Transport av Surface-modifisert karbonnanorør gjennom en Soil kolonne

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

Med den siste utviklingen i nanoteknologi som bruker ulike typer nanopartikler for å forbedre en rekke teknologier i bransjer som informasjonsteknologi, energi, miljø, medisin, Homeland Security, mattrygghet, og transport; en grundig forståelse av transport og oppbevaring av nanopartikler i jord og grunnvann er kritisk for risikovurdering, samt miljøprodukter av konstruerte nanopartikler ^1-3. Karbon nanorør (CNTs) er et av de mest produserte karbonbaserte nanopartikler ^2,4. CNTs er den lange og den sylindriske form av graphene med en diameter på typisk under 100 nm og en lengde i området fra 100 nm til 50 um. De har unike egenskaper som har akselerert deres bruk i mange programmer, for eksempel elektronikk, optikk, kosmetikk, og biomedisinsk teknologi (f.eks komposittmaterialer) ^5. Med økt bruk, er det også en økt rISK til human eksponering og effekt på helse, samt uheldige økologiske konsekvenser følgende CNT og andre karbon nanomaterialer disposisjon for miljøet ^5-8.

Uten overflatemodifiseringer (unfunctionalized), CNTs er ekstremt hydrofobt og har en tendens til å aggregere i vandig oppløsning. Funksjon CNTs kan imidlertid forblir dispergert og stabilt i vandige oppløsninger og anvendes for biomedisinske formål, for eksempel levering av legemidler ^9. Her er det vesentlig at de CNTs forblir dispergert og mobiliserte, slik at medikamentet kan leveres i kroppen ^10. På den annen side, for å redusere miljørisikoen, er det behov for studier som fokuserer på hvordan å immobilisere CNTs for å unngå sin inntreden i akviferer og drikkevann ressurser ^11. Nyere studier har rapportert den giftige effekten av CNTs på levende organismer og risikerer også å økosystemene i form av CNTs inn og akkumuleres i næringskjedene, sidenCNTs er vanskelig å brytes ^5,8. Selv med barriere systemer i deponier inneholder CNTs, kan det være mulig for CNTs å passere gjennom barrierene. I slike tilfeller CNTs kunne inngå grunnvannsreservoarer og overflate vannforekomster. Som CNT forskrifter ikke er godt definert og transportmekanismer er dårlig forstått, er nødvendig en bedre forståelse av mobilitet av CNTs å formulere og design passende Avfallshåndtering ^12. Derfor er det viktig å studere og forstå skjebnen og transport av CNTs i porøse media, og effekten av fysiske og kjemiske forhold som vanligvis er til stede i undergrunnsmiljøet på overflatemodifiserte CNT oppbevaring.

En rekke undersøkelser er blitt utført på effekten av samleren kornstørrelse ^13-15, strømningshastighet ^16, og overflateegenskaper kornene ¹⁷ på transport av nanopartikler i porøse medier. Imidlertid systematiske undersøkelser på effekten av solution kjemi (slik som pH og ionestyrke) på mulige avsetning på kollek overflater er fortsatt begrenset ^18-20. I tillegg er den kombinerte virkningen av fysiske faktorer, oppløsningskjemi av mediet, og overflateegenskaper karbon nanorør ikke godt forstått, og varierer i forskjellig litteratur. I denne studien vil en fremstillingsmetode for overflatemodifisering av MWCNTs bli vist sammen med en systematisk laboratorie-skala kolonne pakket med syre renset kvartssand vil bli brukt til å undersøke transport, oppbevaring og re-mobilisering av overflatemodifiserte CNTs i mettede porøse media .

Protocol

1. funksjon av Multiwalled karbonnanorør Utføre hele funksjon skritt inne i en avtrekkshette, ved hjelp av sikkerhet briller, hansker og frakk. Mål 24 ml svovelsyre og 8 ml nitratsyre ved bruk av en målesylinder, og deretter overføre dem i et begerglass. Legg 32 mg av ubehandlet MWCNTs i et begerglass ved hjelp av aluminiumsfolie beholder ved en analytisk balanse (sluttkonsentrasjon bør være 1 mg / ml av syreblanding). Først holde begeret med MWCNT og syreblandingen i ultralydrenseren (bad) …

Representative Results

Effekten av MWCNT funksjon Den funksjonaliserte og dispergert MWCNT oppløsning ble forseglet i begerglasset for å tillate løsningen til å oppnå likevekt. Det var ingen sedimentering eller aggregering observert i stamløsningen etter sonikering, som den hydrodynamiske diameter av MWCNT (1619 ± 262 nm) i oppløsningen forble den samme seks måneder med sonikering (figur 2). For å undersøke effekten av funksjonalisering av MWCNTs på deres mobilitet, bl…

Discussion

Effekten av MWCNT funksjon

Som figur 2 bekrefter stabiliteten av funksjon MWCNTs, den observerte forskjellen i volum av eluert MWCNT skyldtes funksjonalise og særlig på grunn av tilsetningen av carboxyl (-COOH) -grupper til overflaten av MWCNTs (figurene 3 og 4). På tilsvarende funksjonprosessen, ble tilstedeværelsen av oksygen bekreftet ved røntgen-fotoelektronspektroskopi ^14. Det har vist seg tidligere at t…

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