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Artículo de método

Transporte de nanotubos de carbono modificado en la superficie a través de una columna de suelo

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DOI:

10.3791/52634

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2 de abril de 2015

 , 
1School of Ecology and Environmental Studies, Nalanda University, 2Department of Earth Sciences, Uppsala University

Autores correspondientes: Prabhakar Sharma <prabhakar.sharma@geo.uu.se>

En este artículo

Resumen

Las propiedades de la superficie de una nanopartícula son importantes por su interacción con el medio circundante. Por lo tanto, la modificación de la superficie de los nanotubos de carbono puede ser crítica para su transporte y retención a través de medios porosos. Aquí, se utilizan experimentos en columna a escala de laboratorio para comprender el posible transporte y retención de estas nanopartículas.

Resumen

Los nanotubos de carbono (CNTs) son nanopartículas ampliamente fabricadas, que se utilizan en una serie de productos de consumo, como artículos deportivos, electrónica y aplicaciones biomédicas. Debido a la aceleración de su producción y uso, los CNT constituyen un riesgo ambiental potencial si se liberan en el suelo y los sistemas de aguas subterráneas. Por lo tanto, es esencial mejorar la comprensión actual del destino ambiental y el transporte de los CNT. El transporte y la retención de CNTs en medios naturales y artificiales se han reportado en la literatura, pero los hallazgos varían ampliamente y, por lo tanto, no son concluyentes. Hay una serie de parámetros físicos y químicos responsables de la variación en la retención y el transporte. En este estudio, se presenta un procedimiento completo de nanotubos de carbono multipared seleccionados (MWCNT) a partir de su modificación de superficie hasta un conjunto completo de experimentos de columna de laboratorio en escenarios físicos y químicos críticos. Los resultados indican que la estabilidad de los MWCNT disponibles comercialmente es crítica con su grupo funcional de superficie adjunto, que también puede influir en el transporte y la retención de MWCNT a través del medio circundante.

Introducción

Con el reciente desarrollo en nanotecnología que utiliza diferentes tipos de nanopartículas para mejorar algunas de las tecnologías en industrias como la tecnología de la información, la energía, la ciencia del medio ambiente, la medicina, la seguridad nacional, la seguridad alimentaria, y el transporte; un conocimiento profundo del transporte y la retención de las nanopartículas en el suelo y las aguas subterráneas es fundamental para la evaluación de riesgos, así como aplicaciones ambientales de nanopartículas artificiales 1-3. Los nanotubos de carbono (CNTs) son una de las nanopartículas a base de carbono más producidas 2,4. CNTs son la forma larga y cilíndrica de grafeno con un diámetro típicamente por debajo de 100 nm y una longitud en el intervalo de 100 nm a 50 micras. Tienen propiedades únicas, que han acelerado su uso en muchas aplicaciones, tales como la electrónica, la óptica, cosméticos y tecnología biomédica (por ejemplo, materiales compuestos) 5. Con un mayor uso, también hay un mayor rISK a la exposición humana y el efecto sobre la salud, así como las consecuencias ecológicas adversas siguientes CNT y otra disposición nanomateriales de carbono basado en el medio ambiente 5-8.

Sin modificaciones de superficie (no funcionalizados), CNTs son extremadamente hidrófobo y tienden a agregarse en una solución acuosa. CNT funcionalizados pueden, sin embargo, permanecen dispersos y estable en soluciones acuosas y se utilizan para fines biomédicos tales como la administración de fármacos 9. Aquí es esencial que los nanotubos de carbono permanecen dispersos y movilizaron, por lo que el fármaco puede ser entregado dentro del cuerpo humano 10. Por otra parte, para reducir los riesgos medioambientales, hay una necesidad de estudios centrados en cómo inmovilizar los CNTs con el fin de evitar su entrada en los acuíferos y los recursos de agua potable 11. Estudios recientes han reportado el efecto tóxico de la CNT en los organismos vivos y también riesgos para los ecosistemas en términos de CNT que entran y se acumulan en la cadena alimentaria, desdeCNT son difíciles de biodegradar 5,8. Incluso con sistemas de barrera en vertederos que contienen nanotubos de carbono, puede ser posible para CNTs pasen a través de las barreras. En tales casos CNT podían entrar en los depósitos de agua subterránea y los cuerpos de agua superficiales. Como las normas de eliminación de la CNT no están bien definidas y mecanismos de transporte, son poco conocidos, una mejor comprensión de la movilidad de los nanotubos de carbono es necesario formular y diseñar sistemas de eliminación adecuada 12. Por lo tanto, es importante para estudiar y comprender el destino y el transporte de los CNT en medios porosos y el efecto de factores físicos y químicos comúnmente presentes en el entorno del subsuelo en la superficie modificada de retención CNT.

Un número de investigaciones se han llevado a cabo sobre el efecto de tamaño de grano colector 13-15, velocidad de flujo 16, y propiedades superficiales de los granos 17 en el transporte de nanopartículas en medios porosos. Sin embargo, investigaciones sistemáticas sobre el efecto de solutquímica de iones (tales como el pH y la fuerza iónica) sobre la posible deposición sobre las superficies de colector son todavía limitados 18-20. Además, el impacto combinado de los factores físicos, la solución química del medio, y propiedades de la superficie de los nanotubos de carbono no se entiende bien y varían en diferentes literatura. En este estudio, un método de preparación para la modificación de la superficie de MWCNTs se demostrará junto con una columna a escala de laboratorio sistemática lleno de arena de cuarzo-limpiarse con ácido se utiliza para investigar el transporte, la retención y la removilización de nanotubos de carbono de superficie modificada en medios porosos saturados .

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Protocolo

1. La funcionalización de nanotubos de carbono de pared múltiple

  1. Realizar toda la etapa de funcionalización dentro de una campana de extracción, usando anteojos de seguridad, guantes y bata de laboratorio. Medir 24 ml de ácido sulfúrico y 8 ml de ácido nitrato usando un cilindro graduado, y luego transferirlos a un vaso de precipitados. Añadir 32 mg de MWCNTs sin tratar en un vaso de precipitados utilizando estaño envase del papel en una balanza analítica (concentración final debe ser de 1 mg / ml de mezcla de ácido).
  2. En primer lugar, mantener el vaso de precipitados con MWCNT y la mezcla de ácido en el limpiador ultrasónico (baño) durante 2 horas a RT. Luego, el calor y revuelva la solución MWCNT-ácido durante 5 horas a 90 ° C utilizando una placa caliente.
  3. Filtrar la suspensión CNT con una membrana de filtro de PTFE de 0,2 micras de diámetro de poro colocado en un soporte de filtro, y el uso de vacío para ayudar a la filtración. Realizar la porción de filtración por porción y utilizar varias membranas de filtro (aproximadamente 1/4 th de mezcla anterior por porción para un filtro). Añadir agua hirviendodurante el proceso de filtración para filtrar la solución de ácido hasta que el pH de la mezcla se hace mayor que 5.
  4. Siempre romper el vacío antes de que se apaga y no introducir nada en el sistema de vacío. Utilice un vaso de precipitados cónico para recoger el líquido de residuos.
  5. Verter ácido filtrada en un contenedor de residuos (enviar el contenedor de residuos a una instalación de tratamiento de residuos o diluir el líquido antes de volcar en el fregadero añadiendo al menos diez veces más de agua del grifo).
  6. Transferir las membranas filtrantes con MWCNTs retenidas en evaporando platos y poner los platos en el desecador (contiene aproximadamente 100 g de gel de sílice) y crear un ambiente de vacío (dejar el vacío durante aproximadamente 1 hora) para CNT para completar el secado (aproximadamente 24 horas ).
    1. Raspe los CNTs de las membranas utilizando cuidadosamente espátula y transferir las partículas en un recipiente limpio. Pesar el polvo MWCNTs y etiquetar el recipiente para su uso futuro.

2. Poronosotros Medios para experimentos Transporte

  1. Preparar una solución de HCl 0,1 M para el lavado ácido de arena de sílice.
    1. Realice todos los pasos dentro de una campana de humos con gafas de seguridad, guantes y bata de laboratorio. Añadir 1 L de agua desionizada a un matraz de 2 L. Mide 8 ml de HCl al 37% usando un cilindro graduado.
    2. Añadir el HCl en el agua desionizada con cuidado. Agitar el matraz con cuidado para ayudar a la mezcla.
  2. Lave la arena con la solución de HCl preparado.
    1. Pesar aproximadamente 1.000 g de arena. Añadir 1/3 de arena en el matraz con la solución de HCl y agitar el matraz dos veces para ayudar a mezclar a continuación, añadir el resto de la arena (1/3 de la arena cada vez).
    2. Agitar el matraz tres veces y dejar el ácido con arena durante 30 min.
    3. Vierta el líquido del matraz a un contenedor de residuos de ácido y enjuagar la arena con agua desionizada al menos 8 veces.
  3. Lave la arena con una solución de H 2 O 2.
    1. Añadir 700 ml de agua desionizada enel matraz con arena y luego medir 40 ml de 30% H 2 O 2 solución usando un cilindro graduado.
    2. Añadir el 2 O 2 H solución en el frasco con arena y agitar dos veces para ayudar a la mezcla. A continuación, añadir otros 40 ml de 30% de H 2 O 2 solución 3 veces hasta que haya 160 ml en total H 2 O 2 en el matraz.
    3. Agitar y mezclar la solución y la arena cada vez y dejar la solución de H 2 O 2 con arena durante 40 minutos para permitir que la reacción se complete. Agitar el matraz y se agita la arena con una varilla de plástico cada 10 min.
    4. Decantar el líquido hasta el fregadero y deje correr el agua del grifo durante 30 segundos.
  4. Enjuague y seque la arena.
    1. Enjuague la arena con agua desionizada al menos 8 veces para deshacerse de cualquier solución o sobrantes productos de reacción. Agite y revuelva bien cuando enjuague.
    2. Ponga frasco con arena enjuagados en un horno (105 ° C) durante 24 horas para secar, luego tomar la arena fuera del horno usandohorno-manopla y dejar en el mostrador durante 2 horas para la arena se enfríe.
    3. Transferir la arena limpia en un recipiente de plástico. Marque el recipiente y colocarlo en una plataforma adecuada para estar listo para su uso.

3. Experimentos de columna

  1. Preparación de la solución de fondo.
    1. Preparar la química solución de fondo apropiado para el experimento columna.
    2. Utilice 0,1 M HCl y 0.1 M de NaOH soluciones para ajustar el pH y la sal NaCl para alcanzar la fuerza iónica apropiada para el siguiente experimento.
  2. Selección de columnas.
    1. Elige una columna de vidrio de 2,5 cm de diámetro y longitud 15 cm para este experimento (pH: 5 y la fuerza iónica: 2 mM en el estudio actual). Utilice un filtro de malla de acero (0,2 mm) en ambos lados de la columna de vidrio.
    2. Lavar los tubos conectados a la columna y llenar con la solución de fondo (o solución MWCNTs hasta que la válvula de 3 vías para controlar el tipo de flujo de líquido (MWCNTs solution o solución de fondo) como se muestra en la Figura 1.
  3. Wet-embalaje de la columna.
    1. Pese la arena limpia en una escala y tomar 124 g de arena limpia para el tamaño de la columna seleccionada.
    2. Use una bomba peristáltica de alta precisión. Calibrar la bomba para lograr 2 ml / min de flujo de líquido.
    3. Arrancar la bomba para llenar la columna desde la parte inferior hasta que el nivel de agua es de un par de centímetros por encima de la parte inferior de la columna. Ponga aproximadamente 1/10 de la arena medido a la vez en la columna, pero asegúrese de que el nivel de la arena no viene por encima del nivel del agua en la columna. Continuar el flujo de agua a la columna de forma continua para permanecer por encima del nivel de arena.
    4. Cierre la tapa de la columna con una malla de filtro adecuado después de llenado completo.
    5. Permitir la columna de relleno fluya durante al menos 1 hr. Los parámetros individuales de la columna se indican en la Tabla 1.
  4. Prueba Tracer.
    1. Starta el experimento columna con una prueba de trazador antes de los experimentos de solución MWCNT.
    2. Cambie la válvula de 3 vías para la solución de trazador (el uso de alimentos de color trazador a 20 mg / L) para iniciar el experimento.
    3. Recoger las muestras de salida de flujo de la columna en cada 2 min (es decir, 4 ml / muestras en cada tubo de muestreo) utilizando el colector de fracciones conectado como se muestra en la Figura 1.
    4. Continuar para inyectar la solución de trazador para un volumen de poro 4,32 (es decir, la solución pasa a 4,32 veces del espacio total de poros vacío en la columna de relleno de arena), que también se llama la fase I del experimento.
    5. Cambie la válvula de 3 vías para la solución del flujo de fondo (agua DI en el caso del experimento trazador) para otro volumen 4.32 poro.
  5. Preparación de la solución MWCNT.
    1. Hacer una solución dispersa, funcionalizado MWCNTs colocando 15 mg de MWCNTs funcionalizados en un vaso de precipitados de 300 ml que contiene 200 ml de solución acuosa (con solutio deseadon es decir, química, pH 5 y 2 mM fuerza iónica en la condición experimental actual) y usando una sonda de homogeneizador ultrasónico colocado en el vaso de precipitados (con potencia de salida 40% durante 15 min). Mezclar la solución MWCNTs dispersa con otros 800 ml de la misma solución acuosa para conseguir la concentración MWCNT de 15 mg / L.
    2. Realizar microscopía electrónica de barrido (SEM) de análisis de imagen de la solución madre por su tamaño y la forma de la nanopartícula después de funcionalización.
  6. Experimento transporte MWCNT.
    1. Cambie la válvula de 3 vías de solución MWCNT para iniciar el experimento de la columna.
    2. Recoger las muestras de salida de flujo de la columna en cada 2 min utilizando el colector de fracciones conectado.
    3. Se inyecta la solución MWCNT para un volumen de 4,32 poro (fase I del experimento).
    4. Cambie la válvula de 3 vías para la solución del flujo de fondo para otro volumen 4.32 poros, que se llama la fase II del experimento.
    5. Cambie el tubo de inyección de background solución en la botella de agua DI (después de parar la bomba por un momento para evitar la entrada de aire desde el tubo) y continuar el flujo de otro volumen de poro 4,32, que se llama la fase III del experimento.
  7. Análisis de la muestra.
    1. Transfiera todas las muestras de tubos de colector de fracciones en un bastidor de tubo.
    2. Preparar un espectrofotómetro UV / VIS para el análisis de la muestra, es decir, saber la longitud de onda de exploración apropiado para la cuantificación de las muestras recogidas. Utilice 400 nm para una solución MWCNT y una longitud de onda 333 nm para la solución del trazador.
    3. Analiza todas las muestras recogidas de la columna durante las fases I, II y III en cubeta a 400 nm de longitud de onda (o una longitud de onda diferente, si se considera más apropiado en el paso anterior) y almacenar los datos.
    4. Recoge los datos desde el espectrofotómetro y plotearlos vs tiempo o volumen de poro para obtener curvas de ruptura como se muestra en los resultados representativos (por ejemplo, la figura3).
    5. Realizar análisis de tamaño (diámetro hidrodinámico) de muestras de entrada y salida medida del potencial zeta y realizar la visualización estudiado para ambas muestras de entrada y salida mediante microscopía electrónica de barrido.

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Resultados

Efecto de funcionalización MWCNT

La solución MWCNT funcionalizado y dispersa se selló en el vaso de precipitados para permitir que la solución para alcanzar el equilibrio. No había ni sedimentación ni la agregación observada en la solución madre después de la sonicación, como el diámetro hidrodinámico de MWCNT (1619 ± 262 nm) en la solución sigue siendo el mismo durante seis meses de tratamiento con ultrasonidos (Figura 2). Para investigar el efecto de la fu...

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Discusión

Efecto de funcionalización MWCNT

Como muestra la Figura 2 confirma la estabilidad de MWCNTs funcionalizados, la diferencia observada en el volumen eluido de MWCNT era debido a la funcionalización y, en particular debido a la adición de carboxilo (-COOH) grupos a la superficie de las MWCNTs (Figuras 3 y 4). En el proceso de funcionalización similares, la presencia de oxígeno fue confirmada por espectroscopia de rayos X de fot...

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Divulgaciones

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer el apoyo del Departamento de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Uppsala por apoyar parte de esta investigación.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
MWCNTCheap Tubes Inc., USAsku-03040304Comprado como polvo semi-funcionalizado
Arena de cuarzoSibelco Nordic, Baskarp, SueciaB44Comprado con más del 91% de arena de sílice
H2SO4VWR1.01833.2500Pureza del 95%-97%
HNO3VWR1.00441.100070% de pureza
HClVWR1.00317.250037%-38% de pureza
H2O2VWR23615.24830% de pureza
NaClVWR1.06404.050099.5% de pureza
NaOHSigma-AldrichS8045-500G99.99% purlets 
Homogeneizador ultrasónicoBiologics Inc. Manassas, VirginiaModelo 3000, 0-127-0002Operado para un intervalo de tiempo fijo
Sonicator (baño)Kerry Ultrasonic Ltd1808Sonicador de baño común
Bomba peristálticaIsmantec, Glattbrugg, SuizaISM931Trabajo con tubos tygon en la bomba
EspectrofotómetroHach LangeDR500, LPV408.99.0001Funciona con cubeta manual y con muestreo automatizado
Medidor de pHMetrohm781Análisis de pH
Columna de vidrioChromaflex420830-1510Columna con tapa ajustable
Colector de fraccionesSpectrum Labs EuropeCF-2, 124846Fijo a intervalos regulares de tiempo
Tubos colectores de fraccionesVWR212-9599Tubo
Agitación de placa calefactoraThermo ScientificSP131320-33Temperatura ajustable
HornoElektro Helios259Para horno seco de arena
BalanzaMettler ToledoAE 160Para un peso preciso
de vidrio de 6 ml de volumen

Referencias

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