Transport av nanokoltuber i mark ochTransport av nanokoltuber i mark- och grundvatten

Fritjof Fagerlund, Prabhakar Sharma, Abenezer Mekonen & Dixiao Bao

Luft-, Vatten- och Landskapslära, Institutionen för Geovetenskaper, Uppsala Universitet

Kontakt: fritjof.fagerlund@geo.uu.se 1

InnehållInnehåll

Bakgrund Nanopartiklar nanokoltuber Nanopartiklar, nanokoltuber Transport i mark & grundvatten

Transportexperiment i labF kt å k Faktorer som påverkar

Mättade & omättade zonenSummering

2

Speciella egenskaperSpeciella egenskaperMaterial Youngs Brott- Densitet Nano partiklar harg

modul(GPa)

gräns(GPa)

(g/cm3)

E k l ä 1054 150 1 4

Nano-partiklar harextremt stor yta per viktenhet!Enkelväggs

nanokoltub1054 150 1,4

Multiväggs 1200 150 2,6 Exempel på vanligananopartikelmaterial:gg

nanokoltub,

Diamant 600 130 3,5C, Si, TiO, Ag, Fe, m.m. Nanokoltuber har

Kevlar 186 3,6 7,8Stål 208 1,0 7,8T ä 16 0 008 0 6

speciella egenskaper imånga avseenden – blamaterialstyrkaTrä 16 0,008 0,6 materialstyrka

http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube

Användning av nanokoltuberAnvändning av nanokoltuber

Sportutrustning 2008: 390 ton

Årlig produktion av nanokoltuber:Exempel på produkter:

SportutrustningElektronikOptikBatterier

2008: 390 ton2009: 1500 ton2010: 3400 ton2015: 9400 tonBatterier

KosmetikaKläder

2015: 9400 ton

Källa: http://www10.nanotechcafe.com/nbc/articles/1/924281/Global-Nano-Carbon-Production-Value-Reach-Nearly-$1.3-Billion-by-2015

nanokoltuber i vattenlösningnanokoltuber i vattenlösning

2mg Nanokoltuber, 2mg Nanokoltuber,2mg Nanokoltuber,aggregerade

g ,suspenderade

Stabil lösning fås tex genom attg gtillföra akustisk energi (“sonication”)- Här 6 mån efter sonication

Transport av nanopartiklarTransport av nanopartiklar

Transporteras med vattnet Kan utgöra förorening Kan bära föroreningar Kan reagera Filtrerings-mekanismer avgörande för transporttransport

Bild: Sharma, 2012

FastläggningFastläggning

Balans mellan Balans mellan elektrostatiska & van der Waals-krafteraa s a te Beror av bla vattenkemi & ytladdningy g Stark bindning i primärt energiminimum Svag bindning i sekundärt energiminimum

Silning deposition luft-vattenytaSilning, deposition, luft vattenyta

Beror av bla por- och porhals-storlekar Beror av bla por- och porhals-storlekar, flödeshastighet, vattenhalt

Experiment-täll iuppställning

Kolonnexperiment Kolonnexperimentför att undersökatransporten avtransporten avnanokoltuber under olika förhållanden Vattenmättade & omättade experimentp

Mekonen, Sharma & Fagerlund (2013)

Vattenmättade experimentVattenmättade experimentJon- Korn- Vatten Zeta Zeta

Experiment nr.

pHJon

styrka(mM)

Kornstorlek(µm)

Flöde(mL/min)

Vattenhastighet(m/day)

Zeta potentiala

(mV)

Zeta potentialb

(mV)Exp A 5 2 300 2 15 5 42 75±2 54 46 33±0 24Exp. A 5 2 300 2 15.5 -42.75±2.54 -46.33±0.24Exp. B 7 2 300 2 15.5 -49.42±1.66 -51.96±0.51Exp. C 10 2 300 2 15.5 -50.88±1.34 -50.05±0.44Exp. D 5 0.1 300 2 15.5 -48.13±2.41 -50.12±0.67Exp. E 5 3 300 2 15.5 -36.22±1.47 N.A.Exp. F 5 4 300 2 15.5 -35.47±0.88 N.A.pExp. G 5 5 300 2 15.5 -35.15±1.06 N.A.Exp. H 5 8 300 2 15.5 -34.88±1.51 N.A.Exp I 5 10 300 2 15 5 -36 99±2 51 -44 56±0 45Exp. I 5 10 300 2 15.5 -36.99±2.51 -44.56±0.45Exp. J 5 2 211 2 15.5 -42.75±2.54 -46.33±0.24Exp. K 5 2 150 2 15.5 -42.75±2.54 -46.33±0.24E L 5 2 300 0 66 5 17 42 75 2 54 46 33 0 24Exp. L 5 2 300 0.66 5.17 -42.75±2.54 -46.33±0.24Exp. M 5 2 300 0.22 1.71 -42.75±2.54 -46.33±0.24

Bao, Sharma & Fagerlund (2013)

pHpH 3 faser: 3 faser:1. partikellösning2 bakgrunds-2. bakgrundslösning3. avjonat vattenj Viss retention jämfört med spårämne

Något mer & starkare fastläggning vid lägre pHlägre pH

JonstyrkaJonstyrka

Nästan allaNästan alla partiklar filtreras vid jonstyrka > 4mM Gränsvärde för jonstyrka mellan 3 & 4 mM

B i Bara viss re-mobilisering då jonstyrkan sänksjonstyrkan sänks (fas 3)

Sandens kornstorlekSandens kornstorlek

Mindre kornstorlek ger gmer filtrering Skillnad mellan fin och grov sand ändå relativt liten

Omättade experimentMedel- Negativt

Omättade experiment

Exp. nr

Medel-korn-

storlek

Negativtvatten-tryck Flöde

Vatten-hastighet

Vatten-mättnad

MWCNT -potential

Vattenfilm-tjockleka

(m) (-cm H2O) (mL/ min) (cm/min) (%) (mV) (m)1 300 0 2.5 0.32 100 ‐45.42 ‐

2 300 10 2.5 0.45 70.06 ‐45.42 20.35

3 300 25 2.5 0.88 35.91 ‐45.42 11.217

4 300 40 2.5 1.7 18.59 ‐45.42 5.209

5 300 25 1.5 0.65 28.98 ‐45.42 8.17

6 300 25 0.5 0.23 27.72 ‐45.42 7.9646 300 25 0.5 0.23 27.72 45.42 7.964

7 211 29 2.5 0.43 66.91 ‐45.42 20.34

8 150 39 2.5 0.42 68.82 ‐45.42 20.34

9 300 40 2.5 2.1 15.12 ‐47.36 5.209

10 300 40 2.5 1.88 17.01 ‐45.42 5.209

VattenmättnadV tt

Vattenmättnad

100 %

Vatten-mättnad

40 %16 %

Åtminstone ner till 16% har vattenmättnaden obetydlig påverkan å filt i

Vattenmättade porvolymer

på filtrering

atte ättade po o y e

FlödeshastighetFlödeshastighet

Kombination av låg flödeshastighet & låg vattenhalt ger filtrering

Tunn vattenfilm + lå ki ti k ilåg kinetisk energi hos partiklarna behövs förbehövs för retention

SummeringSummering

Användningen av nanopartiklar i olika nanoteknologiska Användningen av nanopartiklar i olika nanoteknologiska applikationer ökar kraftigt

Fö b dö i k å fö ä i fö id i i För att bedöma risker måste förutsättningar för spridning i mark och grundvatten utredas

Transporten av nanopartiklar beror av bla:

markegenskaper partikelegenskaper & vattenkemimarkegenskaper, partikelegenskaper & vattenkemi

Flera olika filtreringsmekanismer finns

För transport av nanokoltuber är jonstyrkan avgörande

En kombination av låg vattenhalt & låg strömningshastighet En kombination av låg vattenhalt & låg strömningshastighet ökade retentionen av nanokoltuber vid omättade förhållanden

17