Summary

النقل من أنابيب الكربون النانوية المعدلة السطح من خلال عمود التربة

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

مع تطور الأخيرة في تكنولوجيا النانو التي تستخدم أنواع مختلفة من الجسيمات النانوية لتحسين عدد من التقنيات في الصناعات مثل تكنولوجيا المعلومات، والطاقة، والعلوم البيئية، والطب، والأمن الداخلي، وسلامة الأغذية، والنقل؛ فهم شامل للنقل والإبقاء على الجسيمات النانوية في التربة والمياه الجوفية هو أمر حاسم لتقييم المخاطر وكذلك التطبيقات البيئية الجسيمات النانوية المهندسة و1-3. أنابيب الكربون النانوية (الأنابيب النانوية الكربونية) هي واحدة من الجسيمات النانوية الكربونية معظم إنتاجها 2،4. تشارك المركز الوطني هي شكل اسطواني طويل والجرافين التي يبلغ قطرها عادة أقل من 100 نانومتر، ويبلغ طوله في حدود 100 نانومتر إلى 50 ميكرون. لديهم خصائص فريدة من نوعها، والتي تسارعت استخدامها في العديد من التطبيقات، مثل الالكترونيات والبصريات، ومستحضرات التجميل، والتكنولوجيا الطبية الحيوية (مثل المواد المركبة) 5. مع زيادة استخدام، وهناك أيضا زيادة صISK إلى التعرض البشري والتأثير على الصحة، وكذلك العواقب البيئية السلبية التالية CNT وغيرها من المواد النانوية الكربونية أساس التخلص بالبيئة 5-8.

مع أي تعديلات السطحية (unfunctionalized)، الأنابيب النانوية الكربونية هي مسعور للغاية، وتميل إلى تجميع في محلول مائي. تشارك المركز الوطني بين functionalized يمكن، مع ذلك، تبقى متفرقة واستقرارا في المحاليل المائية وتستخدم لأغراض الطبية الحيوية مثل تسليم المخدرات 9. هنا من الضروري أن تشارك المركز الوطني تبقى متفرقة وتعبئة، لذلك يمكن أن يتم تسليم المخدرات داخل جسم الإنسان 10. من ناحية أخرى، للحد من المخاطر البيئية، وهناك حاجة لإجراء دراسات تركز على كيفية لشل حركة الأنابيب النانوية الكربونية من أجل تجنب دخولهم إلى طبقات المياه الجوفية وموارد مياه الشرب 11. وأفادت الدراسات الحديثة التأثير السام من الأنابيب النانوية الكربونية على الكائنات الحية والمخاطر أيضا على الأنظمة الإيكولوجية من حيث تشارك المركز الوطني الدخول وتراكم في السلاسل الغذائية، منذالأنابيب النانوية الكربونية من الصعب تتحلل 5،8. حتى مع أنظمة حاجز في مقالب القمامة التي تحتوي على الأنابيب النانوية الكربونية، قد يكون من الممكن لتشارك المركز الوطني بالمرور عبر الحواجز. في مثل هذه الحالات تشارك المركز الوطني يمكن أن تدخل إلى خزانات المياه الجوفية والمسطحات المائية. لوائح التخلص CNT ليست محددة جيدا، ويفهم آليات النقل سيئة، فهم أفضل من التنقل من الأنابيب النانوية الكربونية ضروري لصياغة وتصميم النظم التخلص المناسب (12). ولذلك، من المهم دراسة وفهم مصير ونقل الأنابيب النانوية الكربونية في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها وتأثير العوامل الفيزيائية والكيميائية بشكل شائع في البيئة تحت سطح الأرض على سطح تعديل الاحتفاظ CNT.

وقد تم تنفيذ عدد من البحوث التي أجريت حول تأثير حجم جامع الحبوب 13-15، وتدفق معدل 16، وخصائص سطح الحبوب 17 في وسائل النقل من الجسيمات النانوية في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها. ومع ذلك، تحقيقات منهجية عن تأثير solutايون الكيمياء (مثل درجة الحموضة والقوة الأيونية) على احتمال ترسب على أسطح جامع لا تزال محدودة 18-20. بالإضافة إلى ذلك، التأثير المشترك للعوامل الفيزيائية والكيمياء حل وسط، وخصائص سطح أنابيب الكربون النانوية ليست مفهومة جيدا وتختلف في الأدب مختلفة. سوف في هذه الدراسة، سيتم أظهرت طريقة التحضير لتعديل سطح MWCNTs جنبا إلى جنب مع المنهجي العمود نطاق المختبر معبأة مع حمض تنظيف الرمل الكوارتز استخدامها للتحقيق في النقل والاحتفاظ بها وإعادة تحشد الأنابيب النانوية الكربونية المعدلة السطح في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها المشبعة .

Protocol

1. Functionalization من Multiwalled أنابيب الكربون النانوية تنفيذ الخطوة functionalization بالكامل داخل غطاء الدخان، وذلك باستخدام النظارات السلامة، والقفازات ومعطف المختبر. قياس 24 مل من حمض الكبريتيك و 8 مل من حمض النترات باستخدام اسطوان?…

Representative Results

تأثير Functionalization MWCNT تم اغلاق حل MWCNT بين functionalized وتفرقوا في الدورق للسماح الحل للوصول إلى التوازن. كان هناك لا الترسيب ولا التجميع التي لوحظت في حل الأسهم بعد صوتنة، وقطر الهيدروديناميكية من MWCNT (1،619 ± 262 نانومتر) في حل بقيت …

Discussion

تأثير Functionalization MWCNT

كما الشكل 2 يؤكد استقرار MWCNTs بين functionalized، كان الفارق الملحوظ في حجم مزال من MWCNT المقرر أن functionalization ويرجع بشكل خاص إلى إضافة الكربوكسيل (-COOH) مجموعات إلى سطح MWCNTs (أرقام 3 و 4). في…

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/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