Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Транспортировка с модифицированной поверхностью углеродных нанотрубок через колонку почвы

9.1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/52634

⸱

2 апреля 2015 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Поверхностные свойства наночастиц важны для их взаимодействия с окружающей средой. Таким образом, модификация поверхности углеродных нанотрубок может иметь решающее значение для их транспортировки и удержания в пористых средах. Здесь используются лабораторные эксперименты с колоннами, чтобы понять возможный транспорт и удержание этих наночастиц.

Аннотация

Углеродные нанотрубки (УНТ) — это широко производимые наночастицы, которые используются в ряде потребительских товаров, таких как спортивные товары, электроника и биомедицинские приложения. Из-за ускорения производства и использования УНТ представляют потенциальный экологический риск в случае их попадания в почву и подземные воды. В связи с этим крайне важно улучшить нынешнее понимание экологической судьбы и переноса УНТ. В литературе сообщалось о транспортировке и удержании УНТ как в естественных, так и в искусственных средах, но результаты сильно различаются и, таким образом, не являются окончательными. Существует ряд физических и химических параметров, ответственных за колебания удержания и транспортировки. В данном исследовании представлена полная методика выбранных многостенных углеродных нанотрубок (КТКТ), начиная с модификации их поверхности и заканчивая полным набором лабораторных экспериментов в колонке при критических физико-химических сценариях. Результаты показывают, что стабильность коммерчески доступных ТЧКТ имеет решающее значение с их прикрепленной поверхностной функциональной группой, которая также может влиять на транспортировку и удержание ТЧНТ в окружающей среде.

Введение

С недавним развитием в области нанотехнологий, которая использует различные типы наночастиц на совершенствование ряда технологий в таких отраслях, как информационные технологии, энергетика, охрана окружающей науке, медицине, национальной безопасности, безопасности пищевых продуктов и транспортировки; Глубокое понимание транспорта и удержания наночастиц в почву и грунтовые воды имеет решающее значение для оценки риска, а также экологических применений наночастиц 1-3. Углеродные нанотрубки (УНТ) являются одним из наиболее производимых на основе углерода наночастиц 2,4. Углеродные нанотрубки имеют длинные и цилиндрической формы графена с диаметром, как правило, ниже 100 нм и длиной в диапазоне от 100 нм до 50 мкм. Они обладают уникальными свойствами, которые ускорили их использование во многих приложениях, таких как электроника, оптика, косметика и биомедицинских технологий (например, композитные материалы) 5. С увеличением использования, есть также увеличилась гISK воздействия на здоровье человека и воздействия на здоровье, а также неблагоприятных экологических последствий следующих НКТ и других углеродных наноматериалов распоряжении для окружающей среды 5-8.

При отсутствии поверхностных модификаций (нефункционализованного), углеродные нанотрубки очень гидрофобными и имеет тенденцию собираться в водном растворе. Функционализованные углеродные нанотрубки могут, тем не менее, остаются диспергируют и стабильны в водных растворах и могут быть использованы для биомедицинских целей, таких как доставка лекарственных средств 9. При этом существенно, что углеродные нанотрубки остаются диспергируют и мобилизованы, так что лекарственное средство может быть доставлено в человеческом теле 10. С другой стороны, для снижения экологических рисков, есть необходимость в проведении исследований, направленных на как иммобилизации УНТ для того, чтобы избежать их вход в водоносных горизонтов и питьевых водных ресурсов 11. Недавние исследования сообщили токсическое действие УНТ на живые организмы, а также рискует экосистем с точки зрения УНТ, входящих и накапливались в пищевой цепи, так какУНТ трудно разлагаются 5,8. Даже при барьерных систем на свалках, содержащих нанотрубки, это может быть возможно углеродные нанотрубки, чтобы пройти через барьеры. В таких случаях УНТ может вступить в водоемах подземных и поверхностных водных объектов. Поскольку нормы и правила по утилизации УНТ четко не определены и транспортные механизмы, плохо понимал, лучшее понимание мобильности УНТ необходимо сформулировать и проектирование систем надлежащей утилизации 12. Таким образом, важно изучить и понять судьбу и транспорт УНТ в пористых средах и влияние физических и химических факторов, обычно присутствующие в приповерхностном среды на модифицированной поверхностью сохранение CNT.

Количество исследований была проведена о влиянии размера коллектор зерна 13-15 при скорости потока 16, и поверхностные свойства зерен 17 на транспорте наночастиц в пористых средах. Однако систематические исследования о влиянии Solutионный химии (например, рН и ионной силы) на возможное осаждение на поверхности коллектора все еще ​​ограничено 18-20. Кроме того, комбинированное воздействие физических факторов, химии растворов среды и поверхностных свойств углеродных нанотрубок не очень хорошо понял и различаются в разных литературе. В этом исследовании, способ получения для модификации поверхности МУНТ будет показано вместе с систематическим колонке лабораторной упакованы с кислотой чистить кварцевого песка будет использоваться для изучения транспорта, сохранения и ремобилизацию поверхностно-модифицированные УНТ в насыщенных пористых средах ,

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Функционализация многослойных углеродных нанотрубок

  1. Выполните все стадии функционализации внутри вытяжного шкафа, используя безопасность очки, перчатки и лабораторный халат. Мера 24 мл серной кислоты и 8 мл нитрата кислоты с использованием градуированный цилиндр, а затем передать их в химический стакан. Добавить 32 мг неочищенных MWCNTs в химический стакан с использованием фольги контейнер на аналитических весах (конечна концентраци должна быть 1 мг / мл смеси кислот).
  2. Во-первых, держать стакан с MWCNT и смеси кислот в ультразвуковом очистителе (ванна) в течение 2 ч при комнатной температуре. Затем, тепла и перемешать МСУНТ-кислый раствор в течение 5 ч при 90 ° С, используя горячую плиту.
  3. Суспензию фильтруют CNT с 0,2 мкм поры диаметром PTFE мембранный фильтр, размещенной на держателе фильтра, и использовать вакуум, чтобы помочь фильтрации. Выполните ту часть фильтрация части и использовать несколько фильтров мембраны (примерно 1/4 го выше смеси на участке в течение одного фильтра). Добавить кипятокв процессе фильтрации, чтобы отфильтровать раствор кислоты до рН смеси не станет больше, чем 5.
  4. Всегда снятия вакуума до его выключен и не вводить что-либо в вакуумной системе. Использование коническую стакан для сбора отработанной жидкости.
  5. Налейте фильтруют кислоты в контейнер для отходов (отправить контейнер для отходов на обращению с отходами или разбавленной жидкости перед сбросом его в раковину, добавив, по крайней мере в десять раз водопроводной воды).
  6. Передача фильтрующих мембран с нераспределенной MWCNTs в испаряющейся блюда и поставить посуду в сушильном шкафу (содержит примерно 100 г силикагеля) и создать вакуумную среду (оставьте вакуум в течение примерно 1 часа) для CNT до полного высыхания (около 24 часа в сутки ).
    1. Очистите УНТ из мембран тщательно с использованием шпателя и передачи частицы в чистую емкость. Взвесьте порошка МУНТ и маркировать контейнер для использования в будущем.

2. PoroАмериканские СМИ для транспортных экспериментов

  1. Подготовка 0,1 М раствора HCl для кислотной промывки кварцевого песка.
    1. Выполните все эти шаги внутри вытяжного шкафа с безопасностью очки, перчатки и лабораторный халат. Добавить 1 л деионизованной водой до 2 л колбу. Мера 8 мл 37% -ной HCl, используя градуированный цилиндр.
    2. Добавьте HCl в деионизированной воды, осторожно. Встряхнуть флакон тщательно, чтобы помочь смешивания.
  2. Смойте песок с приготовленным раствором HCl.
    1. Весят около 1000 г песка. Добавить 1/3 песка в колбу с раствором HCl и встряхивают колбу дважды, чтобы помочь перемешивания затем добавить остальной части песка (1/3 песка каждый раз).
    2. Взболтать колбу три раза и оставить кислоты с песком в течение 30 мин.
    3. Налейте жидкость из колбы в контейнере с отходами кислоты и промыть песок с деионизированной водой, по меньшей мере 8 раз.
  3. Смойте песок с H раствора 2 O 2.
    1. Добавить 700 мл де-ионизированной воды вКолбу с песком затем измерить 40 мл 30% H 2 O 2 раствор с помощью мерного цилиндра.
    2. Добавьте H 2 O 2 раствор в колбу с песком и встряхните дважды, чтобы помочь смешивания. Затем добавить еще 40 мл 30% H 2 O 2 раствор 3 раза до тех пор, пока 160 мл Н 2 О 2 в общей колбе.
    3. Встряхнуть и перемешать раствор и песок каждый раз и оставить H 2 O 2 раствор с песком в течение 40 мин, чтобы реакцию должны быть завершены. Встряхнуть флакон и перемешать песок с пластиковым стержнем через каждые 10 мин.
    4. Слейте жидкость вниз к раковине и запустить водопроводную воду в течение 30 сек.
  4. Промойте и высушите песок.
    1. Промыть песок с де-ионизированной воды, по крайней мере 8 раз, чтобы избавиться от какого-либо решения или влево по продуктов реакции. Встряхнуть и тщательно перемешать при промывки.
    2. Положите колбу с промытой песка в духовке (105 ° С) в течение 24 часов, чтобы высохнуть, а затем взять песок из печи с помощьюпечь-варежка и оставить на прилавке в течение 2 ч для песка, чтобы остыть.
    3. Передача чистый песок в пластиковый контейнер. Отметить контейнер и поместите его в соответствующем полке, чтобы быть готовым к использованию.

3. Эксперименты столбцов

  1. Подготовка справочного решения.
    1. Подготовить соответствующие химию фон решением для эксперимента колонки.
    2. Использование 0,1 М HCl и 0,1 М NaOH растворы для доведения рН и NaCl соль для достижения соответствующего ионной силы для следующих экспериментов.
  2. Выбор столбцов.
    1. Выберите стеклянную колонку диаметром 2,5 см и длиной 15 см для этого эксперимента (рН 5 и ионной силы: 2 мм в данном исследовании). Использование фильтра стальной сетки (0,2 мм) с обеих сторон в стеклянную колонку.
    2. Промойте трубок, подключаемых к колонне и заливаем фон растворе (или МУНТ решение до 3-х ходового клапана для управления типом течения жидкости (МУНТ Solutioп или фона раствор), как показано на фиг.1.
  3. Влажные-упаковка колонке.
    1. Взвесьте чистый песок по шкале и принять 124 г чистого песка для выбранного размера колонки.
    2. Использование высокой точности перистальтический насос. Калибровка насоса для достижения 2 мл / мин жидкости.
    3. Включите насос, чтобы заполнить колонку снизу до тех пор, пока уровень воды в несколько сантиметров выше нижней части колонны. Положите примерно 1/10 измеряемой песка в то время, в колонну, но убедитесь, что уровень песка не приходит выше уровня воды в колонне. Продолжить поток воды в колонну непрерывно оставаться выше уровня песка.
    4. Закройте столбца крышку с соответствующим сетчатым фильтром после полного заполнения.
    5. Дайте насадочной колонны течь в течение по крайней мере 1 часа. Отдельные параметры колонны приведены в таблице 1.
  4. Tracer тест.
    1. Sтерпкий эксперимент столбца с испытанием примеси до тех МСУНТ экспериментов решений.
    2. Переключатель 3-ходовой клапан для индикаторного раствора (с использованием пищевой краситель трассирующими в дозе 20 мг / л), чтобы начать эксперимент.
    3. Сбор образцов отток из колонны на каждом 2 мин (т.е., 4 мл / образцы в каждой пробоотборной трубки) с использованием коллектора фракций подключенный, как показано на фиг.1.
    4. Продолжайте вводить раствор индикатора для объема в 4,32 пор (т.е. раствор проходит 4,32 раза больше, чем общая площадь пустой пор в песке насадочной колонне), которая также называется Первый этап эксперимента.
    5. Переключатель 3-ходовой клапан течь фон раствор (DI воды в случае примеси эксперимента) на другой объем 4,32 пор.
  5. Подготовка МУНТ решения.
    1. Сделать диспергированный раствор, функционализированного MWCNTs путем размещения 15 мг функционализированных MWCNTs в 300 мл химический стакан, содержащий 200 мл водного раствора (с желаемой SOLUTIOп химии т.е. рН 5 и 2 мМ ионной силы в текущем состоянии экспериментальной) и с использованием ультразвукового гомогенизатора зондом, помещенным в химическом стакане (с 40% мощности в течение 15 мин). Смешайте диспергированный MWCNTs раствор с другим 800 мл того же водного раствора для достижения МСУНТ концентрации 15 мг / л.
    2. Выполнение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) анализ изображения из исходного раствора на их размер и форму наночастицы после функционализации.
  6. МСУНТ транспорт эксперимент.
    1. Переключатель 3-ходовой клапан для МУНТ решения, чтобы начать эксперимент колонки.
    2. Сбор образцов отток из колонны на каждом 2 мин с использованием подключенного коллектор фракций.
    3. Вводите МСУНТ решение для объема в 4,32 пор (Фаза I эксперимента).
    4. Переключатель 3-ходовой клапан потока фона решение для другого объема 4,32 пор, что называется второй этап эксперимента.
    5. Изменить впрыска трубку backgroунд решение в бутылку DI воды (после остановки насоса на мгновение, чтобы избежать вход воздуха из трубки) и продолжить поток для другого объема 4,32 пор, что называется фаза III эксперимента.
  7. Анализ проб.
    1. Перенесите все образцы трубки от коллектора фракций в стойку трубы.
    2. Подготовка UV / VIS спектрофотометр для анализа образца, т.е. выяснить соответствующую длину волны сканирования для количественной оценки собранных образцов. Используйте 400 нм для МУНТ решения и длиной волны 333 нм для индикаторного раствора.
    3. Проверять все образцы, собранные из колонки во время фаз I, II, и III, используя кювету на 400 волны нм (или другой длины волны, если сочтет это более целесообразным в предыдущем шаге) и хранить данные.
    4. Сбор данных из спектрофотометра и построить их в зависимости от времени или объема пор, чтобы получить Выходные кривые, как показано в представительных результатов (например, рис3).
    5. Выполнить анализ размера (гидродинамический диаметр) притока и оттока образцов с использованием дзета-классификатор и проводить визуализацию учился как для притока и оттока образцов с использованием сканирующей электронной микроскопии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Влияние МУНТ функционализации

Функционализованный и диспергируют раствор МСУНТ была решена в химический стакан, чтобы раствор для достижения равновесия. Был ни оседания ни агрегации наблюдается в маточном растворе после обработки ультразвуком, а гидродинамического диаметра МУНТ (1619 ± 262 нм) в растворе остается такой же в течение шести месяцев ультразвуком (рисунок 2). Чтобы исследовать эффект функционализации MWCNTs на их подвижности, два набора экспериме...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Влияние МУНТ функционализации

Как показано на рисунке 2, подтверждает стабильность функционализированных MWCNTs, наблюдаемое различие в объеме элюированного MWCNT было обусловлено функционализации и, в частности в связи с добавлением карбоксильной (-СООН) группы, к поверхности MWCNTs (фиг.3 и 4). В аналогичном процессе функционализации, присутствие кислорода было подтверждено с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 14.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы выразить признательность за поддержку части этого исследования со стороны факультета наук о Земле Уппсальского университета.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
MWCNTCheap Tubes Inc., СШАsku-03040304Приобретено в виде полуфункционального порошка
Кварцевый песокSibelco Nordic, Baskarp, SwedenB44Приобретено с более чем 91% кремнеземного песка
H2SO4VWR1.01833.250095%-97% чистота
HNO3VWR1.00441.100070% чистота
HClVWR1.00317.250037%-38% чистота
H2O2VWR23615.24830% чистота
NaClVWR1.06404.050099,5% чистота
NaOHSigma-AldrichS8045-500G99,99% пур гранулы 
Ультразвуковой гомогенизаторBiologics Inc. Манассас, ВирджинияМодель 3000, 0-127-0002Работает в течение фиксированного временного интервала
Ультразвуковой аппарат (ванна)Kerry Ultrasonic Ltd1808Общий ультразвуковой аппарат для ванны
Перистальтический насосIsmantec, Glattbrugg, ШвейцарияISM931Работа с трубками тайгона в насосе
СпектрофотометрHach LangeDR500, LPV408.99.0001Работа с ручной кюветой, а также с автоматическим отбором
проб рН-метромMetrohm781pH-анализ
Стеклянная колоннаChromaflex420830-1510Колонна с регулируемой крышкой
Сборник фракцийSpectrum Labs EuropeCF-2, 124846Фиксированный через равные промежутки времени
Трубки для сбора фракцииVWR212-9599Стеклянная трубка
Перемешивание горячей плитыThermo ScientificSP131320-33Регулируемая температура
ДуховкаElektro Helios259Для сушильной печи
от песка BalanceMettler ToledoAE 160Для точного взвешивания
объемом 6 мл

Ссылки

  1. Maynard, A. D., et al. Safe handling of nanotechnology. Nature. 444, 267-269 (2006).
  2. Mauter, M., Elimelech, M. Environmental applications of carbon-based nanomaterials. Environ. Sci. Technol. 42 (16), 5843-5859 (2008).
  3. 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).
  4. Lin, D., et al. Fate and transport of engineered nanomaterials in the environment. J. Environ. Qual. 39 (6), 1896-1908 (2010).
  5. Petersen, E. J., et al. Potential release pathways, environmental fate, and ecological risks of carbon nanotubes. Environ. Sci. Technol. 45 (23), 9837-9856 (2011).
  6. Wiesner, M., Bottero, J. Y. Environmental nanotechnology. , McGraw-Hill Companies. The Blacklick, OH. (2007).
  7. Klaine, S. J., et al. Nanomaterials in the environment: Behavior, fate, bioavailability, and effects. Environ. Toxicol. Chem. 27 (9), 1825-1851 (2008).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Sahithi, K., et al. Polymeric conposites containing carbon nanotubes for bone tissue engineering. Int. J. Biol. Marcomol. 46 (3), 281-283 (2010).
  11. Petersen, E., Huang, Q., Weber, W. Bioaccumulation of radio-labeled carbon nanotubes by Eisnia Foetida. Environ. Sci. Technol. 42 (8), 3718-3724 (2008).
  12. Gottschalk, F., et al. Modeled Enrionmental concentrations of engineered nanomaterials for different regions. Enrviron. Sci. Technol. 43 (24), 9216-9222 (2009).
  13. Liu, X., et al. et al.Mobility of multiwalled carbon nanotubes in porous media.Environ. Sci. Technol. 43 (21), 8153-8158 (2009).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Kasel, D., et al. Limited transport of functionlized multi-walled carbon nanotubes in two natural soils. Environ. Pollution. 180, 152-158 (2013).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Tian, Y., et al. Deposition and transport of functionalized carbon nanotubes in water-saturated sand columns. J. Hazard. Mater. 213-214, 265-272 (2012).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Crist, J. T., et al. Transport and retention mechanisms of colloids in partially saturated porous media. Vadose Zone J. 4 (1), 184-195 (2005).
  25. Jaisi, D. P., Elimelech, M. Single-walled carbon nanotubes exhibit limited transport in soil columns. Environ. Sci. Technol. 43 (24), 9161-9166 (2009).
  26. 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).
  27. Wan, J., Wilson, J. L. Colloid transport in unsaturated porous media. Water Resour. Res. 30 (4), 857-864 (1994).
  28. 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).
  29. Bradford, S. A., et al. Physical factors affecting the transport and fate of colloids in saturated porous media. Water Resour. Res. 38 (12), (2002).
  30. 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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Модификация поверхностиколоночные экспериментытранспортное удерживаниефункционализированные нанотрубкипромытый кислотой песокУФ-видимый спектрофотометрперистальтический насоскварцевый песокскорость потока
Транспортировка с модифицированной поверхностью углеродных нанотрубок через колонку почвы
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.