Análisis de la estabilidad de nanotubos de carbono en función de la composición química del agua

Abstract

"El estudio de nanotubos de carbono en agua se ha tornado relevante en los últimos años. No obstante, a la fecha, no existen estudios que analicen la estabilidad de los NTC en diferentes tipos de agua. Por tal motivo, se investigó sistemáticamente la estabilidad de los nanotubos de carbono en agua en función de la composición química del agua. Para dicho efecto, se sintetizaron nanotubos de carbono de pared múltiple mediante la técnica de depósito químico de vapor. Dichos nanotubos se suspendieron en soluciones de ácido tánico (a 10 diferentes concentraciones: 0-500 mg/L), en soluciones acuosas de Ca2+, Mg2+ o Na+ (a 6 diferentes concentraciones: 0-160 mg/L) y en modelos de aguas reconstituidas (carbonatadas-cálcicas, carbonatadas-sódicas, sulfatadas-magnésicas y cloruradas-sódicas). Para los dos últimos experimentos, los nanotubos de carbono se suspendieron, previamente, en 3 diferentes surfactantes (aniónico: SDS; no iónico: Tx-100 y catiónico: CTAB) a fin de simular la entrada de nanotubos de carbono comerciales a un sistema acuoso. En todos los casos, se determinó la estabilidad de los nanotubos de carbono en agua por espectroscopia Uv-Vis a 800 nm. Los resultados mostraron que el ácido tánico es capaz de estabilizar nanotubos de carbono en agua a partir de los 10 mg/L. No obstante, la estabilidad de los nanotubos de carbono decrece en presencia de los cationes mayoritarios del agua (Na2+>Ca2+≥Mg2+), disminución que es mayor para los NTC suspendidos en CTAB. En los modelos de aguas reconstituidas, la estabilidad de los nanotubos de carbono se mantiene en aguas de tipo carbonatadas-cálcicas, decrece en aguas de tipo carbonatadas-sódicas, y cloruradas-sódicas y decae en aguas de tipo sulfatadas-magnésicas. Es decir, en modelos de agua de tipo sulfatadasmagnésicas, los nanotubos de carbono sedimentan, mientras en modelos de agua tipo carbonatadas-sódicas y cloruradas-sódicas los nanotubos de carbono se mantienen, parcialmente en la columna de agua. Por otro lado, en las que aguas carbonatadas-cálcicas los nanotubos tienden a mantenerse en suspensión. Adicionalmente, observamos que los nanotubos de carbono que son añadidos a los sistemas acuosos suspendidos en surfactantes aniónicos tienden a ser más estables en el agua que los añadidos en surfactantes no iónicos y catiónicos, mostrando un comportamiento intermedio en surfactantes no iónicos y sedimentación en surfactantes catiónicos. En conclusión, los resultados de esta tesis sugieren que el carbono orgánico disuelto en aguas naturales puede ser capaz de suspender nanotubos de carbono en la columna de agua, mientras que los cationes (y los aniones mayoritarios en el caso de surfactantes catiónicos) tienden a sedimentar los nanotubos de carbono que entran al agua, sobretodo en la presencia de surfactantes de tipo catiónico. Este es uno de los primeros trabajos donde se estudia la estabilidad de nanotubos de carbono en soluciones acuosas, obteniendo resultados que ayudaran al entendimiento del papel de la composición química del agua, en el transporte y comportamiento de nanotubos de carbono en posibles escenarios ambientales. Adicionalmente, se produjo nanotubos de carbono dopados con nitrógeno (NTCDN) usando como catalizador el suelo Leptosol proveniente de la Sierra Álvarez en San Luis Potosí, para que en un futuro se estudie la estabilidad de este tipo de nanomateriales de carbono en función de la composición química del agua."

"The study of carbon nanotubes in water has become relevant in recent years. Currently, no studies analyzing the stability of carbon nanotubes in different types of water are available in the literature. For this reason, the stability of carbon nanotubes in water was systematically investigated as a function of water chemical composition. For doing so, multiple wall carbon nanotubes were synthesized by the chemical vapor deposition technique. Nanotubes were suspended in solutions of tannic acid (at 10 different concentrations: 0-500 mg / L), in aqueous solutions of Ca2+, Mg2+ or Na+ (at 6 different concentrations: 0-160 mg / L) and in reconstituted water models (carbonated-calcium, carbonated-sodium, sulfated-magnesium and chlorinated-sodium). For the last two experiments, carbon nanotubes were previously suspended in 3 different surfactants (anionic: SDS; non-ionic: Tx-100 and cationic: CTAB) in order to simulate the input of commercial carbon nanotubes into aqueous systems. In all cases, the stability of carbon nanotubes in water was determined by Uv-Vis spectroscopy at 800 nm. Results from this study showed that tannic acid stabilizes carbon nanotubes in water at 10 mg/L. On the other hand, carbon nanotube stability decreases in the presence of major cations (Na+> Ca2+ ≥Mg2+), decrease that is greater for NTCs suspended in CTAB. In reconstituted water models, carbon nanotube stability remains in carbonate calcium water, decreases in carbonate sodium and chloride sodium water and decays in sulfate magnesium water That is, in sulfate magnesium water, carbon nanotubes settle, while in carbonate sodium and chloride sodium water carbon nanotubes partially remain in suspension in the water column. In carbonate calcium water, carbon nanotubes tend to remain in suspension. Additionally, we observed that when carbon nanotubes were input to aqueous systems suspended in anionic surfactants, they tend to be more stable in water than when they are input suspended in no-ionic and cationic surfactants. In conclusion, the results from this thesis suggest that dissolved organic carbon in natural waters may be able to suspend carbon nanotubes in the water column, while major water cations tend to sediment carbon nanotubes, especially when they enter aqueous systems suspended in cationic surfactants. The results of this work contribute to understanding the behavior of carbon nanotubes in aqueous environmental matrices, where studies are very scarce. Additionally, carbon nanotubes doped with nitrogen were also produced using as a catalyst a Leptosol from the Sierra Álvarez in San Luis Potosí, which will be studied later to determine its stability depending on the chemical composition of the water."