicamente por debajo de 100 nm y una longitud en el intervalo de 100 nm a 50 micras. Tienen propiedades únicas, que han acelerado su uso en muchas aplicaciones, tales como la electrónica, la óptica, cosméticos y tecnología biomédica (por ejemplo, materiales compuestos) 5. Con un mayor uso, también hay un mayor rISK a la exposición humana y el efecto sobre la salud, así como las consecuencias ecológicas adversas siguientes CNT y otra disposición nanomateriales de carbono basado en el medio ambiente 5-8.
Sin modificaciones de superficie (no funcionalizados), CNTs son extremadamente hidrófobo y tienden a agregarse en una solución acuosa. CNT funcionalizados pueden, sin embargo, permanecen dispersos y estable en soluciones acuosas y se utilizan para fines biomédicos tales como la administración de fármacos 9. Aquí es esencial que los nanotubos de carbono permanecen dispersos y movilizaron, por lo que el fármaco puede ser entregado dentro del cuerpo humano 10. Por otra parte, para reducir los riesgos medioambientales, hay una necesidad de estudios centrados en cómo inmovilizar los CNTs con el fin de evitar su entrada en los acuíferos y los recursos de agua potable 11. Estudios recientes han reportado el efecto tóxico de la CNT en los organismos vivos y también riesgos para los ecosistemas en términos de CNT que entran y se acumulan en la cadena alimentaria, desdeCNT son difíciles de biodegradar 5,8. Incluso con sistemas de barrera en vertederos que contienen nanotubos de carbono, puede ser posible para CNTs pasen a través de las barreras. En tales casos CNT podían entrar en los depósitos de agua subterránea y los cuerpos de agua superficiales. Como las normas de eliminación de la CNT no están bien definidas y mecanismos de transporte, son poco conocidos, una mejor comprensión de la movilidad de los nanotubos de carbono es necesario formular y diseñar sistemas de eliminación adecuada 12. Por lo tanto, es importante para estudiar y comprender el destino y el transporte de los CNT en medios porosos y el efecto de factores físicos y químicos comúnmente presentes en el entorno del subsuelo en la superficie modificada de retención CNT.
Un número de investigaciones se han llevado a cabo sobre el efecto de tamaño de grano colector 13-15, velocidad de flujo 16, y propiedades superficiales de los granos 17 en el transporte de nanopartículas en medios porosos. Sin embargo, investigaciones sistemáticas sobre el efecto de solutquímica de iones (tales como el pH y la fuerza iónica) sobre la posible deposición sobre las superficies de colector son todavía limitados 18-20. Además, el impacto combinado de los factores físicos, la solución química del medio, y propiedades de la superficie de los nanotubos de carbono no se entiende bien y varían en diferentes literatura. En este estudio, un método de preparación para la modificación de la superficie de MWCNTs se demostrará junto con una columna a escala de laboratorio sistemática lleno de arena de cuarzo-limpiarse con ácido se utiliza para investigar el transporte, la retención y la removilización de nanotubos de carbono de superficie modificada en medios porosos saturados .
Protocol
Representative Results
Discussion
Efecto de funcionalización MWCNT
Como muestra la Figura 2 confirma la estabilidad de MWCNTs funcionalizados, la diferencia observada en el volumen eluido de MWCNT era debido a la funcionalización y, en particular debido a la adición de carboxilo (-COOH) grupos a la superficie de las MWCNTs (Figuras 3 y 4). En el proceso de funcionalización similares, la presencia de oxígeno fue confirmada por espectroscopia de rayos X d…
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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