Bir Toprak Kolonundaki Yüzey modifiye Karbon Nanotüpler taşınması
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
Böyle bilgi teknolojisi, enerji, çevre bilimleri, tıp, ülke güvenliği, gıda güvenliği ve ulaşım gibi sektörlerde teknolojileri bir dizi geliştirmek için nanopartiküllerin çeşitli kullanır nanoteknoloji son gelişme ile; Toprak ve yeraltı nanopartiküllerin taşıma ve tutma kapsamlı bir anlayış risk değerlendirmesinde yanı sıra mühendislik nanopartiküller 1-3 çevresel uygulamalar için kritiktir. Karbon nanotüpler (CNT) en çok üretilen karbon bazlı nanopartiküller 2,4 biridir. CNT tipik olarak 100 nm altında bir çap ve 50 um ila 100 nm arasında değişen bir uzunluğa sahip grafen uzun ve silindirik bir şekilde bulunmaktadır. Bunlar elektronik, optik, kozmetik, ve biyomedikal teknoloji (örneğin, kompozit malzemeler) 5 gibi birçok uygulamada kullanımını hızlandırmıştır eşsiz özelliklerini, var. Artan kullanımı, aynı zamanda artan bir r oradaİnsan pozlama ve etkisi sağlığı yanı sıra CNT ve çevreye 5-8 diğer karbon bazlı nano bertaraf aşağıdaki olumsuz ekolojik sonuçlara isk.
Herhangi bir yüzey modifikasyon (fonksiyonelleştirilmemiş) ile CNT son derece hidrofobik olan ve sulu bir çözelti içinde bir araya eğilimindedir. İşlevsel CNT Bununla birlikte, dağılır ve sulu çözeltiler içinde kararlı ve ilaç verme 9 gibi biyomedikal amaçlar için kullanılan kalabilir. İşte o CNT dağınık ve harekete, bu nedenle ilaç insan vücudunda 10 içinde teslim edilebilir kalır esastır. Öte yandan, çevre risklerinin azaltılması için, su tabakası ve içme suyu kaynakları 11 girmelerini önlemek için, CNT tespit yöntemi ilgili çalışma için bir ihtiyaç vardır. Son çalışmalar canlı organizmalar üzerinde CNTs toksik etkisini rapor ve aynı zamanda beri, giren ve gıda zincirinde biriken CNTs açısından ekosistemler riskler var5,8 ayrışamadığından için CNT zor. CNT engelleri geçmek için bile CNT içeren çöplüklere bariyer sistemleri ile mümkün olabilir. Bu gibi durumlarda CNT yeraltı depoları ve yerüstü su organları içine girebilir. CNT bertaraf yönetmelikler iyi tanımlanmış değildir ve taşıma mekanizmaları tam olarak anlaşılmamıştır gibi, CNTs hareketliliği geliştirilmiş bir anlayış formüle ve tasarım uygun bertaraf sistemleri 12 gerekir. Bu nedenle, bu CNT tutma modifiye kaderi ve gözenekli ortamda CNTs taşınmasını ve yüzeyde yeraltı ortamında yaygın olarak fiziksel ve kimyasal faktörlerin etkisini incelemek ve anlamak önemlidir.
Araştırmanın sayıda gözenekli ortam nanopartikül taşıma taneleri 17 oranı 16 ve yüzey özellikleri, akış toplayıcısı tane büyüklüğü 13-15 etkisi hakkında yapılmıştır. SOLUT etkisi üzerine Ancak, sistematik araştırmalarToplayıcı yüzeyleri üzerine olası birikimi üzerinde iyon kimya (örneğin pH ve iyonik kuvvet gibi), yine 18-20 sınırlıdır. Ek olarak, fiziksel faktörleri, orta çözelti kimyası ve karbon nanotüplerin yüzey özelliklerinin birleşik etkisi daha iyi anlaşılacak ve başka literatürde farklılık gösterir. Bu çalışmada, MWCNTs yüzey değişimi için bir hazırlama yöntemi asitle temizlenmiş kuvars kumu ile kaplı olan bir sistematik laboratuar ölçekli kolonu ile birlikte sunulacaktır doymuş gözenekli ortam yüzey tadil edilmiş CNTs nakil, saklama ve tekrar hareketlenmesi araştırmak için kullanılacaktır .
Protocol
Representative Results
Discussion
MWCNT işlevselleştirilmesi etkisi
Şekil 2, işlevselleştirilmiş MWCNTs stabilitesini teyit olarak MWCNT arasında taşınan hacimde görülen fark MWCNTs yüzeyine (-COOH) grupları, işlevsellik nedeniyle ve karboksil eklenmesinden özellikle bağlı olduğu (Şekil 3 ve 4). Benzer işlevselleştirme işlemde, oksijen varlığı X-ışını fotoelektron spektroskopisi 14 ile teyit edilmiştir. Bu nanopartik?…
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).
