Introduction
עם ההתפתחות האחרונה בננוטכנולוגיה שמשתמשת בסוגים שונים של חלקיקים כדי לשפר את מספר הטכנולוגיות בתעשיות כגון טכנולוגיית מידע, אנרגיה, מדעי סביבה, רפואה, ביטחון פנים, בטיחות מזון, ותחבורה; הבנה מעמיקה של התחבורה והשימור של חלקיקים בקרקע ומי תהום היא קריטית להערכת סיכונים, כמו גם יישומים סביבתיים של חלקיקים מהונדסים 1-3. צינורות פחמן (CNTs) הם אחד מהחלקיקים מבוססי פחמן מיוצרים ביותר 2,4. CNTs הוא הצורה הארוכה וגלילית של גרפן בקוטר בדרך כלל מתחת ל -100 ננומטר ואורך בטווח של 100 ננומטר ל -50 מיקרומטר. יש להם מאפיינים ייחודיים, שהתגברו השימוש שלהם ביישומים רבים, כגון אלקטרוניקה, אופטיקה, קוסמטיקה, וטכנולוגיה ביו-רפואית (לדוגמא, חומרים מרוכבים) 5. עם שימוש מוגבר, יש גם r מוגברISK לחשיפה של בני אדם והשפעה על בריאות, כמו גם השלכות אקולוגיות שליליות הבאים CNT וסילוק פחמן ננו מבוסס אחר לסביבה 5-8.
ללא שינויי פני השטח (unfunctionalized), צינוריות מאוד הידרופובי ונוטות לצבור בתמיסה מימית. צינוריות פונקציונליות יכולות, עם זאת, תישארנה מפוזרות ויציבה בתמיסות מימיות ומשמשות למטרות ביו-רפואיות כגון משלוח סמים 9. הנה חיוני זה שהצינוריות תישארנה מפוזרות ומגויסות, כך שהתרופה יכולה להיות מועברת בגוף האדם 10. מצד השני, כדי להפחית את הסיכונים סביבתיים, יש צורך במחקרים המתמקדים באיך לשתק את הצינוריות על מנת למנוע הכניסה שלהם למי תהום ומקורות מים לשתייה 11. מחקרים שנעשו לאחרונה דיווחו על ההשפעה הרעילה של צינוריות על יצורים חיים וגם סיכונים למערכות אקולוגיות במונחים של צינוריות הזנה ומצטברים ברשתות המזון, שכןהצינוריות קשות כדי שיתפרקו 5,8. אפילו עם מערכות מכשול במזבלות המכילות צינוריות, ייתכן שניתן לצינוריות לעבור את המחסומים. במקרים כאלה CNTs יכול להיכנס למאגרים מי תהום וגופי מים עיליים. כתקנות רשות CNT לא מוגדרות היטב ומנגנוני תחבורה הם הבינו היטב, הבנה משופרת של ניידות של צינוריות קיימת צורך בגיבוש ומערכות לרשות המתאימה עיצוב 12. לכן, חשוב ללמוד ולהבין את הגורל והובלה של צינוריות בתווך נקבובי ואת ההשפעה של גורמים פיסיקליים וכימיים הווה נפוץ בסביבה מתחת לפני הקרקע על פני השטח שונה שימור CNT.
מספר המחקר בוצע על ההשפעה של גודל גרגר אספן 13-15, תכונות זרימת שיעור 16, ופני שטח של הדגנים 17 בתחבורה של חלקיקים בתווך נקבובי. עם זאת, חקירות שיטתיות על ההשפעה של solutכימיה יון (כגון pH וחוזק יוני) בתצהיר אפשרי על גבי משטחי האספן עדיין מוגבלת 18-20. בנוסף, ההשפעה המשולבת של גורמים פיזיים, כימיה פתרון של המדיום, ואת מאפיינים של צינורות פחמן פני השטח אינה מובנת היטב ולהשתנות בספרות שונה. במחקר זה, שיטת הכנה לשינוי של MWCNTs משטח תהיה הפגינה יחד עם טור מעבדה בקנה מידה שיטתי עמוס בחול קוורץ לניקוי חומצה ישמש לחקור תחבורה, השימור וremobilization של צינוריות-שונה משטח בתווך נקבובי רווי .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Functionalization של פחמן Multiwalled
- לבצע את כל צעד functionalization בתוך מנדף, באמצעות משקפיים בטיחות, כפפות ומעייל מעבדה. מדוד 24 מיליליטר של חומצה גופרתית וחומצת 8 מיליליטר של חנקה באמצעות גליל סיים, ולאחר מכן להעביר אותם לתוך מבחנה. להוסיף 32 מ"ג של MWCNTs שלא טופל לתוך מבחנה באמצעות מיכל נייר אלומיניום במשקל אנליטי (ריכוז סופי צריך להיות 1 מ"ג / מיליליטר של תערובת חומצה).
- ראשית, לשמור על הכוס עם MWCNT ותערובת חומצה בשואב קולי (אמבטיה) לשעה 2 ב RT. לאחר מכן, חום ומערבבים את פתרון MWCNT-החומצה במשך 5 שעות על 90 מעלות צלזיוס באמצעות צלחת חמה.
- סנן את ההשעיה CNT עם קרום 0.2 מיקרומטר לסנן נקבובית PTFE הקוטר הניח על בעל מסנן, ולהשתמש בשואב אבק כדי לעזור סינון. לבצע את חלק הסינון על ידי חלק ולהשתמש בכמה ממברנות סינון (כ 1/4 ה של תערובת מעל למנה למסנן אחד). מוסיף מים רותחיםבמהלך תהליך סינון כדי לסנן פתרון החומצה עד pH של התערובת הופך יותר מ -5.
- תמיד לשבור את הוואקום לפני שהוא כבוי ולא להכניס שום דבר למערכת הוואקום. השתמש בכוס חרוטי כדי לאסוף את נוזלי הפסולת.
- יוצקים חומצת filtrated לתוך מיכל פסולת (לשלוח את מיכל הפסולת למתקן טיפול בפסולת או לדלל את הנוזל לפני שזרקת אותו לכיור על ידי הוספה לפחות עשר פעמים במים ברז).
- העבר את קרומי מסנן עם MWCNTs נשמרים למתאדים מנות ולשים את הכלים בייבוש (מכיל כ -100 גרם של סיליקה ג'ל) וליצור סביבת ואקום (להשאיר הוואקום בכ 1 שעה) לCNT כדי להשלים ייבוש (כ 24 שעות ).
- לגרד את הצינוריות מהקרומים באמצעות מרית בזהירות ולהעביר את החלקיקים לתוך מיכל נקי. לשקול את אבקת MWCNTs ולתייג את המכל לשימוש עתידי.
2. ריטהשלנו מדיה לניסויים בתחבורה
- הכן 0.1 פתרון M HCl לשטיפת חומצה של חול סיליקה.
- לבצע את כל פעולות הבאות בתוך מנדף עם משקפיים בטיחות, כפפות, ומעייל מעבדה. להוסיף 1 ליטר מים דה המיונן לבקבוק 2 ליטר. למדוד 8 מיליליטר של 37% HCl באמצעות גליל סיים.
- הוסף את HCl למים דה המיונן בזהירות. לנער את הבקבוק בזהירות כדי לסייע ערבוב.
- לשטוף את החול עם פתרון HCl מוכן.
- שוקל כ -1,000 חול g. להוסיף 1/3 של חול לתוך הבקבוק עם פתרון HCl ולנער את הבקבוק פעמיים כדי לעזור ערבוב ואז להוסיף שאר החול (1/3 מהחול בכל פעם).
- לנער את הבקבוק שלוש פעמים ולהשאיר את החומצה עם חול למשך 30 דקות.
- יוצקים את הנוזל מתוך הבקבוק למכל פסולת חומצה ולשטוף את החול במי דה המיונן לפחות 8 פעמים.
- לשטוף את החול עם פתרון 2 O 2 H.
- להוסיף 700 מיליליטר מים דה מיונן להבקבוק עם חול אז למדוד 40 מיליליטר של H 30% 2 O 2 פתרון באמצעות גליל סיים.
- הוסף את 2 O 2 פתרון H לתוך בקבוק עם חול ולנער פעמיים כדי לעזור ערבוב. ואז להוסיף עוד 40 מיליליטר של H 30% 2 O 2 פתרון 3 פעמים עד שיש כולל H 2 O 2 מיליליטר 160 בבקבוק.
- Shake ומערבבים את הפתרון וחול בכל פעם ולהשאיר את פתרון H 2 O 2 בחול במשך 40 דקות, כדי לאפשר התגובה להסתיים. לנער את הבקבוק ומערבבים את החול עם מוט פלסטיק בכל 10 דקות.
- למזוג את הנוזל עד לכיור ולהפעיל במים ברז למשך 30 שניות.
- יש לשטוף ולייבש את החול.
- יש לשטוף את החול במי דה המיונן לפחות 8 פעמים כדי להיפטר מכל פתרון או שמאלה על פני מוצרי תגובה. לנער ומערבבים היטב כאשר שטיפה.
- שים בקבוק עם חול נשטף לתוך תנור (105 מעלות צלזיוס) במשך 24 שעות לייבוש, ואז לקחת חול מהתנור באמצעותתנור כפפה ולהשאיר בדלפק לשעה 2 לחול להתקרר.
- העבר את החול הנקי לתוך מיכל פלסטיק. סמן את המכל ולמקם אותו במדף מתאים להיות מוכן לשימוש.
3. ניסויי טור
- הכנת פתרון רקע.
- הכן כימיה פתרון רקע מתאימה לניסוי העמודה.
- השתמש 0.1 M HCl ו -0.1 פתרונות M NaOH להתאים את ה- pH ומלח NaCl כדי להשיג כוח יוני מתאים לניסוי הבא.
- בחירת עמודה.
- בחר עמודת כוס בקוטר 2.5 סנטימטר ובאורך 15 סנטימטר לצורך הניסוי הזה (pH: 5 וכוח יוני: 2 מ"מ במחקר הנוכחי). שימוש במסנן רשת פלדה (0.2 מ"מ) משני צידי טור הזכוכית.
- לשטוף את הצינורות מחוברים לעמודה ולמלא עם פתרון רקע (או פתרון MWCNTs עד שסתום 3-דרך לשלוט בסוג של זרימת נוזל (solutio MWCNTsn או פתרון רקע), כפי שמוצג באיור 1.
- רטובה-אריזה של העמודה.
- לשקול את החול הנקי בקנה מידה ולקחת 124 גרם של חול נקי לגודל העמודה הנבחרת.
- השתמש במשאבת peristaltic דיוק גבוה. כייל את המשאבה כדי להשיג 2 מיליליטר / דקה של זרימת נוזל.
- התחל משאבה כדי למלא את העמודה מלמטה עד מפלס המים הוא כמה סנטימטרים מעל תחתית הטור. שים כ 1/10 ה של החול נמדד בכל פעם לתוך הטור אבל לוודא כי רמת החול לא באה מעל פני המים בעמודה. המשך זרימת המים לעמודה ברציפות כדי להישאר מעל לרמת החול.
- סגור את כובע הטור עם רשת מסנן מתאימה לאחר מילוי מלא.
- לאפשר לטור ארוז לזרום במשך שעה לפחות 1. הפרמטרים הבודדים של הטור מצוינים בטבלה 1.
- מבחן Tracer.
- Sעוקצני ניסוי הטור עם מבחן נותב לפני ניסויי פתרון MWCNT.
- לעבור את שסתום 3-בדרך לפתרון נותב (באמצעות נותב צבע מזון בטמפרטורה של 20 מ"ג / ליטר) כדי להתחיל את הניסוי.
- לאסוף את דגימות יצוא מהעמודה בכל 2 דקות (כלומר, 4 מיליליטר / דגימות בכל צינור דגימה) באמצעות אספן החלק המחובר כפי שמוצג באיור 1.
- המשך להזריק את הפתרון נותב ל4.32 נפח נקבובית (כלומר, הפתרון עובר 4.32 פעמים מן השטח הכולל הנקבובית ריק בעמודה ארוזה החול), אשר נקרא גם שלב I של הניסוי.
- לעבור את שסתום 3 כיוונים לזרום פתרון רקע (מים די במקרה של ניסוי נותב) לעוד 4.32 נפח נקבובית.
- הכנת פתרון MWCNT.
- הפוך פתרון MWCNTs, פונקציונליות פוזר על ידי הצבת 15 מ"ג של MWCNTs פונקציונליות בכוס 300 מיליליטר המכילה 200 מיליליטר של תמיסה מימית (עם solutio הרצויכלומר n כימיה, pH 5 ו -2 מ"מ כוח יוני בתנאי הניסוי הנוכחיים) ובאמצעות בדיקה אולטרא סאונד homogenizer להציב בכוס (עם 40% תפוקת חשמל במשך 15 דקות). מערבבים את פתרון MWCNTs התפזר עם עוד 800 מיליליטר של אותה התמיסה מימית כדי להשיג את ריכוז MWCNT של 15 מ"ג / ליטר.
- לבצע ניתוח תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) סריקה של פתרון מניות לגודל והצורה של ננו-החלקיקים לאחר functionalization.
- ניסוי תחבורת MWCNT.
- לעבור את שסתום 3-בדרך לפתרון MWCNT להתחיל ניסוי העמודה.
- לאסוף את דגימות יצוא מהעמודה בכל 2 דקות באמצעות אספן החלק המחובר.
- להזריק את פתרון MWCNT ל4.32 נפח נקבובית (שלב I של הניסוי).
- לעבור את שסתום 3 הכיוונים לזרום פתרון רקע לעוד 4.32 נפח נקבובית, הנקרא שלב II של הניסוי.
- שנה את צינור ההזרקה של backgroפתרון und לתוך בקבוק המים DI (לאחר הפסקת המשאבה לרגע, כדי למנוע הכניסה של אוויר מהצינור) ולהמשיך את הזרימה לעוד 4.32 נפח נקבובית, הנקרא שלב III של הניסוי.
- ניתוח מדגם.
- להעביר את כל דגימות הצינור מחלק לאספן מתלה צינור.
- הכן ספקטרופוטומטר UV / VIS לניתוח מדגם, כלומר, לברר את אורך הגל המתאים לסריקת כימות של הדגימות שנאספו. השתמש 400 nm לפתרון MWCNT ואורך גל 333 ננומטר לפתרון נותב.
- לסרוק את כל הדגימות שנאספו מהעמודה בשלבי I, II, III ובאמצעות קובט באורך גל של 400 ננומטר (או אורך גל שונה, אם כמתאים יותר בשלב הקודם) ולאחסן את הנתונים.
- לאסוף את הנתונים מספקטרופוטומטר ולתכנן אותם לעומת זמן או נפח נקבובית כדי להשיג פריצת דרך עקומות כפי שמוצג בתוצאות הנציג (לדוגמא, איור3).
- לבצע ניתוח גודל (קוטר הידרודינמית) של דגימות יבוא ו יצוא באמצעות סייזר zeta ולנהל ההדמיה למדה בשני קבוצות, יבוא ויצוא באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
השפעה של Functionalization MWCNT
פתרון MWCNT פונקציונליות והתפזר נחתם בכוס כדי לאפשר הפתרון להגיע לשיווי משקל. לא הייתה לא שקיעה ולא הצבירה נצפתה במניית הפתרון לאחר sonication, כקוטר הידרודינמית של MWCNT (1,619 ± 262 ננומטר) בפתרון נשארה אותו הדבר במשך שישה חודשים של sonication (איור 2). כדי לחקור את ההשפעה של functionalization של MWCNTs על הניידות שלהם, שני סטים של ניסויי עמודה נערכו באמצעות שני מלא פונקציונליות ופונקציונלי פחות (כפי שהתקבל מהיצרן) MWCNTs עם תנאי הניסוי מפורטים בטבלה 1. הריכוז היחסי המרבי ( C / C 0) של MWCNTs מלא פונקציונליות היה כ 0.75, ואילו זה של MWCNTs פונקציונליות פחות היה רק 0.65 (איור 3). MWCNTs פונקציונליות פחות התגלו בהשפכים יאוחרו מMWCNTs המלאה פונקציונליות ועקום פריצת הדרך שלהם גם היו מעוות. זה מצביע על כך MWCNTs מלא פונקציונליות היה נייד מאוד ואילו MWCNTs פונקציונליות פחות היו פחות נייד ונשמר בטור.
גם אחרי המצב בשליטה, תהליך functionalization של MWCNT הוא רגיש מאוד ליציבותו בטבע, כמו גם שיעור ההחזקה שלהם בתקשורת הנקבובית בכל ניסויי עמודה. שלוש מניות של MWCNTs פונקציונליות התנהגו אחרת למרות התנאים הכימיים ופיסיים שלהם היו באותו סדר (איור 4). גם הספרות הקודמת דיווחה שיעור ההחזקה מכובד לMWCNTs פונקציונליות ב14,16,20,21 תנאי מעבדה דומים.
תנאי ניסוי במחקרי התחבורה הטור
מחקר טור רווי כללי הודגם לתחבורהשל MWCNTs דרך מרקם ומבנה שונים של התווך הנקבובי. גודל הגרגר הבינוני הוא קריטי להובלת MWCNTs הגלילית בצורה. במחקר זה, שלושה גדלים של חול קוורץ נבחרו להעריך את ההשפעה של גודל גרגר אספן. באופן תיאורטי, כגודל גרגר האספן יורד, עולה יכולת הספיחה המקסימלי שמרמז יותר בתצהיר. בכל שלוש הפצות תבואה הגודל שנבחרו במחקר זה, ריכוז השפכים עלה באופן חד בשיעור זהה עד שהגיע כרכים נקבוביות 1.5 אבל סך הכל eluted MWCNTs היה יחסית פחות לגודל גרגר עדין (איור 5).
שמירת MWCNTs עקב זרימת תבנית
בספרות, זה כבר נקבע עוד כי חלקיקים כדוריים יכולים להיות פחות נייד לנוזלים זז לאט דרך תווך נקבובי. חלק מהמחקרים מבוססים על MWCNTs גם באותו המסלול עם פחות ניידות של nanoparti הגלילי אלהcles בספיקות נמוכות 14,16,22. כדוגמא, את ההשפעה של דפוס הזרימה על ההובלה של MWCNTs פונקציונליות כמו גם remobilization הודגמה במחקרי עמודת 1-D. שלושה סטים של ניסויי עמודה נערכו כדי לחקור את ההשפעה של קצב זרימה על ניידות ושימור של MWCNTs בתווך נקבובי רווי (איור 6). למהירות הגבוהה ביותר נקבוביות-המים (15.5 מ '/ ד), הריכוז היחסי של MWCNTs בשפכים גדל במהירות והגיע לערך מרבי (0.77 בשלב 1). ואז, אחרי influent הוחלפה לפתרון רקע, ריכוז ירד ללא tailing (שלב 2). מים די היה בשימוש לremobilize MWCNTs העודפים. כתוצאה מכך, החלק מMWCNTs הופקד היה מחדש התגייס בפתרון השפכים (שלב 3). במהירויות נמוכות, 5.15 מ 'ו1.17 / d, ריכוזי MWCNT שפכים גדלו לאט ובריכוז מצב יציב לא הושג תוך 4.32 כרכים נקבוביות של MW הזרקת CNT לתוך הטור. הריכוזים יחסי המרביים היו 0.73 ו0.44, בהתאמה (איור 6).
סקירת איור 1. הגדרת ניסוי טור להובלת ננו-חלקיקי בתווך נקבובי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. מבחן יציבות של צינורות פחמן פונקציונליות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
s / ftp_upload / 52,634 / 52634fig3.jpg "/>
3. MWCNTs-שונה Surface איור eluted מהעמודה (בשלבי 1, 2, ו -3) ארוז עם חול גס לתנאי ניסוי של כוח יוני: 2 מ"מ; pH: 5; וקצב זרימה: 15.5 מ '/ ד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4. דוגמאות של עקומות פריצת הדרך לMWCNTs eluted פונקציונליות בשלוש קבוצות שונות באותו מצב ניסיוני. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
4fig5.jpg "/>
MWCNTs 5. איור eluted מהעמודה (בשלבים 1, 2, ו -3) לגודל גרגר תווך נקבובי שונה לתנאי ניסוי של כוח יוני: 2 מ"מ; pH: 5; וקצב זרימה: 15.5 מ '/ ד. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 6. MWCNTs eluted מהעמודה (בשלבים 1, 2, ו -3) לספיקות שונות לתנאי ניסוי של כוח יוני: 2 מ"מ; pH: 5; וגודל חול:. 300 מיקרומטר אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
| pH כוח יוני (מ"מ) | גודל גרגר (מיקרומטר) | שיעור זרימה (מיליליטר / דקה) | מהירות מים נקבוביות (מ '/ יום) | |
| 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 |
סיכום 1. טבלה של תנאי ניסוי לניסויי עמודה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
השפעה של Functionalization MWCNT
כאיור 2 מאשר את היציבות של MWCNTs פונקציונליות, ההבדל שנצפה בנפח eluted של MWCNT נבע functionalization ובעיקר בשל התוספת של carboxyl (-COOH) קבוצות אל פני השטח של MWCNTs (איורים 3 ו -4). בתהליך functionalization דומה, נוכחות החמצן אושרה על ידי ספקטרוסקופיה photoelectron X-ray 14. זה כבר נמצא קודם לכן כי התוספת של חומרים פעילי שטח למשטחי ננו-חלקיקים מייצבת ההשעיה שלהם ומפחיתה את ההצטברות 23. על פי מחקרים עצמאיים אחרים, צבירה מהעדר מחסומי אנרגיה בין החלקיקים מגדילה את שיעור הגודל ותצהיר של אגרגטים ננו-חלקיקים ותורמת להתרחשותן של מאמץ הפיזי 18,23-25. לכן, צבירה עשויה הגדילו את deposition ושימור של MWCNTs פחות פונקציונליות (יותר הידרופובי) במחקר זה. הוכח כי השמירה של קולואידים הידרופובי בתווך נקבובי גבוהה יותר מזה של קולואידים הידרופילי, ומוצקים-מים וממשקי אוויר-מים-מוצקים הם הציעו כאתר הראשי של בתצהיר 24,26,27. בנוסף, השמירה של חלקיקים עולה עם הידרופוביות משטח 28, אשר מסכימה עם התצפיות ניסיוניות הנוכחיות, מאז MWCNTs פחות פונקציונליות הם הידרופובי יותר בהשוואה לMWCNTs (מלא) פונקציונליות. אבל היקף functionalization של MWCNTs הוא שיטה ספציפית, שעוקב אחריו במעבדה, אשר יכול לייצר תוצאה שגויה במהלך לימודי עמודה לחיזוי מדויק של ננו-חלקיקים מועברים בתווך הנקבובי.
תנאי ניסוי במחקרי התחבורה הטור
כפתרון הכימיה הייתה זהה בכל שלושת המקרים בfigurדואר 5, מאמץ פיזי צריך להסביר את ההבדלים בתצהיר בין שלושה ניסויים אלו. ברדפורד et al. 29 מצא כי דגנים לדגנים מתאמצים מתרחש בדרך כלל כאשר היחס של קוטר חלקיקים בקוטר אספן גדול מ0.05. עם זאת, במחקר אחר, ברדפורד et al. 30 מצא שמאמץ כזה יכול לקרות כאשר היחס הוא נמוך כמו 0.003. מאז MWCNTs הם חלקיקים גליליים, היחס היה מחושב פעמיים בשתי קוטר חלקיקים ואורך. במחקר קודם על MWCNTs, Liu et al. 16 מצא כי הערך הקריטי עבור MWCNTs היה 0.003 מיקרומטר לקוטר ו0.011 ננומטר עבור אורך ליזום המאמץ הפיזי. כמפורט על ידי היצרן, האורך הממוצע והקוטר של MWCNTs שימש במחקר זה היו 15 מיקרומטר ו -40 nm, בהתאמה. שימוש בערכים אלה, היחסים של אורך MWCNT לקוטר גרגר חול הם מעל הערך הקריטי עבור כל החולות (0.05, 0.07 ו -0.1), but היחסים של קוטר MWCNT לקוטר גרגר חול הם כל מתחת לערך הקריטי (.00013, .00018 ו.00027), בהשוואה למחקרים קודמים 22. Mattison et al. 14 הציע כי מאמץ יכול להיות אחד המנגנונים העיקריים כאשר הכוח היוני הוא נמוך. במחקר זה, מסת MWCNTs שפכים (משלבי 1 ו -2) מראה כי גדלי גרגר גדולים הובילו לפחות בתצהיר. זה עשוי להצביע על כך יותר MWCNTs היו מתוח עבור גדלי גרגר חול קטנים יותר. ההבדלים בסך של שימור חלקיקים בגדלים שונים תבואה צריכים להיות לפחות בחלקו להסבר על ידי הבדלים במאמץ תבואה לתבואה, אבל זה לא יכול להיות הסיבה היחידה במהלך לימודי תחבורת עמודה. אז מחקר תחבורת טור מבוסס היטב תוך שימוש במגוון של גדלי גרגר תווך נקבוביים הוא חשוב להשוואה של מחקרים דומים שנערכו בספרות שונה וליישומם של ממצאים בשטח.
שמירת MWCNTs עקב זרימת תבנית
הווריאציה בקצב זרימה במהלך כל לימודי טור יכולה להיות קריטית מאוד ללימודי תחבורת ננו-חלקיקים. הדוגמה להשפעה זו הודגמה במחקר זה, כמו גם בהשוואה למחקרים דומים אחרים בet al שארמה. 22. איור 6 הראו כי הניידות של MWCNTs הייתה תלויה מאוד על קצב זרימה, כלומר, ההחזקה גבוהה יותר עם ירידה בקצב זרימה , אשר עולה בקנה אחד עם מחקרים קודמים 14,16. ההשפעה של זרימת וריאציה במחקרי תחבורת MWCNT כבר דנה בet al שארמה. 22. בדומה לכך המחקר מדגיש את החשיבות של דפוס זרימה בניסויי תחבורת עמודה בנוסף למאפיינים של הכימיה ננו-חלקיקים ופתרון רקע המשטח, כמו תנודות ושינוי בדפוס זרימה נפוצות בטבע שיכול גם להשפיע על התחבורה ושימור של MWCNTs דרך קרקע ומי תהום.
<p class => השלכות מעשיות "jove_content"ניתן להסיק ממחקר זה כי functionalization של MWCNT היא תהליך חשוב להבין את הגורל והובלה של MWCNT בתווך נקבובי. הצעדים שננקטו במהלך תהליך שינוי פני השטח על MWCNT יכולים להיות קריטיים לשמירה הכוללת של חלקיקים אלה במהלך לימודי טור כפי שהודגם במחקר זה ונצפה גם בספרות. לכן, הנחיה מתועדת היטב של שינוי של MWCNT פני השטח היא הכרחית על מנת להשוות את ההשפעה של פרמטרים פיסיקליים וכימיים להערכה נכונה של תחבורה ושימור של חלקיקים אלה בנקבוביות קרקע. הצעדים שיטתיים המיושמת במחקר זה במהלך תקופת ההכנה של ניסוי עמודת חול ארוז יכולים עוד להיות שימושיים עבור מחקרים בקנה מידה מעבדה מבוקרים היטב להערכת תחבורת ננו-חלקיקים ולהיות דומה ליישום בקנה מידה גדול של ממצאים כאלה.
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 |
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. , McGraw-Hill Companies. The Blacklick, OH. (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).
