Vervoer van oppervlakte-gemodificeerde koolstof nanobuisjes via een bodem Column
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
Met de recente ontwikkelingen in de nanotechnologie, dat verschillende soorten nanodeeltjes gebruikt om een aantal technologieën in sectoren zoals informatietechnologie, energie, milieu-wetenschap, geneeskunde, binnenlandse veiligheid, voedselveiligheid, en het vervoer te verbeteren; een grondige kennis van het vervoer en het behoud van nanodeeltjes in de bodem en het grondwater is van cruciaal belang voor de risicobeoordeling alsmede milieu-toepassingen van synthetische nanodeeltjes 1-3. Carbon nanotubes (CNTs) zijn één van de meest geproduceerde koolstof gebaseerde nanopartikels 2,4. CNTs zijn de lange cilindrische vorm van grafeen met een diameter van doorgaans minder dan 100 nm en een lengte in het bereik van 100 nm tot 50 urn. Ze hebben unieke eigenschappen, die hun toepassing hebben versneld in vele toepassingen, zoals elektronica, optica, cosmetica en biomedische technologie (bijvoorbeeld composietmaterialen) 5. Met een toenemend gebruik, is er ook een verhoogd rISK om de blootstelling en het effect op de gezondheid van de mens, evenals negatieve ecologische gevolgen volgende CNT en andere koolstof gebaseerde nanomaterialen beschikking om het milieu 5-8.
Zonder oppervlakmodificaties (gefunctionaliseerde), CNTs zijn zeer hydrofoob en hebben de neiging te aggregeren in een waterige oplossing. Gefunctionaliseerde CNTs kan echter blijven gedispergeerd en stabiel in waterige oplossingen en worden voor biomedische doeleinden zoals geneesmiddelafgifte 9. Hier is het essentieel dat de CNT blijven verspreid en gemobiliseerd, zodat het geneesmiddel kan in het menselijk lichaam 10 worden geleverd. Anderzijds, milieurisico's te verminderen, is er behoefte aan studies gericht op hoe de CNTs immobiliseren om hun intrede in aquifers en drinkwater middelen 11 voorkomen. Recente studies hebben het toxische effect van CNT gemeld op levende organismen en ook de risico's voor ecosystemen in termen van CNT invoeren en zich ophopen in de voedselketens, omdatCNTs zijn moeilijk afbreekbaar 5,8. Zelfs met barrièresystemen op stortplaatsen die CNTs, kan het mogelijk zijn CNTs om door de barrières passen. In dergelijke gevallen kan CNT te voeren in het grondwater reservoirs en oppervlaktewateren. Zoals CNT afvalverwerkingsvoorschriften zijn niet goed gedefinieerd en transport mechanismen zijn slecht begrepen, een beter begrip van de mobiliteit van CNT is nodig om het ontwerp geschikte verwijdering systemen 12 formuleren en. Daarom is het belangrijk te bestuderen en het lot en het transport van CNTs in poreuze media en het effect van fysische en chemische factoren gewoonlijk aanwezig in de ondergrond omgeving op het oppervlak begrijpen gemodificeerde retentie CNT.
Een aantal onderzoek gedaan naar het effect van collector korrelgrootte 13-15 uitgevoerd, debiet 16, en de oppervlakte-eigenschappen van de korrels 17 op het vervoer van nanodeeltjes in poreuze media. Echter, systematisch onderzoek naar het effect van Solution chemie (zoals pH en ionische sterkte) over mogelijke afzetting op de collector oppervlakken zijn nog beperkt 18-20. Bovendien is het gecombineerde effect van fysische factoren, oplossingschemie van het medium en oppervlakte eigenschappen van koolstof nanobuisjes niet goed begrepen en variëren in verschillende literatuur. In deze studie wordt een bereidingswerkwijze voor oppervlakte modificatie van MWCNTs aangetoond samen met een systematische laboratoriumschaal kolom gepakt met zuur gereinigd kwartszand wordt gebruikt om het transport, bewaring en mobilisatie van oppervlakte-gemodificeerde CNTs verzadigde poreuze media onderzoeken .
Protocol
Representative Results
Discussion
Effect van MWCNT Functionalisering
Zoals figuur 2 bevestigt de stabiliteit van gefunctionaliseerde MWCNTs, het waargenomen verschil in geëlueerd volume MWCNT was door functionalisering en vooral vanwege de toevoeging van carboxyl (-COOH) groepen aan het oppervlak van de MWCNTs (figuren 3 en 4). In het soortgelijke functionalisering proces de aanwezigheid van zuurstof werd bevestigd door X-stralen foto spectroscopie 14….
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
- Maynard, A. D., et al. Safe handling of nanotechnology. Nature. 444, 267-269 (2006).
- Mauter, M., Elimelech, M. Environmental applications of carbon-based nanomaterials. Environ. Sci. Technol. 42 (16), 5843-5859 (2008).
- 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).
- Lin, D., et al. Fate and transport of engineered nanomaterials in the environment. J. Environ. Qual. 39 (6), 1896-1908 (2010).
- Petersen, E. J., et al. Potential release pathways, environmental fate, and ecological risks of carbon nanotubes. Environ. Sci. Technol. 45 (23), 9837-9856 (2011).
- Wiesner, M., Bottero, J. Y. . Environmental nanotechnology. , (2007).
- Klaine, S. J., et al. Nanomaterials in the environment: Behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. Toxicol. Chem. 27 (9), 1825-1851 (2008).
- 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).
- 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).
- Sahithi, K., et al. Polymeric conposites containing carbon nanotubes for bone tissue engineering. Int. J. Biol. Marcomol. 46 (3), 281-283 (2010).
- Petersen, E., Huang, Q., Weber, W. Bioaccumulation of radio-labeled carbon nanotubes by Eisnia Foetida. Environ. Sci. Technol. 42 (8), 3718-3724 (2008).
- Gottschalk, F., et al. Modeled Enrionmental concentrations of engineered nanomaterials for different regions. Enrviron. Sci. Technol. 43 (24), 9216-9222 (2009).
- Liu, X., et al. et al.Mobility of multiwalled carbon nanotubes in porous media.Environ. Sci. Technol. 43 (21), 8153-8158 (2009).
- 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).
- 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).
- Kasel, D., et al. Limited transport of functionlized multi-walled carbon nanotubes in two natural soils. Environ. Pollution. 180, 152-158 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tian, Y., et al. Deposition and transport of functionalized carbon nanotubes in water-saturated sand columns. J. Hazard. Mater. 213-214, 265-272 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- Crist, J. T., et al. Transport and retention mechanisms of colloids in partially saturated porous media. Vadose Zone J. 4 (1), 184-195 (2005).
- Jaisi, D. P., Elimelech, M. Single-walled carbon nanotubes exhibit limited transport in soil columns. Environ. Sci. Technol. 43 (24), 9161-9166 (2009).
- 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).
- Wan, J., Wilson, J. L. Colloid transport in unsaturated porous media. Water Resour. Res. 30 (4), 857-864 (1994).
- 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).
- Bradford, S. A., et al. Physical factors affecting the transport and fate of colloids in saturated porous media. Water Resour. Res. 38 (12), (2002).
- 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).
