토양 칼럼을 통해 표면 개질 된 카본 나노 튜브의 운송

요약

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.

초록

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.

서문

정보 기술, 에너지, 환경 과학, 의학, 국토 안보, 식품 안전 및 수송 등의 산업 분야에서 많은 기술을 개선하기 위해 다양한 종류의 나노 입자를 사용하는 나노 기술의 최근 발전과 함께; 토양 및 지하수의 나노 입자의 수송 및 유지에 대한 철저한 이해를 위해 평가뿐만 아니라 나노 입자 설계 ^1-3의 환경 응용에 중요하다. 탄소 나노 튜브는 대부분의 제조 된 탄소 계 나노 입자 ^2,4- 중 하나이다. 탄소 나노 튜브는 일반적으로 100 나노 미터 이하의 직경이 50 ㎛ 인 100 nm 범위의 길이를 갖는 그라 펜 길고 원통형이다. 그들은 전자, 광학, 화장품, 생물 의학 기술 (예를 들어, 복합 재료) ^(5)와 같은 많은 응용 프로그램에서 사용을 가속화 독특한 특성을 보유하고 있습니다. 사용 증가로, 또한 증가 R이인체 노출 및 효과 건강에뿐만 아니라 CNT 및 환경 ^5-8 다른 탄소 기반 나노 물질 처리 다음과 생태계에 부정적인 영향을 ISK.

지표면 변형 (비관 능화 된)로, 탄소 나노 튜브는 매우 소수성이며 수용액에 응집하는 경향이있다. 기능화 된 탄소 나노 튜브는, 그러나, 분산 수용액에서 안정하고 이러한 약물 전달 ⁹ 생물 의학적 용도로 사용된다 남아있을 수있다. 여기에서는 탄소 나노 튜브가 분산 동원 때문에 약물이 인체 ⁽¹⁰⁾ 내에 전달 될 ​​수있는 상태로 유지하는 것이 필수적이다. 한편, 환경 위험을 줄이기 위해, 대수층 및 식수 자원 ^(11)에 그 입구를 방지하기 위해 탄소 나노 튜브를 고정화하는 방법을 중심으로 연구가 필요하다. 최근의 연구는 살아있는 유기체에 탄소 나노 튜브의 독성 효과를보고도 있기 때문에, 입력하고 먹이 사슬에 축적 탄소 나노 튜브의 관점에서 생태계에 위험했다^5,8를 생분해 탄소 나노 튜브는 어렵다. 탄소 나노 튜브의 장벽을 통과하기 위해 탄소 나노 튜브를 함유해도 매립 배리어 시스템을 가진 것이 가능할 수있다. 이러한 경우 탄소 나노 튜브는 지하수 저수지 및 표면 수역에 입력 할 수 있습니다. CNT의 폐기 규정이 잘 정의되지 않고 반송기구가 제대로 이해되는 바와 같이, 탄소 나노 튜브의 이동도의 개선 된 이해를 공식화 및 디자인 적절한 폐기 시스템 ^(12)에 필요하다. 따라서 CNT 보유를 수정 운명과 다공성 매체에서 탄소 나노 튜브의 수송 및 표면에 지하 환경에 일반적으로 존재하는 물리적, 화학적 요인의 효과를 연구하고 이해하는 것이 중요합니다.

다수의 연구는 다공성 매질에서의 나노 입자의 수송에 입자 ^(17)의 속도 ^(16), 및 표면 특성, 유동 콜렉터 입경 ^13-15의 효과에 대해 수행되었다. 오디오 솔루션의 효과에 그러나 체계적인 조사콜렉터 표면 상으로 가능한 증착에 이온 화학 (예 : pH와 이온 강도 등)는 여전히 ^{18 ~ 20를} 제한됩니다. 또한, 물리적 요인, 매체의 솔루션 화학, 탄소 나노 튜브의 표면 특성의 결합에 미치는 영향을 잘 이해하고 다른 문헌에서 변화되지 않습니다. 본 연구에서 다중 벽 탄소 나노 튜브의 표면 개질에 대한 제조 방법은, 산 세정 석영 모래를 충전 체계적인 실험실 규모의 컬럼과 함께 설명 될 것이다하는 포화 된 다공성 지지체의 표면 개질 된 탄소 나노 튜브의 반송, 유지 및 재 이동을 조사하기 위해 사용되는 .

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프로토콜

다중 벽 탄소 나노 튜브의 1 기능화

1. 안전 안경, 장갑 및 실험실 코트를 사용하여, 흄 후드 내부의 전체 작용 단계를 수행합니다. 눈금 실린더를 사용하여 질산 산성 황산 24 ㎖를 8 mL로 측정 한 다음 비이커로 옮긴다. 분석 저울에 주석 호일 컨테이너를 사용하여 비커에 처리되지 않은 다중 벽 탄소 나노 튜브의 32 mg을 추가 (최종 농도는 1 ㎎ / 산 혼합물의 ml를해야한다).
2. 첫째, 실온에서 2 시간 동안 초음파 세척기 (목욕)에 MWCNT 산 혼합물 비커를 유지. 그런 다음, 열 및 90에서 5 시간 동안 MWCNT-산 용액을 저어 핫 플레이트를 사용하여 ° C.
3. 필터 홀더에 배치 0.2 μm의 세공 직경의 PTFE 멤브레인 필터로 CNT 현탁액을 여과하고 여과를 돕기 위해 진공을 사용한다. 부분에 의해 여과 부분을 수행하고 여러 필터 멤브레인 (하나의 필터에 대한 부분마다 상기 혼합물의 약 1/4 ^일)를 사용합니다. 끓는 물에 추가혼합물의 pH가 5보다 커질 때까지 여과 공정시에 산 용액을 걸러.
4. 이 꺼져 있고 진공 시스템에 아무것도를 소개하지 전에 항상를 주입합니다. 폐액 수집 비커를 사용한다.
5. 폐기물 용기에 붓고 여과 산 (폐기물 처리 시설로 폐기물 용기를 보내거나 수돗물 중 적어도 열 배를 가산함으로써 싱크로 덤핑 전에 액체 희석).
6. CNT (약 24 시간 건조를 완료하기 위해 음식을 증발로 유지 다중 벽 탄소 나노 튜브와 여과막을 전송하고, 데시 케이 터에 넣어 요리 (실리카겔 약 100g 함유) 및 진공 환경을 생성 (약 1 시간 동안 진공을두고) ).
   1. 주걱을 사용하여 조심스럽게 막에서 탄소 나노 튜브를 긁어 깨끗한 용기 내로 입자를 옮긴다. 다중 벽 탄소 나노 튜브 분말의 무게를 측정하고 향후 사용을 위해 컨테이너를 레이블을 붙입니다.

2. Poro전송 실험에 대한 우리 미디어

1. 실리카 모래의 산 세척 0.1 M HCl 용액을 준비합니다.
   1. 안전 안경, 장갑, 실험실 코트와 흄 후드 내부의 모든 단계를 수행합니다. 2 L 플라스크에 1 L를 탈 이온수를 추가합니다. 눈금 실린더를 사용하여 37 % 염산 8 mL로 측정한다.
   2. 조심스럽게 탈 이온수에 염산을 추가합니다. 혼합하기 위해 조심스럽게 플라스크를 흔들어.
2. 준비된 HCl 용액으로 모래를 씻으십시오.
   1. 약 1,000g 모래의 무게를. HCl 용액과 플라스크에 모래의 1/3를 추가하고 모래 (모래마다의 1/3)의 나머지 부분을 추가 한 후 혼합하기 위해 두 번 플라스크를 흔들어.
   2. 플라스크를 세 번 흔들어 30 분간 모래 산을 둡니다.
   3. 적어도 8 배를 산 폐액 용기 플라스크에서 액체를 붓고 탈 이온수로 모래를 씻어.
3. H ₂ O ₂ 용액으로 모래를 씻으십시오.
   1. 에 탈 이온수 700 ml에 추가모래 플라스크는 눈금 실린더를 사용하여 ₂ O ₂ 30 % 용액 40㎖의 H를 측정한다.
   2. 모래 플라스크에 H ₂ O ₂ 솔루션을 추가하고 혼합하기 위해 두 번 흔들어. 플라스크에 160 ml의 H ₂ O ₂ 총이 때까지 ₂ O ₂ 용액을 3 회 30 % H의 또 다른 (40)를 가하여.
   3. 흔들어 용액과 모래 매번 혼합하고, 반응이 완료 될 수 있도록 40 ​​분 동안 모래 H ₂ O ₂ 용액을 떠난다. 플라스크를 흔들어 플라스틱 막대 매 10 분에 모래를 저어.
   4. 싱크대 아래로 액체를 가만히 따르다 30 초 동안 수돗물을 실행합니다.
4. 씻어 모래를 건조.
   1. 탈 이온수와 모래를 씻어 최소 8 시간은 모든 솔루션 제거 또는 반응 생성물을 통해 버려지합니다. 흔들어 세척 할 때 철저하게 약동하십시오.
   2. 건조 24 시간 동안 오븐 (105 ° C)로 세척 모래 플라스크에 넣고, 다음 사용하여 오븐에서 모래를 취할모래가 식을 때까지 오븐 벙어리 장갑 2 시간 동안 카운터에 둡니다.
   3. 플라스틱 용기에 깨끗한 모래를 전송합니다. 컨테이너를 표시하고 사용하기위한 준비를 적절한 선반에 배치합니다.

3. 열 실험

1. 배경 용액의 조제.
   1. 열 실험에 적합한 배경 솔루션 화학을 준비합니다.
   2. 다음 실험에 적합한 이온 강도를 달성하기 위해 pH 및 염화나트륨 염을 조정할 0.1 M HCl 및 0.1 M의 NaOH 용액을 사용한다.
2. 열 선택.
   1. 이 실험 (5 및 이온 강도 : 본 연구에서 2 mM의 산도) 2.5 cm 직경 15cm 길이의 유리 열을 선택합니다. 유리관의 양쪽에있는 스틸 메쉬 필터 (0.2 mm)를 사용합니다.
   2. 컬럼에 연결된 튜브 플러시 및 액체 흐름의 유형을 제어하기 위해 3- 방향 밸브까지 배경 용액으로 기입 (또는 다중 벽 탄소 나노 튜브 용액 (다중 벽 탄소 나노 튜브의 solution 또는 배경 용액)도 1에 도시 된 바와 같이.
3. 컬럼의 습식 포장.
   1. 규모에 깨끗한 모래의 무게를 측정하고 선택한 열 크기 깨끗한 모래 124g을.
   2. 높은 정밀도 연동 펌프를 사용합니다. 액체 유동의 2 ml / 분을 달성하기 펌프를 보정.
   3. 수위가 증류탑의 저부 위의 몇 센티미터 때까지 아래로부터 열을 채우기 위해 펌프를 켜고. 열에 한번에 측정 모래의 약 ^1/10을 넣어하지만 모래 레벨이 열에있는 수위 위에 오지 않는지 확인. 모래 수준 이상으로 유지하기 위해 계속 열로 물 흐름을 계속합니다.
   4. 완전 충전 후 적절한 필터 메쉬 열 뚜껑을 닫습니다.
   5. 충전 탑은 적어도 1 시간 동안 흐르게. 칼럼의 개개의 파라미터는 다음 표 1에 나타내었다.
4. 트레이서 시험.
   1. 에스MWCNT 솔루션 실험 이전에 추적 테스트와 열 실험을 타트.
   2. 실험을 시작하기 위해 (20 ㎎ / L로 음식 색 트레이서를 사용하여) 트레이서 용액에 3 방향 전환 밸브.
   3. 매 2 분에서 컬럼으로부터 유출을 채취 (즉, 4 ㎖ / 각 샘플링 튜브 내의 샘플)도 1에 도시 된 바와 같이 연결된 분획 수집기를 사용.
   4. 4.32 세공 용적에 대한 트레이서 용액을 주입 계속 또한 실험의 위상을 I라고 (즉, 용액 모래 충전 탑의 총 세공 빈 공간을 통과 4.32 배).
   5. 다른 기공 부피 4.32 대 (트레이서 실험의 경우 DI 물) 배경 용액 흐르도록 3 방향 전환 밸브.
5. 다중 벽 탄소 나노 튜브 용액의 조제.
   1. 원하는 solutio로 (수용액 200 ㎖을 함유하는 300 ml의 비이커에 기능화 된 다중 벽 탄소 나노 튜브 15mg의 배치하여 분산, 기능화 된 다중 벽 탄소 나노 튜브 용액을 만들기N 화학 즉, pH가 5 및 2 mM의 이온 전류 실험 조건에서의 강도)과 15 분 동안 40 %의 출력되는 동력을 비커에 넣고 초음파 프로브를 호 모지 나이저 (사용). 15 ㎎ / L의 농도를 달성 MWCNT 동일한 수용액 800 mL를 다른 다중 벽 탄소 나노 튜브 분산 용액을 섞는다.
   2. 크기와 후 기능화 된 나노 입자의 형상에 대한 스톡 용액의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지 분석을 수행한다.
6. MWCNT 전송 실험.
   1. 열 실험을 시작 MWCNT 용액에 3 방향 전환 밸브.
   2. 연결된 부분 수집기를 사용하여 매 2 분의 열에서 유출 샘플을 수집합니다.
   3. 4.32 기공 부피 대 용액 MWCNT (I 실험의 위상)을 주입한다.
   4. 실험의 단계 II라고 다른 세공 용적 4.32, 배경 용액을 흐르게 3 방향 전환 밸브.
   5. backgro에의 주입 관 변경상기 실험의 위상 III라고 다른 4.32 세공 용적에 대한 흐름을 계속 (튜브에서 공기의 입구를 피하기 위해 잠시 동안 펌프를 정지 한 후) DI 물 병으로 싶게 용액.
7. 샘플 분석.
   1. 튜브 랙에 분수 집에서 모든 튜브 샘플을 전송합니다.
   2. , 시료 분석, 즉를위한 UV / VIS 분광 광도계를 준비 수집 된 시료의 정량에 대한 적절한 검사 파장을 찾을 수 있습니다. MWCNT 솔루션 및 추적 솔루션을위한 333 nm 파장 400 nm의를 사용합니다.
   3. I, II, 및 (이전 단계에서 더 적합하다고 판단하는 경우 또는 상이한 파장) 400 nm의 파장을 사용하는 큐벳 III 및 데이터를 저장하는 단계 동안 컬럼으로부터 수집 된 모든 샘플을 스캔.
   4. 분광 광도계로부터 데이터를 수집하고 대표적인 결과에 나타낸 바와 같이 (예를 들면, 파과 곡선을 얻기 위해 시간 또는 세공 용적 대 그리면,도3).
   5. 제타 사이 저를 이용하여 유입 및 유출 샘플의 크기 분석 (수력 학적 직경)을 수행하고, 주사 전자 현미경을 사용하여 두 유출입 샘플에 대한 연구를 수행 시각화.

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결과

다중 벽 탄소 나노 튜브 기능화의 효과

기능화 MWCNT 분산 용액 용액 평형에 도달 할 수 있도록 비이커에 밀봉 하였다. 초음파 6 개월 (그림 2)에 대한 동일하게 유지 솔루션 MWCNT의 유체 역학적 직경 (1,619 ± 262 ㎚)로 초음파 처리 후 원액에서 관찰도 침강이나 응집이 있었다. 이동성에 다중 벽 탄소 나노 튜브의 작용의 효과를 조사하기 위해, 열 실험의 ?...

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토론

다중 벽 탄소 나노 튜브 기능화의 효과

도 2는 작용 화 된 다중 벽 탄소 나노 튜브의 안정성이 확인 된 바와 같이, MWCNT의 용출 부피에서 관측 된 차이는 다중 벽 탄소 나노 튜브의 표면 (-COOH) 그룹에 의한 작용 및 카르복실기의 첨가 특히 때문이었다 (도 3 및도 4). 유사한 작용 화 공정에서 산소의 존재는 X 선 광전자 분광법에 의해 확인 하...

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자료

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