土壌カラムを通して表面修飾カーボンナノチューブの輸送

サマリー

ナノ粒子の表面特性は、周囲の媒体との相互作用にとって重要です

したがって、カーボンナノチューブの表面改質は、多孔質媒体を介したカーボンナノチューブの輸送と保持に重要になる可能性があります。ここでは、ラボスケールのカラム実験を使用して、これらのナノ粒子の輸送と保持の可能性を理解します。

要約

カーボンナノチューブ(CNT)は広く製造されたナノ粒子であり、スポーツ用品、電子機器、生物医学用途など、多くの消費者製品に利用されています。CNTは、その生産と使用が加速しているため、土壌や地下水系に放出されると、潜在的な環境リスクとなります。したがって、CNTの環境運命と輸送に関する現在の理解を深めることが不可欠です。天然培地と人工培地の両方でのCNTの輸送と保持は文献で報告されていますが、調査結果は大きく異なるため、決定的なものではありません。保持と輸送の変動に関与する多くの物理的および化学的パラメータがあります。この研究では、選択された多層カーボンナノチューブ(MWCNT)の完全な手順が、表面修飾から重要な物理的および化学的シナリオでの実験室カラム実験の完全なセットまで提示されます。結果は、市販のMWCNTの安定性が重要であり、付着した表面官能基が周囲の媒体を介したMWCNTの輸送と保持にも影響を与える可能性があることを示しています。

概要

そのような情報技術、エネルギー、環境科学、医学、国土安全保障、食の安全、輸送などの業界で多くの技術を向上させるために、ナノ粒子の様々なタイプを使用していますナノテクノロジーの最近の発展に伴い、土壌·地下水中のナノ粒子の輸送および保持の十分な理解は、リスク評価だけでなく、工業ナノ粒子^1-3の環境の用途のために重要である。カーボンナノチューブ（CNT）は、ほとんど製造された炭素系ナノ粒子^2,4の一つである。 CNTは、一般的には100nm未満の直径と50​​ 100〜500nmの範囲の長さとグラフェンの長い円筒形である。それらは、エレクトロニクス、光学、化粧品、生物医学技術などの多くの用途（ 例えば 、複合材料^）5におけるそれらの使用が加速しているユニークな特性を有する。使用の増加と共に、増加したrをもあるヒトの曝露と効果健康にだけでなく、環境^5-8にCNTと他の炭素系ナノ材料の処分を以下の不利な生態系影響へISK。

ない表面修飾（非官能化）と、カーボンナノチューブは極めて疎水性であり、水溶液中で凝集する傾向がある。官能基化CNTsは、しかしながら、分散させ、水溶液中で安定であり、そのような薬物送達⁹のように生物医学的目的のために使用されたままであり得る。ここでは、CNTが分散され、動員されたままであることが不可欠であるので、薬物が人体¹⁰内に送達することができる。一方、環境リスクを低減するために、帯水層および飲用水資源¹¹へのそれらの進入を回避するためにCNTを固定化する方法に焦点を当てた研究が必要とされている。最近の研究では、生きている生物にCNTの毒性効果を報告し、またあるので、入ると食物連鎖に蓄積CNTの観点から生態系へのリスクましたCNTは^5,8を生分解するのは難しいです。 CNTが障壁を通過することに対してもCNTを含む埋立バリアシステムでは、可能である。このような場合、CNTは、地下水の貯水池や地表水体に入ることができる。 CNT処分規制は十分に定義されていないと、トランスポートメカニズムはよく理解されていないため、CNTの移動性の理解の向上は¹²適切な処分システムを策定し、設計する必要がある。したがって、CNTの保持を改変運命と多孔質媒体中のCNTの輸送および表面上の地下環境で一般的に存在する物理的および化学的因子の効果を研究し、理解することが重要である。

研究の数は、コレクタ粒径^13-15、流量^16、及び多孔質媒体中のナノ粒子の輸送上の粒¹⁷の表面特性の効果が行われている。 solutの影響に関するしかし、体系的な調査コレクタ表面上に堆積可能でのイオンの化学的性質（例えば、pHおよびイオン強度など）がまだ^18-20に限定されている。さらに、組み合わせの物理的要因の影響が、培地の溶液化学、およびカーボンナノチューブの表面特性は、よく理解され、別の文献に変化している。酸洗浄石英砂を充填した体系的な実験室規模のカラムは、トランスポートを調査するために使用され、この研究では、MWCNTの表面修飾のための製造方法は、飽和した多孔質媒体中の表面改質されたCNTの保持及び再移動に沿って実証される。

プロトコル

多層カーボンナノチューブの1機能化

1. 安全眼鏡、手袋、白衣を使用して、ヒュームフード内部の全体機能化ステップを実行します。メスシリンダーを用いて24硫酸のml及び硝酸酸の8ミリリットルを測定した後、ビーカーにそれらを転送する。 （最終濃度は酸混合物の1 mg / mlのあるべき）化学天秤でスズ箔コンテナを使用してビーカーに未処理のMWCNT 32mgのを追加します。
2. まず、室温で2時間、超音波洗浄器（浴）にMWCNTと酸混合物でビーカーを保つ。その後、熱と90で5時間のためのMWCNT-酸性溶液をかき混ぜる ホットプレートを用い°C。
3. フィルターホルダー上に置かれ、0.2μmの孔径のPTFEフィルター膜でCNTサスペンションをフィルタリングし、及び濾過を助けるために真空を使用しています。部分によってろ過部分を実行し、いくつかのフィルター膜（1フィルタの部分ごとに上記の混合物の約1/4 ^回目 ） ^を使用します。沸騰したお湯を追加します。混合物のpHが5より大きくなるまで濾過処理中に酸性溶液を濾過する。
4. それがオフにされ、真空システムには何も導入しないときは、必ず真空を破る。廃液を収集するためにコニカルビーカーを使用してください。
5. 廃棄物容器（廃棄物処理施設に廃棄物容器を送信したり、水道水の少なくとも10倍を加算して、シンクにそれをダンプする前に液体を希釈）中のろ酸を注ぐ。
6. CNTは（約24時間乾燥を完了するための皿を蒸発に保持MWCNTを持つフィルター膜を移し、デシケーターに食器を入れて（シリカゲルの約100グラムが含まれている）と、真空環境を作成します（約1時間で、真空を残す） ）。
   1. 慎重にスパチュラを用いて、膜の外にCNTをこすり、きれいな容器に粒子を移す。たMWCNT粉末を秤量し、将来の使用のための容器にラベルを付ける。

2.ポロ輸送実験のために、私たちメディア

1. 珪砂の酸洗浄のために、0.1M HCl溶液を準備します。
   1. 安全眼鏡、手袋、白衣とヒュームフード内のすべてのこれらの手順を実行します。 2Lのフラスコに、1Lの脱イオン水を加える。メスシリンダーを用いて37％HClを8ミリリットルを測定します。
   2. 慎重に脱イオン水に塩酸を加える。混合を助けるために慎重にフラスコを振る。
2. 準備されたHCl溶液で砂を洗ってください。
   1. 約千グラムの砂を計量。 （砂の1/3毎回）HCl溶液でフラスコに砂の1/3を追加し、砂の残りの部分を追加し、混合を助けるために二回、フラスコを振る。
   2. フラスコを3回振って、30分間砂で酸を残す。
   3. 酸廃液容器にフラスコから液体を注ぎ、脱イオン水で少なくとも8回砂を洗い流してください。
3. H ₂ O ₂溶液を用いて砂を洗ってください。
   1. に脱イオン水700ミリリットルを追加します。砂の入ったフラスコをその後、メスシリンダーを用いて、30％H ₂ O ₂溶液40mlを測定する。
   2. 砂を入れたフラスコに、H ₂ O ₂溶液を加え、混合を助けるために二回振る。フラスコ内の160ミリリットルのH ₂ O ₂の合計があるまで、30％のH ₂ O ₂溶液を3回の別の40ミリリットルを加える。
   3. 振ると溶液と砂を混ぜたびに、反応が完了することを可能にする40分間の砂とH ₂ O ₂溶液を残す。フラスコを振るとプラスチック棒で10分毎に砂をかき混ぜる。
   4. シンクまでの液体をデカントし、30秒間水道水を実行します。
4. 砂をすすぎ、乾燥させます。
   1. すべてのソリューションを取り除くか、反応生成物の上に残され得るために、少なくとも8倍の脱イオン水で砂を洗い流す。振ると、すすぎ時徹底的にかき混ぜる。
   2. 乾燥するために24時間オーブン（105℃）にすすいだ砂でフラスコを置き、その後使用してオーブンから砂を取るオーブンミトンとクールダウンするために砂のために2時間カウンターに残す。
   3. プラスチック容器にきれいな砂を転送します。コンテナをマークし、使用可能な状態であることが適切な棚に置きます。

3.列の実験

1. バックグラウンド溶液の調製。
   1. カラム実験のために適切なバックグラウンドの溶液化学を準備します。
   2. 以下の実験のために適切なイオン強度を達成するために、pHおよびNaClの塩を調整するために、0.1M HClおよび0.1 MのNaOH溶液を使用する。
2. 列選択。
   1. この実験のために、直径2.5cmと15cmの長さのガラスカラムを選択してください（pH値：5およびイオン強度：現在の研究では2 mm）である。ガラスカラムの両側に鋼メッシュフィルター（0.3 mm）を使用する。
   2. 列に接続されたチューブをフラッシュし、液体の流れのタイプを制御するために、3方弁までバックグラウンド溶液（またはMWCNTを溶液で満たす（たMWCNTのsolutionまたはバックグラウンド溶液） を図1に示すように。
3. 列の湿式パッキング。
   1. 規模できれいな砂を計量し、選択した列サイズにきれいな砂の124グラムを取る。
   2. 高精度蠕動ポンプを使用してください。液体の流れの2ml /分を達成するためにポンプを較正する。
   3. 水位がセンチのカップルの塔の底部を超えるまで下から列を埋めるためにポンプを起動します。列に一度に測定された砂の約^1/10を入れたが、砂のレベルがカラム内の水位より上にならないことを確認してください。砂のレベルを超えて滞在する継続的にカラムへの水の流れを継続します。
   4. 完全な充填後に、適切なフィルターメッシュで列のキャップを閉じます。
   5. 充填されたカラムは、少なくとも1時間流すことができる。列の個々のパラメータを表1に示す。
4. トレーサー試験。
   1. SMWCNTソリューション実験に先立ってトレーサー試験とカラム実験をタルト。
   2. 実験を開始した（20mg / Lでの食品の色のトレーサーを使用して）トレーサー溶液に三方弁を切り替える。
   3. 毎2分でカラムから流出サンプルを収集（ すなわち 、4ミリリットル/各サンプリングチューブ内のサンプル） を図1に示すように接続されたフラクションコレクターを使用して。
   4. また、実験の第I相と呼ばれている4.32細孔容積（ すなわち 、溶液がカラムを詰め砂の中に全体の空孔空間の4.32倍を渡す）、のためのトレーサー液を注入し続けます。
   5. 別4.32細孔容積の背景溶液（トレーサー実験の場合のDI水）を流すために三方弁を切り替える。
5. MWCNT溶液の調製。
   1. 所望solutioで（水溶液200mlを含有する300ミリリットルのビーカーに官能化されたMWCNTの15ミリグラムを配置することによって分散させ、官能化されたMWCNTの溶液を作る化学、すなわち 、pHが5及び2mM現在の実験条件でイオン強度）および15分間40％の電力出力のビーカー（）に入れ超音波ホモジナイザー·プローブを使ったn。を15mg / LのMWCNT濃度を達成するために、同じ水溶液の別の800ミリリットルと分散したMWCNTの溶液を混合する。
   2. 官能化後にナノ粒子のサイズや形状のためのストック溶液の走査型電子顕微鏡（SEM）画像解析を実行する。
6. MWCNT輸送実験。
   1. カラム実験を開始するMWCNT溶液に三方弁を切り替える。
   2. 接続されたフラクションコレクターを使用して、すべての2分でカラムからの流出のサンプルを収集します。
   3. 4.32細孔容積のためのMWCNT溶液（I実験の位相）を注入する。
   4. 実験のフェーズIIと呼ばれる別の4.32細孔容積、バックグラウンド溶液を流す三方弁を切り替える。
   5. backgroの注入管を変更実験のフェーズIIIと呼ばれる別の4.32細孔容積、フローを継続する（チューブからの空気の侵入を避けるために、しばらくの間、ポンプを停止した後）、DI水ボトルにウント溶液。
7. サンプル分析。
   1. チューブのラックにフラクションコレクターからすべてのチューブのサンプルを転送します。
   2. サンプル分析のためのUV / VIS分光光度計を準備し、 すなわち 、収集されたサンプルの定量化のための適切なスキャニング波長を見つける。 MWCNTソリューションとトレーサー液用の333 nmの波長400 nmのを使用してください。
   3. I、II、および（前のステップで、より適切であると判断した場合、または異なる波長）400nmの波長でキュベットを使用してIIIとは、データを保存する段階の間にカラムから収集し、すべてのサンプルをスキャンします。
   4. 分光光度計からのデータを収集し、（例えば、代表的な結果を図に示すように、破過曲線を得るために時間や細孔容積対それらをプロット3）。
   5. ゼータサイザーを用いて、流入および流出のサンプルサイズ分析（流体力学的直径）を実行し、走査型電子顕微鏡を用いて、流入および流出の両方のサンプルについて研究可視化を行う。

結果

MWCNT機能化の影響

官能化及びMWCNT分散溶液は、溶液が平衡に達するように、ビーカー中に密封した。超音波処理の6ヶ月（ 図2）のために同じままで、溶液中のMWCNTの流体力学的直径（1619±262 nm）と超音波処理後のストック溶液で観察さもない沈降や凝集がありました。それらの移動度たMWCNTの官能化の効果を調べるために、列2組の実験を使用して実施した両方の完全に官能化し、（製造業者から受け取ったまま） を表1に指定された実験条件とMWCNTの最大相対濃度（以下、官能化以下官能化MWCNTをのそれは0.65（ 図3）であった完全に官能化されたMWCNTのC / C _0）は 、約0.75であった。あまり官能化MWCNTをを中に検出された後で完全に官能化MWCNTを、それらの破過曲線より流出物も歪んでいた。これは、より少ない官能化MWCNTを少なくモバイルたとカラムに保持に対し、完全に官能化MWCNTを高度にモバイルで...

ディスカッション

MWCNT機能化の影響

図2は、官能化されたMWCNTの安定性を確認するように、MWCNTの溶出体積で観察された差異は、機能化によるものであり、特に起因たMWCNT（ 図3および図4）の表面にカルボキシル基（-COOH）基の付加である。類似の官能化プロセスでは、酸素の存在は、X線光電子分光法¹⁴により確認された。これは、ナノ粒子表面への界面活性剤の添加は、その懸濁液を安定化し、凝集^23が減少すること^が以前に見出されている。他の独立した研究によると、粒子間エネルギー障壁が存在しないことから、凝集はナノ粒子凝集体の大きさ及び堆積速度を増加させ、物理的なひずみ^18,23-25 ​​の発生に寄与する。従って、凝集はdepositio増加している可能性があるNと本研究におけるより少ない官能化（より疎水性）のMWCNTの保持。これは、多孔質媒体中の疎水性コロイドの保持は...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
MWCNT	Cheap Tubes Inc.、米国	sku-03040304	半機能化粉末石
英砂	Sibelco Nordic、Baskarp、スウェーデン	B44	91% 以上の珪砂で購入
H2SO4	VWR	1.01833.2500	95%-97% 純度
HNO3	VWR	1.00441.1000	70% 純度
HCl	VWR	1.00317.2500	37%-38% 純度
H22O2	VWR	23615.248	30% 純度
NaCl	VWR	1.06404.0500	99.5% 純度
NaOH	Sigma-Aldrich	S8045-500G	99.99% 純度 ペレット
超音波ホモジナイザー	バイオロジクス社マナッサス、バージニア	州モデル3000、0-127-0002	固定時間間隔で操作
ソニケーター(バス)	ケリー超音波株式会社	1808	コモンバスソニケーター
蠕動ポンプ	イスマンテック、グラットブルグ、スイス	ISM931	ポンプのタイゴンチューブと連携
分光光度計	ハッハランゲ	DR500、LPV408.99.0001	手動キュベットと自動サンプリング
で操作 pHメーター	メトローム	781	pH分析
ガラスカラム	Chromaflex	420830-1510	調整可能なキャップ付きカラム
フラクションコレクター	Spectrum Labs Europe	CF-2, 124846	一定時間間隔で固定
フラクションコレクターチューブ	VWR	212-9599	6ml容量ガラスチューブ
ホットプレート攪拌	Thermo Scientific	SP131320-33	温度調節可能
オーブン	Elektro Helios	259	砂のオーブン乾燥用
バランス	メトラー・トレド	AE 160	正確な重量のために

として購入