Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

النقل من أنابيب الكربون النانوية المعدلة السطح من خلال عمود التربة

Published: April 2, 2015 doi: 10.3791/52634
Automatic Translation
1,2, 2
1School of Ecology and Environmental Studies, Nalanda University, 2Department of Earth Sciences, Uppsala University

Introduction

مع تطور الأخيرة في تكنولوجيا النانو التي تستخدم أنواع مختلفة من الجسيمات النانوية لتحسين عدد من التقنيات في الصناعات مثل تكنولوجيا المعلومات، والطاقة، والعلوم البيئية، والطب، والأمن الداخلي، وسلامة الأغذية، والنقل؛ فهم شامل للنقل والإبقاء على الجسيمات النانوية في التربة والمياه الجوفية هو أمر حاسم لتقييم المخاطر وكذلك التطبيقات البيئية الجسيمات النانوية المهندسة و1-3. أنابيب الكربون النانوية (الأنابيب النانوية الكربونية) هي واحدة من الجسيمات النانوية الكربونية معظم إنتاجها 2،4. تشارك المركز الوطني هي شكل اسطواني طويل والجرافين التي يبلغ قطرها عادة أقل من 100 نانومتر، ويبلغ طوله في حدود 100 نانومتر إلى 50 ميكرون. لديهم خصائص فريدة من نوعها، والتي تسارعت استخدامها في العديد من التطبيقات، مثل الالكترونيات والبصريات، ومستحضرات التجميل، والتكنولوجيا الطبية الحيوية (مثل المواد المركبة) 5. مع زيادة استخدام، وهناك أيضا زيادة صISK إلى التعرض البشري والتأثير على الصحة، وكذلك العواقب البيئية السلبية التالية CNT وغيرها من المواد النانوية الكربونية أساس التخلص بالبيئة 5-8.

مع أي تعديلات السطحية (unfunctionalized)، الأنابيب النانوية الكربونية هي مسعور للغاية، وتميل إلى تجميع في محلول مائي. تشارك المركز الوطني بين functionalized يمكن، مع ذلك، تبقى متفرقة واستقرارا في المحاليل المائية وتستخدم لأغراض الطبية الحيوية مثل تسليم المخدرات 9. هنا من الضروري أن تشارك المركز الوطني تبقى متفرقة وتعبئة، لذلك يمكن أن يتم تسليم المخدرات داخل جسم الإنسان 10. من ناحية أخرى، للحد من المخاطر البيئية، وهناك حاجة لإجراء دراسات تركز على كيفية لشل حركة الأنابيب النانوية الكربونية من أجل تجنب دخولهم إلى طبقات المياه الجوفية وموارد مياه الشرب 11. وأفادت الدراسات الحديثة التأثير السام من الأنابيب النانوية الكربونية على الكائنات الحية والمخاطر أيضا على الأنظمة الإيكولوجية من حيث تشارك المركز الوطني الدخول وتراكم في السلاسل الغذائية، منذالأنابيب النانوية الكربونية من الصعب تتحلل 5،8. حتى مع أنظمة حاجز في مقالب القمامة التي تحتوي على الأنابيب النانوية الكربونية، قد يكون من الممكن لتشارك المركز الوطني بالمرور عبر الحواجز. في مثل هذه الحالات تشارك المركز الوطني يمكن أن تدخل إلى خزانات المياه الجوفية والمسطحات المائية. لوائح التخلص CNT ليست محددة جيدا، ويفهم آليات النقل سيئة، فهم أفضل من التنقل من الأنابيب النانوية الكربونية ضروري لصياغة وتصميم النظم التخلص المناسب (12). ولذلك، من المهم دراسة وفهم مصير ونقل الأنابيب النانوية الكربونية في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها وتأثير العوامل الفيزيائية والكيميائية بشكل شائع في البيئة تحت سطح الأرض على سطح تعديل الاحتفاظ CNT.

وقد تم تنفيذ عدد من البحوث التي أجريت حول تأثير حجم جامع الحبوب 13-15، وتدفق معدل 16، وخصائص سطح الحبوب 17 في وسائل النقل من الجسيمات النانوية في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها. ومع ذلك، تحقيقات منهجية عن تأثير solutايون الكيمياء (مثل درجة الحموضة والقوة الأيونية) على احتمال ترسب على أسطح جامع لا تزال محدودة 18-20. بالإضافة إلى ذلك، التأثير المشترك للعوامل الفيزيائية والكيمياء حل وسط، وخصائص سطح أنابيب الكربون النانوية ليست مفهومة جيدا وتختلف في الأدب مختلفة. سوف في هذه الدراسة، سيتم أظهرت طريقة التحضير لتعديل سطح MWCNTs جنبا إلى جنب مع المنهجي العمود نطاق المختبر معبأة مع حمض تنظيف الرمل الكوارتز استخدامها للتحقيق في النقل والاحتفاظ بها وإعادة تحشد الأنابيب النانوية الكربونية المعدلة السطح في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها المشبعة .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Functionalization من Multiwalled أنابيب الكربون النانوية

  1. تنفيذ الخطوة functionalization بالكامل داخل غطاء الدخان، وذلك باستخدام النظارات السلامة، والقفازات ومعطف المختبر. قياس 24 مل من حمض الكبريتيك و 8 مل من حمض النترات باستخدام اسطوانة تخرج، ومن ثم نقلها إلى دورق. إضافة 32 ملغ من MWCNTs غير المعالجة في كوب باستخدام القصدير حاوية احباط في التوازن التحليلي (يجب أن يكون التركيز النهائي 1 ملغ / مل من مزيج حمض).
  2. لأول مرة، والحفاظ على الكأس مع MWCNT ومزيج الحامض في نظافة بالموجات فوق الصوتية (حمام) لمدة 2 ساعة على RT. ثم والحرارة وتثير الحل MWCNT الحمضية لمدة 5 ساعة على 90 ° C باستخدام صفيحة ساخنة.
  3. تعليق تصفية CNT مع 0.2 ميكرون المسام القطر PTFE غشاء تصفية وضعها على حامل المرشح، واستخدام الفراغ لمساعدة الترشيح. أداء جزء الترشيح من قبل جزء واستخدام العديد من الأغشية مرشح (حوالي 1/4 عشر من خليط أعلاه في جزء لمرشح واحد). إضافة الماء المغليخلال عملية الترشيح لتصفية محلول حمض حتى الرقم الهيدروجيني للخليط تصبح أكبر من 5.
  4. كسر دائما الفراغ قبل أن يتم إيقاف تشغيله وعدم إدخال أي شيء في النظام فراغ. استخدام دورق مخروطي الشكل لجمع النفايات السائلة.
  5. صب حامض مرشح في حاوية النفايات (إرسال حاوية النفايات الى منشأة معالجة النفايات أو تمييع السائل قبل دفنها في بالوعة بإضافة عشر مرات على الأقل من ماء الصنبور).
  6. نقل الأغشية مرشح مع MWCNTs المحتجزة إلى تبخر أطباق ووضع الأطباق في المجفف (يحتوي على حوالي 100 غرام من هلام السيليكا) وخلق بيئة فراغ (ترك فراغ لمدة حوالي 1 ساعة) لCNT لاستكمال التجفيف (حوالي 24 ساعة ).
    1. تتخلص من الأنابيب النانوية الكربونية من الأغشية بعناية باستخدام ملعقة ونقل الجزيئات في وعاء نظيف. وزن مسحوق MWCNTs وتسمية الحاوية لاستخدامها في المستقبل.

2. بورووسائل الاعلام الامريكية عن التجارب النقل

  1. إعداد 0.1 M حمض الهيدروكلوريك حل لغسيل حمض رمل السيليكا.
    1. أداء جميع هذه الخطوات داخل غطاء الدخان مع نظارات السلامة، والقفازات، ومعطف المختبر. إضافة 1 L-المتأينة المياه إلى 2 L القارورة. قياس 8 مل من حمض الهيدروكلوريك 37٪ باستخدام اسطوانة تخرج.
    2. إضافة حمض الهيدروكلوريك في دي المتأينة المياه بعناية. هز قارورة بعناية للمساعدة في الخلط.
  2. غسل الرمال مع حل حمض الهيدروكلوريك استعداد.
    1. تزن حوالي 1،000 ز الرمال. إضافة 1/3 من الرمل في قارورة مع حل حمض الهيدروكلوريك ويهز القارورة هدفين ليساعد خلط ثم إضافة بقية الرمال (1/3 من الرمال في كل مرة).
    2. هز قارورة ثلاث مرات وترك حامض مع الرمال لمدة 30 دقيقة.
    3. صب السائل من القارورة إلى حاوية النفايات الحمضية وشطف الرمال مع دي المتأينة المياه 8 مرات على الأقل.
  3. غسل الرمال مع H 2 O 2 الحل.
    1. إضافة 700 مل من الماء غير المتأينة فيالقارورة مع الرمل ثم قياس 40 مل من 30٪ H 2 O 2 الحل باستخدام اسطوانة تخرج.
    2. إضافة H 2 O 2 الحل في قارورة مع الرمل ويهز مرتين للمساعدة في الخلط. ثم إضافة 40 مل أخرى من 30٪ H 2 O 2 حل 3 مرات حتى يكون هناك 160 مل H 2 O 2 الإجمالي في قارورة.
    3. يهز ومزيج الحل والرمل في كل مرة وترك H 2 O 2 حل مع الرمال لمدة 40 دقيقة للسماح للرد فعل على أن تكتمل. هز قارورة ويحرك الرمال مع قضيب بلاستيكي كل 10 دقيقة.
    4. صب السائل وصولا الى بالوعة وتشغيل مياه الصنبور لمدة 30 ثانية.
  4. شطف وتجفيف الرمال.
    1. شطف الرمال مع دي المتأينة المياه 8 مرات على الأقل للتخلص من أي حل أو خلفها منتجات التفاعل. يهز ويحرك جيدا عند الشطف.
    2. ضع قارورة مع الرمل تشطف في الفرن (105 درجة مئوية) لمدة 24 ساعة لتجف، ثم أخذ الرمال من الفرن باستخدامفرن القفاز وترك في العداد لمدة 2 ساعة عن الرمل ليبرد.
    3. نقل الرمال النظيفة في وعاء من البلاستيك. بمناسبة الحاويات ووضعها في الرف المناسب لتكون جاهزة للاستخدام.

3. التجارب العمود

  1. إعداد الحل الخلفية.
    1. إعداد المناسب الكيمياء حل الخلفية للتجربة العمود.
    2. استخدام 0.1 M حمض الهيدروكلوريك وهيدروكسيد الصوديوم 0.1 M حلول لضبط درجة الحموضة وكلوريد الصوديوم والملح لتحقيق القوة الأيونية المناسبة للتجربة التالية.
  2. اختيار العمود.
    1. اختيار عمود الزجاج من 2.5 سم وقطرها 15 سم طول لهذه التجربة (درجة الحموضة: 5 والقوة الأيونية: 2 مم في الدراسة الحالية). استخدام عامل تصفية شبكة من الصلب (0.2 ملم) على جانبي العمود الزجاج.
    2. تدفق أنابيب متصلة العمود وملء مع الحل الخلفية (أو MWCNTs حل حتى 3 في اتجاه وصمام للتحكم في نوع من تدفق السائل (MWCNTs محلولن أو حل الخلفية) كما هو مبين في الشكل (1).
  3. الرطب التعبئة للعمود.
    1. الموازنة بين الرمال النظيفة على نطاق واتخاذ 124 غرام من الرمال النظيفة لحجم العمود المحدد.
    2. استخدام عالية الدقة مضخة تمعجية. معايرة المضخة لتحقيق 2 مل / دقيقة تدفق السائل.
    3. بدء تشغيل المضخة لملء عمود من أسفل حتى مستوى المياه بضعة سنتيمترات فوق الجزء السفلي من العمود. وضع حوالي 1/10 عشر من الرمال قياس في وقت واحد في عمود ولكن تأكد من أن مستوى الرمال لا يأتي فوق مستوى المياه في العمود. مواصلة تدفق المياه إلى العمود باستمرار للبقاء فوق مستوى الرمال.
    4. أغلق الغطاء العمود مع شبكة مرشح المناسبة بعد تعبئة كاملة.
    5. السماح للعمود معبأة في التدفق لا يقل عن 1 ساعة. يشار إلى المعلمات الفردية للعمود في الجدول 1.
  4. اختبار التتبع.
    1. Sحامضة التجربة عمود مع اختبار التتبع قبل التجارب حل MWCNT.
    2. تبديل 3 في اتجاه وصمام إلى حل التتبع (باستخدام الغذاء اللون التتبع في 20 ملغم / لتر) لبدء التجربة.
    3. جمع العينات تدفق من العمود في كل 2 دقيقة (أي 4 مل / العينات في كل أنبوب أخذ العينات) باستخدام جزء جامع متصل كما هو موضح في الشكل رقم 1.
    4. مواصلة لحقن حل التتبع لحجم المسام 4.32 (أي حل يمر 4.32 مرات من إجمالي مساحة المسام فارغة في العمود معبأة الرمال)، وهو ما يسمى أيضا المرحلة الأولى من التجربة.
    5. تبديل 3 في اتجاه وصمام لتدفق الحل الخلفية (DI المياه في حالة التجربة التتبع) لحجم المسام 4.32 آخر.
  5. إعداد الحل MWCNT.
    1. جعل، بين functionalized حل MWCNTs فرقت عن طريق وضع 15 ملغ من MWCNTs بين functionalized في كوب 300 مل تحتوي على 200 مل من محلول مائي (مع محلول المطلوبن الكيمياء أي درجة الحموضة 5 و 2 ملي القوة الأيونية في حالة تجريبية الحالية) وباستخدام مسبار الخالط بالموجات فوق الصوتية وضعها في كوب (مع 40٪ انتاج الطاقة لمدة 15 دقيقة). خلط MWCNTs حل فرقت مع 800 مل آخر من نفس محلول مائي لتحقيق تركيز MWCNT من 15 ملغ / L.
    2. أداء المجهر الإلكتروني (SEM) تحليل صورة محلول المخزون لحجمها وشكل جسيمات متناهية الصغر بعد functionalization.
  6. تجربة النقل MWCNT.
    1. تبديل 3 في اتجاه وصمام إلى حل MWCNT لبدء التجربة العمود.
    2. جمع العينات تدفق من العمود في كل 2 دقيقة باستخدام جزء جامع متصل.
    3. حقن محلول MWCNT لحجم المسام 4.32 (المرحلة الأولى من التجربة).
    4. تبديل 3 في اتجاه وصمام لتدفق الحل الخلفية لوحدة تخزين أخرى 4.32 المسام، وهو ما يسمى المرحلة الثانية من التجربة.
    5. تغيير أنبوب حقن backgroالحل اوند في زجاجة المياه DI (بعد إيقاف المضخة للحظة واحدة لتجنب دخول الهواء من الأنبوب) ويستمر تدفق للوحدة تخزين أخرى 4.32 المسام، وهو ما يسمى المرحلة الثالثة من التجربة.
  7. تحليل عينة.
    1. نقل جميع العينات أنبوب من جزء جامع في رف أنبوب.
    2. إعداد معمل الأشعة فوق البنفسجية / VIS لتحليل عينة، أي معرفة الطول الموجي المسح الضوئي المناسب لتقدير حجم العينات التي تم جمعها. استخدام 400 نانومتر عن حل MWCNT وطول موجي 333 نانومتر لحل التتبع.
    3. مسح جميع العينات التي تم جمعها من العمود خلال المرحلتين الأولى والثانية، والثالثة باستخدام كوفيت في الطول الموجي 400 نانومتر (أو طول موجي مختلف إذا رأت ذلك مناسبا أكثر في الخطوة السابقة) وتخزين البيانات.
    4. جمع البيانات من معمل ورسم لهم مقابل الوقت أو حجم المسام للحصول على المنحنيات اختراق كما هو مبين في نتائج تمثيلية (على سبيل المثال، الشكل3).
    5. لتحليل حجم (قطر الهيدروديناميكية) من تدفق وتدفق العينات باستخدام زيتا بحجم وإجراء التصور درس لكل من تدفق وتدفق العينات باستخدام المجهر الإلكتروني.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

تأثير Functionalization MWCNT

تم اغلاق حل MWCNT بين functionalized وتفرقوا في الدورق للسماح الحل للوصول إلى التوازن. كان هناك لا الترسيب ولا التجميع التي لوحظت في حل الأسهم بعد صوتنة، وقطر الهيدروديناميكية من MWCNT (1،619 ± 262 نانومتر) في حل بقيت على حالها لمدة ستة أشهر من صوتنة (الشكل 2). للتحقيق في تأثير functionalization من MWCNTs على حركتهم، وأجريت مجموعتين من التجارب باستخدام كل عمود بين functionalized تماما وأقل بين functionalized (كما وردت من الشركة المصنعة) MWCNTs مع حالة التجريبية المحددة في الجدول 1. الحد الأقصى للتركيز النسبي ( كان C / C 0) من MWCNTs بين functionalized بالكامل تقريبا 0.75، في حين أن MWCNTs أقل بين functionalized لم يكن سوى 0.65 (الشكل 3). تم الكشف عن أن MWCNTs أقل بين functionalized فيالنفايات السائلة في وقت لاحق مما كان مشوها أيضا MWCNTs بين functionalized بالكامل ومنحنى اختراق بهم. هذا يدل على أن MWCNTs بين functionalized بالكامل كانت كثيري التنقل في حين كانت أقل MWCNTs بين functionalized أقل النقالة واحتفظت في العمود.

حتى بعد حالة رقابة، عملية functionalization من MWCNT حساسة جدا للاستقرار في الطبيعة، فضلا عن معدل الاحتفاظ بها في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها في أي تجارب العمود. ثلاثة أسهم من MWCNTs بين functionalized تصرفت بشكل مختلف على الرغم من الظروف الكيميائية والفيزيائية التي كانت في نفس الترتيب (الشكل 4). وأفادت الدراسات السابقة أيضا معدل البقاء حاليا لMWCNTs بين functionalized في ظروف المختبر تشبه 14،16،20،21.

شروط التجريبية في الدراسات نقل العمود

وقد أظهرت دراسة العمود المشبعة العامة للنقلمن MWCNTs من خلال مختلف الملمس وبنية وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها. حجم المتوسط ​​الحبوب أمر بالغ الأهمية لنقل اسطواني الشكل MWCNTs. في هذه الدراسة، تم اختيار ثلاثة أحجام من الرمل الكوارتز لتقييم تأثير حجم جامع الحبوب. من الناحية النظرية، ويقلل من حجم جامع الحبوب، والحد الأقصى للزيادة قدرة الامتصاص مما يعني المزيد من ترسب. في جميع توزيعات ثلاثة الحبوب الحجم المحدد في هذه الدراسة، زاد تركيز النفايات السائلة بشكل حاد بنفس المعدل حتى وصلت 1.5 حجم المسام ولكن كانت مجموعه مزال MWCNTs أقل نسبيا لحجم الحبوب الدقيقة (الشكل 5).

الاحتفاظ MWCNTs بسبب تدفق نمط

في الأدب، منذ فترة طويلة ثبت أن الجسيمات النانوية كروية يمكن أن يكون أقل متحركة للسوائل بطيئة الحركة من خلال وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها. بعض الدراسات على أساس MWCNTs أيضا اتباع نفس المسار مع التنقل أقل من هذه nanoparti أسطوانيالجسيمات في انخفاض معدلات تدفق 14،16،22. وكمثال على ذلك، فقد ثبت تأثير نمط تدفق بشأن نقل MWCNTs بين functionalized فضلا عن إعادة تحشد من خلال 1-D الدراسات العمود. وأجريت ثلاث مجموعات من التجارب العمود إلى دراسة تأثير معدل التدفق على التنقل والاحتفاظ MWCNTs في المشبعة وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها (الشكل 6). لتحقيق أعلى سرعة للماء المسام (15.5 م / د)، والتركيز النسبي للMWCNTs في النفايات السائلة ارتفعت بسرعة ووصل الحد الأقصى للقيمة (0.77 في المرحلة 1). ثم، بعد أن تم تشغيل مؤثر إلى حل الخلفية، انخفض تركيز مع عدم وجود المخلفات (المرحلة 2). تم استخدام المياه DI إلعادة تعبئة MWCNTs المحتجزة. ونتيجة لذلك، فإن جزءا من MWCNTs المودعة أعيد تعبئتها مع الحل النفايات السائلة (المرحلة 3). في السرعات المنخفضة، 5.15 و 1.17 م / د، زادت تركيزات MWCNT النفايات السائلة ببطء ولم يتحقق تركيز الدولة المطرد في حجم المسام من 4.32 MW CNT الحقن في العمود. وكانت تركيزات النسبية القصوى 0.73 و 0.44 على التوالي (الشكل 6).

الشكل (1)
الشكل 1. نظرة عامة على الإعداد التجربة العمود لنقل جسيمات متناهية الصغر من خلال وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2. اختبار استقرار أنابيب الكربون النانوية بين functionalized. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

ق / ftp_upload / 52634 / 52634fig3.jpg "/>
الشكل 3. MWCNTs المعدلة السطحية مزال من العمود (خلال المراحل 1 و 2 و 3) معبأة مع الرمل الخشن لحالة تجريبية من القوة الأيونية: 2 مم. درجة الحموضة: 5؛ ومعدل التدفق: 15.5 م / د. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. أمثلة من المنحنيات اختراق لMWCNTs مزال بين functionalized في ثلاث دفعات مختلفة في حالة تجريبية نفسها. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

4fig5.jpg "/>
الشكل 5. MWCNTs مزال من العمود (خلال المراحل 1 و 2 و 3) لمختلف وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها حجم الحبوب لحالة تجريبية من القوة الأيونية: 2 مم. درجة الحموضة: 5؛ ومعدل التدفق: 15.5 م / د. يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6. MWCNTs مزال من العمود (خلال المراحل 1 و 2 و 3) لمعدلات تدفق مختلفة لحالة تجريبية من القوة الأيونية: 2 مم. درجة الحموضة: 5؛ وحجم الرمال: 300 ميكرون الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

درجة الحموضة القوة الأيونية (ملم) حجم الحبوب (ميكرون) معدل التدفق (مل / دقيقة) سرعة المياه المسام (م / اليوم)
5 2 300 2 15.5
5 2 300 2 15
5 2 211 2 15.5
5 2 150 2 15.5
5 2 300 0.66 5.17
5 2 300 0.22 1.71

الجدول 1. ملخص حالة تجريبية للتجارب العمود.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تأثير Functionalization MWCNT

كما الشكل 2 يؤكد استقرار MWCNTs بين functionalized، كان الفارق الملحوظ في حجم مزال من MWCNT المقرر أن functionalization ويرجع بشكل خاص إلى إضافة الكربوكسيل (-COOH) مجموعات إلى سطح MWCNTs (أرقام 3 و 4). في عملية functionalization مماثلة، تم تأكيد وجود الأكسجين بواسطة الأشعة السينية الضوئية الطيفي 14. تم العثور عليه في وقت سابق أن إضافة السطحي على الأسطح جسيمات متناهية الصغر تستقر التوقف عن العمل ويقلل من تجميع 23. وفقا لدراسات مستقلة أخرى، والتجميع من عدم وجود حواجز الطاقة بين الجسيمات يزيد من حجم وترسب نسبة المجاميع جسيمات متناهية الصغر ويساهم في حدوث اجهاد بدني 18،23-25. لذلك، من المرجح أن زادت من depositio التجميعن والإبقاء على أقل بين functionalized (أكثر مسعور) MWCNTs في هذه الدراسة. وقد ثبت أن الإبقاء على الغرويات الكارهة للماء في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها هو أعلى من الغرويات المحبة للماء، واقترح المياه الصلبة واجهات بين الهواء والماء الصلبة مثل موقع الرئيسي لترسب 24،26،27. وبالإضافة إلى ذلك، الإبقاء على الجسيمات النانوية يزيد مع للا مائية السطحية 28، والتي تتفق مع الملاحظات التجريبية الحالية، منذ MWCNTs أقل بين functionalized أكثر مسعور مقارنة MWCNTs (بالكامل) بين functionalized. لكن مدى functionalization من MWCNTs هي طريقة محددة، يجري اتباعها في المختبر، والتي يمكن أن تنتج نتيجة خاطئة خلال الدراسات العمود للتنبؤ الدقيق للجسيمات متناهية الصغر نقلها في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها.

الحالة التجريبية في الدراسات نقل العمود

كما كان الكيمياء نفس الحل في جميع الحالات الثلاث في شملت رقمه 5، يجب اجهاد بدني شرح الفروق بين ترسب هذه التجارب الثلاث. برادفورد وآخرون. 29 وجدت أن الحبوب إلى الحبوب اجهاد عادة يحدث عندما تكون نسبة قطر الجسيمات إلى قطرها جامع أكبر من 0.05. ومع ذلك، في دراسة أخرى، برادفورد وآخرون. 30 وجدوا أن هذا اجهاد يمكن أن يحدث عندما تكون النسبة منخفضة تصل إلى 0.003. منذ MWCNTs هي جسيمات أسطواني، تم احتساب نسبة مرتين باستخدام كل من قطر الجسيمات والطول. في دراسة سابقة على MWCNTs، وجدت ليو وآخرون. 16 أن القيمة الحرجة لMWCNTs كانت 0.003 ميكرون لقطر و0.011 نانومتر لطول لبدء اجهاد بدني. كما هو محدد من قبل الشركة المصنعة، كان متوسط ​​طول وقطر MWCNTs المستخدمة في هذه الدراسة 15 ميكرون و 40 نانومتر، على التوالي. باستخدام هذه القيم، ونسب طول MWCNT لقطر حبة رمل هي أعلى من القيمة الحرجة لجميع الرمال (0.05، 0.07 و 0.1)، بور نسب قطر MWCNT إلى الرمل قطرها الحبوب كلها أقل من القيمة الحرجة (0.00013، 0.00018 0.00027 و) بالمقارنة مع الدراسات السابقة (22). اقترح Mattison وآخرون 14 أن اجهاد يمكن أن يكون أحد الآليات الرئيسية عندما القوة الأيونية منخفضة. في هذه الدراسة، وMWCNTs كتلة النفايات السائلة (من المراحل 1 و 2) أن أحجام الحبوب الكبيرة أدت إلى أقل الترسيب. وهذا قد يوحي بأن المزيد من MWCNTs توترت لأحجام الحبوب الرمل الصغيرة. يجب على الأقل أن تكون الاختلافات في كمية من الاحتفاظ الجسيمات لأحجام مختلفة من الحبوب جزئيا إلى اختلاف في الحبوب إلى الحبوب اجهاد، ولكن هذا قد لا يكون السبب الوحيد خلال دراسات النقل العمود. لذلك دراسة النقل العمود راسخة باستخدام مجموعة من الأحجام الحبوب وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها هي مهمة للمقارنة دراسات مماثلة أجريت في الأدب المختلفة، ولتطبيق هذه النتيجة في هذا المجال.

الاحتفاظ MWCNنهاية الخبر بسبب تدفق نمط

التباين في معدل التدفق خلال أي دراسات عمود يمكن أن تكون حاسمة جدا لدراسات النقل جسيمات متناهية الصغر. وقد تجلى المثال هذا التأثير في هذه الدراسة، وكذلك مقارنة مع دراسات أخرى مماثلة في شارما وآخرون. 22. الشكل أظهرت 6 أن تنقل MWCNTs كان يعتمد بشدة على معدل التدفق، أي أعلى الاحتفاظ مع انخفاض في معدل التدفق ، وهو ما يتسق مع دراسات سابقة 14،16. وقد ناقش تأثير الاختلاف تدفق في دراسات النقل MWCNT في شارما وآخرون. 22. وبالمثل تبرز الدراسة أهمية نمط تدفق في التجارب النقل العمود بالإضافة إلى خصائص سطح جسيمات متناهية الصغر وحل الخلفية الكيمياء، وتذبذب وتغير في نمط تدفق شائعة في الطبيعة التي يمكن أن تؤثر على النقل والاحتفاظ بها من خلال MWCNTs التربة والمياه الجوفية.

<ص الطبقة = "jove_content"> الآثار العملية

ويمكن أن نستخلص من هذه الدراسة أن functionalization من MWCNT هو عملية مهمة لفهم مصير ونقل MWCNT في وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها. الخطوات التي اتخذت أثناء عملية التعديل على سطح MWCNT يمكن أن تكون حاسمة للاحتفاظ الكلي من هذه الجسيمات النانوية خلال الدراسات العمود كما هو موضح في هذه الدراسة، ولاحظ أيضا في الأدب. ولذلك، فإن المبدأ التوجيهي موثقة جيدا من تعديل سطح MWCNT ضروري من أجل مقارنة تأثير المعلمات الفيزيائية والكيميائية لتقدير الصحيح النقل والاحتفاظ بها هذه الجسيمات النانوية في مسام التربة. يمكن أن الخطوات المنهجية المتبعة في هذه الدراسة أثناء إعداد الرمال معبأة التجربة العمود مزيد تكون مفيدة لتسيطر عليها بشكل جيد الدراسات على نطاق المختبر لتقدير النقل جسيمات متناهية الصغر وتكون قابلة للمقارنة لتطبيقها على نطاق واسع لهذه النتائج.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

الكيمياء، العدد 98، أنابيب الكربون النانوية، functionalization من أنابيب الكربون النانوية، والكيمياء الحل، ومعدل التدفق، وسائل الإعلام التي يسهل اختراقها
النقل من أنابيب الكربون النانوية المعدلة السطح من خلال عمود التربة
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sharma, P., Fagerlund, F. Transport… More

Sharma, P., Fagerlund, F. Transport of Surface-modified Carbon Nanotubes through a Soil Column. J. Vis. Exp. (98), e52634, doi:10.3791/52634 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter