Bir Toprak Kolonundaki Yüzey modifiye Karbon Nanotüpler taşınması

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

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 var^5,8 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 .

Protokol

Çok duvarlı karbon Nanotüpler 1. İşlevselleştirilmesi

1. Emniyet gözlük, eldiven ve laboratuvar önlüğü kullanarak, davlumbaz içinde tüm fonksiyonelleştirme adımı gerçekleştirin. Bir dereceli silindir kullanarak, nitrat asidi, 24 ml sülfürik asit ve 8 mi ölçün ve daha sonra bir kap içine aktarın. Bir analitik terazi kalay folyo muhafazası kullanılarak bir beher içine işlenmemiş MWCNTs 32 mg ekleyin (nihai konsantrasyon 1 mg / asit karışımının ml olmalıdır).
2. İlk olarak, oda sıcaklığında 2 saat boyunca ultrasonik temizleyici (banyo) içinde MWCNT ve asit karışımı ile beher tutun. Daha sonra, ısı ve 90 ° C sıcaklıkta 5 saat için MWCNT asit çözeltisi karıştırılmış Sıcak plaka kullanılarak ° C.
3. Bir filtre tutucu üzerine yerleştirilmiş bir 0.2 mikron gözenek çapı PTFE filtre membran ile CNT süspansiyon Filtre ve filtrasyon yardımcı olmak için vakum kullanın. Bölümü tarafından filtrasyon bölümünü gerçekleştirmek ve çeşitli filtre membranlar (bir filtre için porsiyon başına yukarıdaki karışımın yaklaşık 1/4 ^inci) kullanın. Kaynar su ekleyinKarışımın pH değeri 5'ten büyük olana kadar filtreleme işlemi sırasında asit solüsyonu filtre.
4. O kapalı ve vakum sistemine şey tanıtmak için değil önce daima vakum kırmak. Atık sıvıyı toplamak için bir konik beher kullanın.
5. Bir atık kabına filtreli asit dökün (atık işleme tesisine atık konteyneri göndermek veya musluk suyu en az on kez ekleyerek lavabonun içine damping önce sıvı sulandırmak).
6. CNT (yaklaşık 24 saat, sonra kurumanın tamamlanması için yemekler buharlaştırılması halinde tutulan MWCNTs filtre membranları aktarın ve kurutma cihazı içine yemekler koymak (silis jeli, yaklaşık olarak 100 g içerir) ve bir vakum ortamı oluşturmak (yaklaşık 1 saat için vakumu bırakmak) ).
   1. Dikkatle spatula kullanılarak membranların dışarı CNT kazıyın ve temiz bir kabın içine parçacıkları aktarın. MWCNTs tozu tartılır ve ileride kullanmak için konteyner etiket.

2. PoroUlaştırma Deneyler için bize Medya

1. Silika kumu asit yıkama için 0.1 M HCI çözeltisi hazırlayın.
   1. Emniyet gözlük, eldiven, ve laboratuvar önlüğü ile bir davlumbaz içindeki bütün bu adımları uygulayın. 2 L'lik bir şişeye, 1 L deiyonize su ilave edilir. Bir dereceli silindir kullanarak, 37% HCI 8 ml ölçün.
   2. Dikkatli bir şekilde deiyonize su içine HCl ekleyin. Karıştırma yardım dikkatle şişeyi çalkalayın.
2. Hazırlanan HCI çözeltisi ile kum yıkanır.
   1. Yaklaşık 1,000 gr kum tartılır. HCI çözeltisi ile balona kum 1/3 ekleyin ve kum (kum her zaman 1/3) geri kalanını ekleyin karıştırma yardımcı olmak için iki kez şişeyi sallayın.
   2. Flask üç kez çalkalayın ve 30 dakika kum asit bırakın.
   3. En az 8 kat asit atık kabına şişenin üzerinden sıvı dökün ve de-iyonize su ile kum yıkayın.
3. Bir _{H2O 2} çözeltisi ile kum yıkanır.
   1. Içine deiyonize suyun 700 ml ilave edilirkum Şişe daha sonra derecelendirilmiş bir silindir kullanarak, ₂ O ₂ solüsyon 30% H, 40 ml ölçer.
   2. Kum ile balona H ₂ O ₂ çözüm ekleyin ve karıştırarak yardım için iki kez sallayın. Bir şişe içinde 160 mi _{H2O 2} toplam olduğu kadar sonra ₂ O ₂ çözelti 3 kez% 30 H başka bir 40 ml ilave ediniz.
   3. Çalkalanır ve çözelti, ve kum her karıştırmak ve reaksiyon tamamlanması için izin vermek için 40 dakika boyunca kum ile _{H2O 2} solüsyonu bırakın. Çalkalanır ve bir plastik çubuk her 10 dakikada bir, kumun karıştırın.
   4. Lavabo aşağı sıvı Durusu ve 30 saniye için musluk suyu çalıştırın.
4. Durulayın ve kurulayın kum.
   1. De-iyonize su ile kum durulayın, en az 8 kat bir çözelti kurtulmak ya da reaksiyon ürünleri üzerinde sol olsun. Sallayın ve durulama sırasında iyice karıştırın.
   2. Kuruması için 24 saat boyunca bir fırında (105 ° C) içine durulanır kum ile şişesi koyun, sonra kullanarak fırından dışarı kum almakkum soğumasını için fırın mitten ve 2 saat sayaç bırakın.
   3. Plastik bir kap içerisine temiz kum aktarın. Kabı işaretleyin ve kullanıma hazır olması için uygun bir raf yerleştirin.

3. Sütun Deneyleri

1. Arka plan çözeltisinin hazırlanması.
   1. Kolon deney için uygun arka plan çözümü kimyasını hazırlayın.
   2. Aşağıdaki deney için uygun iyonik kuvvet elde etmek için pH değeri ve NaCl tuzu ayarlamak için 0,1 M HCI ve 0.1 M NaOH çözümleri kullanın.
2. Sütun seçimi.
   1. Bu deneyde (: 5 ve iyonik kuvvet: Bu çalışmada 2 mM pH) 2.5 cm çapında ve 15 cm uzunluğunda bir cam sütunu seçin. Cam sütunun her iki tarafında bir çelik ağ filtresi (0,2 mm) kullanın.
   2. Kolona bağlanan tüpler yıkayın ve sıvı akış türünü kontrol etmek için 3 yollu vana kadar arka çözeltisi ile doldurun (veya MWCNTs çözeltisi (MWCNTs eriyikN ya da arka plan çözelti), Şekil 1 'de gösterildiği gibi.
3. Sütunun Islak-paketleme.
   1. Bir ölçekte temiz kum tartılır ve seçilen sütun boyutu için temiz kum 124 gr alır.
   2. Yüksek hassasiyetli peristaltik pompa kullanın. Sıvı akışının 2 ml / dakika elde etmek için pompa kalibre edin.
   3. Su seviyesi sütunun alt yukarıda santimetre bir çift kadar alttan sütun doldurmak için pompayı başlatın. Sütuna bir anda ölçülen kum yaklaşık 1/10 ^th koyun ama kum seviyesi sütununda su seviyesinin üzerinde gelmiyor emin olun. Kum seviyesinin üzerinde kalmayı sürekli sütuna su akışını devam edin.
   4. Tam doldurduktan sonra uygun filtre örgü ile sütun kapağını kapatın.
   5. Paketli sütun en az 1 saat boyunca akmasına izin verir. sütunun ayrı ayrı parametreler Tablo 1 'de gösterilmiştir.
4. Tracer testi.
   1. SMWCNT çözüm deneyler öncesinde bir izleyici testi ile kolon deney tart.
   2. Denemeyi başlatmak için (20 mg / L gıda renk izleyici kullanarak) izleyici çözeltisine 3-yollu vanayı kapatın.
   3. Her 2 dakikada kolondan çıkış örnekleri toplamak (örneğin, 4 mi / her bir numune bir tüp içinde örnek), Şekil 1 'de gösterildiği gibi, bağlantılı kısım toplayıcısı kullanılarak.
   4. Bir 4.32 gözenek hacmi için izleyici çözümü enjekte devam denemenin faz I denir, (yani, çözüm kum dolu sütununda toplam boş gözenek alanı 4.32 kat geçer).
   5. Başka 4.32 gözenek hacmi (tracer deney durumunda DI su) arka plan çözümü akış 3-yollu vanayı kapatın.
5. MWCNT çözeltisinin hazırlanması.
   1. Istenen eriyik ile (sulu çözelti, 200 ml içeren 300 ml'lik bir beher içinde, işlevselleştirilmiş MWCNTs 15 mg koyarak dağılmış işlevselleştirilmiş MWCNTs çözeltisi oluşturunuzn, kimya, yani, pH 5 ve 2 mM iyonik mevcut deney durumda gücünde) ve 15 dakika için% 40 güç çıkışına sahip bir ölçek içine yerleştirilmiş bir ultrasonik homojenleştirici probu (kullanarak). 15 mg / L MWCNT konsantrasyon elde etmek için aynı sulu çözelti bir 800 ml dağıtılır MWCNTs çözüm karıştırın.
   2. Boyutu ve işlevsellik sonra Nanopartikülün şekli için stok solüsyonu taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntü analizi yapın.
6. MWCNT taşıma deneyi.
   1. Sütun deneyi başlatmak için MWCNT çözüm 3-yollu vanayı kapatın.
   2. Bağlı fraksiyon toplayıcı kullanarak her 2 dakikada kolondan çıkış örnekleri toplamak.
   3. Bir 4.32 gözenek hacmi için MWCNT çözüm (Ben deney faz) enjekte edilir.
   4. Deney faz II olarak adlandırılan bir başka 4.32 gözenek hacmi, arka plan çözümü akış 3-yollu vanayı kapatın.
   5. Backgro enjeksiyon tüpünü değiştirmekve deney faz III olarak adlandırılan başka bir 4.32 gözenek hacmi, için akışını devam (tüp hava girişini önlemek için bir an için pompayı durdurduktan sonra) DI su şişesi içine und çözüm.
7. Örnek analizi.
   1. Bir tüp rafa fraksiyon toplayıcı tüm tüp örnekleri aktarın.
   2. , Numune analizleri, yani bir UV / VIS spektrofotometre hazırlayın toplanan örneklerin ölçümü için uygun tarama dalga boyu bulmak. Bir MWCNT çözüm ve izleyici çözümü için 333 nm dalga boyunda 400 nm kullanın.
   3. I, II ve (önceki aşamada daha uygun görüldüğü takdirde ya da farklı bir dalga boyu) 400 nm'lik bir dalga boyunda bir küvet kullanıldığında III veri depolamak aşamalarında kolonundan elde edilen tüm numuneler tarar.
   4. Spektrofotometre verileri toplayın ve temsilcisi sonuçları gösterildiği gibi (örneğin atılım eğrileri elde etmek zaman veya gözenek hacmi vs bunları çizmek, Şekil3).
   5. Zeta ölçücüyle giriş ve çıkış örneklerinin boyutunu analizi (hidrodinamik çap) gerçekleştirin ve taramalı elektron mikroskobu kullanarak hem giriş ve çıkış örnekleri için okudu görselleştirme yapmak.

Sonuçlar

MWCNT işlevselleştirilmesi etkisi

fonksiyonalize ve dağınık MWCNT çözeltisi Çözelti dengeye erişmeye izin vermek için çanak içinde kapatılmıştır. Sonikasyon altı ay (Şekil 2) için aynı kalan çözelti içinde MWCNT hidrodinamik çapı (1619 ± 262 nm) olarak sonikasyon sonrasında stok çözeltisi gözlenen ne sedimantasyon veya agregasyon oldu. Onların hareketlilik MWCNTs fonksiyonelleştirilmesi etkisini araştırmak için, sütun den...

Tartışmalar

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?...

Malzemeler

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