النقل من أنابيب الكربون النانوية المعدلة السطح من خلال عمود التربة

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

1. 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 اسطوانة تخرج، ومن ثم نقلها إلى دورق. إضافة 32 ملغ من MWCNTs غير المعالجة في كوب باستخدام القصدير حاوية احباط في التوازن التحليلي (يجب أن يكون التركيز النهائي 1 ملغ / مل من مزيج حمض).
2. لأول مرة، والحفاظ على الكأس مع MWCNT ومزيج الحامض في نظافة بالموجات فوق الصوتية (حمام) لمدة 2 ساعة على RT. ثم والحرارة وتثير الحل MWCNT الحمضية لمدة 5 ساعة على 90 ° C باستخدام صفيحة ساخنة.
3. تعليق تصفية CNT مع 0.2 ميكرون المسام القطر PTFE غشاء تصفية وضعها على حامل المرشح، واستخدام الفراغ لمساعدة الترشيح. أداء جزء الترشيح من قبل جزء واستخدام العديد من الأغشية مرشح (حوالي 1/4 ^عشر من خليط أعلاه في جزء لمرشح واحد). إضافة الماء المغليخلال عملية الترشيح لتصفية محلول حمض حتى الرقم الهيدروجيني للخليط تصبح أكبر من 5.
4. كسر دائما الفراغ قبل أن يتم إيقاف تشغيله وعدم إدخال أي شيء في النظام فراغ. استخدام دورق مخروطي الشكل لجمع النفايات السائلة.
5. صب حامض مرشح في حاوية النفايات (إرسال حاوية النفايات الى منشأة معالجة النفايات أو تمييع السائل قبل دفنها في بالوعة بإضافة عشر مرات على الأقل من ماء الصنبور).
6. نقل الأغشية مرشح مع MWCNTs المحتجزة إلى تبخر أطباق ووضع الأطباق في المجفف (يحتوي على حوالي 100 غرام من هلام السيليكا) وخلق بيئة فراغ (ترك فراغ لمدة حوالي 1 ساعة) لCNT لاستكمال التجفيف (حوالي 24 ساعة ).
   1. تتخلص من الأنابيب النانوية الكربونية من الأغشية بعناية باستخدام ملعقة ونقل الجزيئات في وعاء نظيف. وزن مسحوق MWCNTs وتسمية الحاوية لاستخدامها في المستقبل.

2. بورووسائل الاعلام الامريكية عن التجارب النقل

1. إعداد 0.1 M حمض الهيدروكلوريك حل لغسيل حمض رمل السيليكا.
   1. أداء جميع هذه الخطوات داخل غطاء الدخان مع نظارات السلامة، والقفازات، ومعطف المختبر. إضافة 1 L-المتأينة المياه إلى 2 L القارورة. قياس 8 مل من حمض الهيدروكلوريك 37٪ باستخدام اسطوانة تخرج.
   2. إضافة حمض الهيدروكلوريك في دي المتأينة المياه بعناية. هز قارورة بعناية للمساعدة في الخلط.
2. غسل الرمال مع حل حمض الهيدروكلوريك استعداد.
   1. تزن حوالي 1،000 ز الرمال. إضافة 1/3 من الرمل في قارورة مع حل حمض الهيدروكلوريك ويهز القارورة هدفين ليساعد خلط ثم إضافة بقية الرمال (1/3 من الرمال في كل مرة).
   2. هز قارورة ثلاث مرات وترك حامض مع الرمال لمدة 30 دقيقة.
   3. صب السائل من القارورة إلى حاوية النفايات الحمضية وشطف الرمال مع دي المتأينة المياه 8 مرات على الأقل.
3. غسل الرمال مع H ₂ O ₂ الحل.
   1. إضافة 700 مل من الماء غير المتأينة فيالقارورة مع الرمل ثم قياس 40 مل من 30٪ H ₂ O ₂ الحل باستخدام اسطوانة تخرج.
   2. إضافة H ₂ O ₂ الحل في قارورة مع الرمل ويهز مرتين للمساعدة في الخلط. ثم إضافة 40 مل أخرى من 30٪ H ₂ O ₂ حل 3 مرات حتى يكون هناك 160 مل H ₂ O ₂ الإجمالي في قارورة.
   3. يهز ومزيج الحل والرمل في كل مرة وترك H ₂ O ₂ حل مع الرمال لمدة 40 دقيقة للسماح للرد فعل على أن تكتمل. هز قارورة ويحرك الرمال مع قضيب بلاستيكي كل 10 دقيقة.
   4. صب السائل وصولا الى بالوعة وتشغيل مياه الصنبور لمدة 30 ثانية.
4. شطف وتجفيف الرمال.
   1. شطف الرمال مع دي المتأينة المياه 8 مرات على الأقل للتخلص من أي حل أو خلفها منتجات التفاعل. يهز ويحرك جيدا عند الشطف.
   2. ضع قارورة مع الرمل تشطف في الفرن (105 درجة مئوية) لمدة 24 ساعة لتجف، ثم أخذ الرمال من الفرن باستخدامفرن القفاز وترك في العداد لمدة 2 ساعة عن الرمل ليبرد.
   3. نقل الرمال النظيفة في وعاء من البلاستيك. بمناسبة الحاويات ووضعها في الرف المناسب لتكون جاهزة للاستخدام.

3. التجارب العمود

1. إعداد الحل الخلفية.
   1. إعداد المناسب الكيمياء حل الخلفية للتجربة العمود.
   2. استخدام 0.1 M حمض الهيدروكلوريك وهيدروكسيد الصوديوم 0.1 M حلول لضبط درجة الحموضة وكلوريد الصوديوم والملح لتحقيق القوة الأيونية المناسبة للتجربة التالية.
2. اختيار العمود.
   1. اختيار عمود الزجاج من 2.5 سم وقطرها 15 سم طول لهذه التجربة (درجة الحموضة: 5 والقوة الأيونية: 2 مم في الدراسة الحالية). استخدام عامل تصفية شبكة من الصلب (0.2 ملم) على جانبي العمود الزجاج.
   2. تدفق أنابيب متصلة العمود وملء مع الحل الخلفية (أو MWCNTs حل حتى 3 في اتجاه وصمام للتحكم في نوع من تدفق السائل (MWCNTs محلولن أو حل الخلفية) كما هو مبين في الشكل (1).
3. الرطب التعبئة للعمود.
   1. الموازنة بين الرمال النظيفة على نطاق واتخاذ 124 غرام من الرمال النظيفة لحجم العمود المحدد.
   2. استخدام عالية الدقة مضخة تمعجية. معايرة المضخة لتحقيق 2 مل / دقيقة تدفق السائل.
   3. بدء تشغيل المضخة لملء عمود من أسفل حتى مستوى المياه بضعة سنتيمترات فوق الجزء السفلي من العمود. وضع حوالي 1/10 ^عشر من الرمال قياس في وقت واحد في عمود ولكن تأكد من أن مستوى الرمال لا يأتي فوق مستوى المياه في العمود. مواصلة تدفق المياه إلى العمود باستمرار للبقاء فوق مستوى الرمال.
   4. أغلق الغطاء العمود مع شبكة مرشح المناسبة بعد تعبئة كاملة.
   5. السماح للعمود معبأة في التدفق لا يقل عن 1 ساعة. يشار إلى المعلمات الفردية للعمود في الجدول 1.
4. اختبار التتبع.
   1. Sحامضة التجربة عمود مع اختبار التتبع قبل التجارب حل MWCNT.
   2. تبديل 3 في اتجاه وصمام إلى حل التتبع (باستخدام الغذاء اللون التتبع في 20 ملغم / لتر) لبدء التجربة.
   3. جمع العينات تدفق من العمود في كل 2 دقيقة (أي 4 مل / العينات في كل أنبوب أخذ العينات) باستخدام جزء جامع متصل كما هو موضح في الشكل رقم 1.
   4. مواصلة لحقن حل التتبع لحجم المسام 4.32 (أي حل يمر 4.32 مرات من إجمالي مساحة المسام فارغة في العمود معبأة الرمال)، وهو ما يسمى أيضا المرحلة الأولى من التجربة.
   5. تبديل 3 في اتجاه وصمام لتدفق الحل الخلفية (DI المياه في حالة التجربة التتبع) لحجم المسام 4.32 آخر.
5. إعداد الحل MWCNT.
   1. جعل، بين functionalized حل MWCNTs فرقت عن طريق وضع 15 ملغ من MWCNTs بين functionalized في كوب 300 مل تحتوي على 200 مل من محلول مائي (مع محلول المطلوبن الكيمياء أي درجة الحموضة 5 و 2 ملي القوة الأيونية في حالة تجريبية الحالية) وباستخدام مسبار الخالط بالموجات فوق الصوتية وضعها في كوب (مع 40٪ انتاج الطاقة لمدة 15 دقيقة). خلط MWCNTs حل فرقت مع 800 مل آخر من نفس محلول مائي لتحقيق تركيز MWCNT من 15 ملغ / L.
   2. أداء المجهر الإلكتروني (SEM) تحليل صورة محلول المخزون لحجمها وشكل جسيمات متناهية الصغر بعد functionalization.
6. تجربة النقل MWCNT.
   1. تبديل 3 في اتجاه وصمام إلى حل MWCNT لبدء التجربة العمود.
   2. جمع العينات تدفق من العمود في كل 2 دقيقة باستخدام جزء جامع متصل.
   3. حقن محلول MWCNT لحجم المسام 4.32 (المرحلة الأولى من التجربة).
   4. تبديل 3 في اتجاه وصمام لتدفق الحل الخلفية لوحدة تخزين أخرى 4.32 المسام، وهو ما يسمى المرحلة الثانية من التجربة.
   5. تغيير أنبوب حقن backgroالحل اوند في زجاجة المياه DI (بعد إيقاف المضخة للحظة واحدة لتجنب دخول الهواء من الأنبوب) ويستمر تدفق للوحدة تخزين أخرى 4.32 المسام، وهو ما يسمى المرحلة الثالثة من التجربة.
7. تحليل عينة.
   1. نقل جميع العينات أنبوب من جزء جامع في رف أنبوب.
   2. إعداد معمل الأشعة فوق البنفسجية / VIS لتحليل عينة، أي معرفة الطول الموجي المسح الضوئي المناسب لتقدير حجم العينات التي تم جمعها. استخدام 400 نانومتر عن حل MWCNT وطول موجي 333 نانومتر لحل التتبع.
   3. مسح جميع العينات التي تم جمعها من العمود خلال المرحلتين الأولى والثانية، والثالثة باستخدام كوفيت في الطول الموجي 400 نانومتر (أو طول موجي مختلف إذا رأت ذلك مناسبا أكثر في الخطوة السابقة) وتخزين البيانات.
   4. جمع البيانات من معمل ورسم لهم مقابل الوقت أو حجم المسام للحصول على المنحنيات اختراق كما هو مبين في نتائج تمثيلية (على سبيل المثال، الشكل3).
   5. لتحليل حجم (قطر الهيدروديناميكية) من تدفق وتدفق العينات باستخدام زيتا بحجم وإجراء التصور درس لكل من تدفق وتدفق العينات باستخدام المجهر الإلكتروني.

النتائج

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...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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