Föreläsning på Grundvattendagarna 2013

1. Transport av nanokoltuber i mark- och
mark
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

2. Innehåll
Bakgrund
 Nanopartiklar nanokoltuber
Nanopartiklar,
 Transport i mark & grundvatten
Transportexperiment i lab
 F kt
Faktorer som påverkar
å k
 Mättade & omättade zonen
Summering
2

3. Speciella egenskaper
Material
Youngs
g
modul
(GPa)
Brottgräns
(GPa)
Densitet
(g/cm3)
Enkelväggs
E k l ä
nanokoltub
1054
150
1,4
14
Multiväggs
gg
nanokoltub
1200
150
2,6
,
Diamant
600
130
3,5
Kevlar
186
3,6
7,8
Stål
208
1,0
7,8
Trä
Tä
16
0,008
0 008
0,6
06
 Nano partiklar har
Nano-partiklar
extremt stor yta per
viktenhet!
 Exempel på vanliga
nanopartikelmaterial:
C, Si, TiO, Ag, Fe, m.m.
 Nanokoltuber har
speciella egenskaper i
många avseenden – bla
materialstyrka
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube

4. Användning av nanokoltuber
Exempel på produkter:
Sportutrustning
Elektronik
Optik
Batterier
Kosmetika
Kläder
Årlig produktion av nanokoltuber:
2008: 390 ton
2009: 1500 ton
2010: 3400 ton
2015: 9400 ton
Källa:
http://www10.nanotechcafe.com/nbc/articles/1/9
24281/Global-Nano-Carbon-Production-ValueReach-Nearly-$1.3-Billion-by-2015

5. nanokoltuber i vattenlösning
2mg Nanokoltuber,
aggregerade
g
,
2mg Nanokoltuber,
suspenderade
g
g
 Stabil lösning fås tex genom att
tillföra akustisk energi (“sonication”)
- Här 6 mån efter sonication

6. Transport av nanopartiklar
 Transporteras
med vattnet
 Kan utgöra
förorening
 Kan bära
föroreningar
 Kan reagera
 Filtreringsmekanismer
avgörande för
transport
Bild: Sharma, 2012

7. Fastläggning
 Balans mellan
elektrostatiska & van der
Waals-krafter
aa s a te
 Beror av bla vattenkemi
y
g
& ytladdning
 Stark bindning i primärt
energiminimum
 Svag bindning i
sekundärt energiminimum

8. Silning, deposition luft vattenyta
Silning deposition, luft-vattenyta
 Beror av bla por- och porhals-storlekar
porhals-storlekar,
flödeshastighet, vattenhalt

9. Experimentuppställning
täll i
 Kolonnexperiment
för att undersöka
transporten av
nanokoltuber under
olika förhållanden
 Vattenmättade &
omättade experiment
p
Mekonen, Sharma
& Fagerlund (2013)

10. Vattenmättade experiment
Experiment
nr.
pH
Exp.
Exp A
Exp. B
Exp. C
Exp. D
Exp. E
Exp. F
p
Exp. G
Exp. H
Exp.
Exp I
Exp. J
Exp. K
Exp.
E L
Exp. M
5
7
10
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
Jon
Jonstyrka
(mM)
2
2
2
0.1
3
4
5
8
10
2
2
2
2
Korn
KornFlöde
storlek
(mL/min)
(µm)
300
2
300
2
300
2
300
2
300
2
300
2
300
2
300
2
300
2
211
2
150
2
300
0.66
0 66
300
0.22
Bao, Sharma & Fagerlund (2013)
Vatten
hastighet
(m/day)
15.5
15 5
15.5
15.5
15.5
15.5
15.5
15.5
15.5
15.5
15 5
15.5
15.5
5.17
5 17
1.71
Zeta
potentiala
(mV)
-42.75±2.54
42 75±2 54
-49.42±1.66
-50.88±1.34
-48.13±2.41
-36.22±1.47
-35.47±0.88
-35.15±1.06
-34.88±1.51
-36.99±2.51
-36 99±2 51
-42.75±2.54
-42.75±2.54
-42.75±2.54
42 75 2 54
-42.75±2.54
Zeta
potentialb
(mV)
-46.33±0.24
46 33±0 24
-51.96±0.51
-50.05±0.44
-50.12±0.67
N.A.
N.A.
N.A.
N.A.
-44.56±0.45
-44 56±0 45
-46.33±0.24
-46.33±0.24
-46.33±0.24
46 33 0 24
-46.33±0.24

11. pH
 3 faser:
1. partikellösning
2. bakgrunds
2 bakgrundslösning
3. avjonat vatten
j
 Viss retention
jämfört med
spårämne
 Något mer &
starkare
fastläggning vid
lägre pH

12. Jonstyrka
 Nästan alla
partiklar filtreras
vid jonstyrka >
4mM
 Gränsvärde för
jonstyrka mellan
3 & 4 mM
B
Bara viss rei
mobilisering då
jonstyrkan sänks
(fas 3)

13. Sandens kornstorlek
 Mindre
kornstorlek ger
g
mer filtrering
 Skillnad mellan
fin och grov sand
ändå relativt liten

14. Omättade experiment
Exp.
nr
Medelkornstorlek
Negativt
vattentryck
1
(m)
300
(-cm H2O)
0
2
300
10
2.5
3
300
25
4
300
5
Flöde
Vattenhastighet
(mL/ min) (cm/min)
2.5
0.32
Vattenmättnad
MWCNT Vattenfilm-potential tjockleka
(%)
100
(mV)
‐45.42
(m)
‐
0.45
70.06
‐45.42
20.35
2.5
0.88
35.91
‐45.42
11.217
40
2.5
1.7
18.59
‐45.42
5.209
300
25
1.5
0.65
28.98
‐45.42
8.17
6
300
25
0.5
0.23
27.72
‐45.42
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

15. Vattenmättnad
VattenV tt
mättnad
100 %
40 %
16 %
 Åtminstone ner
till 16% har
vattenmättnaden
obetydlig påverkan
på filt i
å filtrering
Vattenmättade porvolymer
atte ättade po o y e

16. Flödeshastighet
 Kombination av
låg flödeshastighet
& låg vattenhalt
ger filtrering
Tunn vattenfilm +
låg kinetisk
lå ki ti k energi
i
hos partiklarna
behövs för
retention

17. Summering
 Användningen av nanopartiklar i olika nanoteknologiska
applikationer ökar kraftigt
 Fö att bedöma risker måste fö
För
b dö
i k
å
förutsättningar fö spridning i
ä i
för
id i
mark och grundvatten utredas
 Transporten av nanopartiklar beror av bla:
 markegenskaper partikelegenskaper & vattenkemi
markegenskaper,
 Flera olika filtreringsmekanismer finns
 För transport av nanokoltuber är jonstyrkan avgörande
 En kombination av låg vattenhalt & låg strömningshastighet
ökade retentionen av nanokoltuber vid omättade förhållanden
17