Sorption von NOM an Kohlenstoffnanoröhren

Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften - inklusiv ihrer hohen Sorptionsaffinität gegenüber organischen Schadstoffen - haben im Laufe des letzten Jahrzehnts Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) zunehmende Bedeutung gewonnen. Die Produktion von CNTs steigt rasant, so dass diese Materialien unweigerlich in die aquatische Umwelt eingetragen werden. Wechselwirkungen mit natürlichem organischem Material (NOM) werden den Verbleib und das Verhalten von CNTs in der Umwelt beeinflussen. Erstens: NOM kann dazu beitragen, CNTs zu dispergieren. Ein Zusammenhang zwischen der Dispergierung und Sorption wurde als Erklärung für die beobachteten Unterschiede für die verschiedenen Arten von NOM und CNTs diskutiert. Sorptionsstudien von NOM an CNTs ergaben jedoch bisher widersprüchliche Ergebnisse. Die Sorptionsmechanismen sowie die Auswirkungen von NOM auf die CNT-Eigenschaften sind bisher weitgehend unverstanden. Ohne die Einbeziehung der Heterogenität von NOM kann jedoch das Sorptions- und Dispersionsverhalten nicht verstanden werden. Zweitens: NOM kann die außergewöhnliche hohe Sorptionsaffinität von CNTs gegenüber organischen Schadstoffen verringern. Konkurrierende Sorption und pore blocking wurden als Erklärung diskutiert. Bis vor kurzem wurden die Auswirkungen von NOM auf das Dispersions- und Sorptionsverhalten von CNTs nur getrennt untersucht. Unsere Vorarbeiten untersuchten diese beiden Prozesse erstmals gleichzeitig und zeigten, dass die Dispersion eine große Auswirkung auf die Sorptionsaffinität von CNTs hat, und dass der Einfluss von NOM stark vom Dispersionsgrad anhängt. In diesem Projekt wollen wir diese Forschungslücke schließen und systematisch die Sorption von NOM an CNTs, die bevorzugte Sorption von NOM-Fraktionen sowie den Einfluss auf die Sorptionsaffinität gegenüber organischen Schadstoffen untersuchen. Die NOM-Fraktionierung soll für eine Reihe von unterschiedlichen NOM-Typen und CNTs untersucht werden. Umfassende Sorptionsdaten werden mit der detaillierten Charakterisierung der CNTs und NOM-Fraktionen verknüpft. Das Projekt zielt auf ein mechanistisches und quantitatives Verständnis der Wechselwirkungen dieses Drei-Phasen-System ab und erlaubt die Verknüpfung von Prozessen, die bisher nur isoliert untersucht wurden. Das übergeordnete Ziel des Projektes ist es, die Wechselwirkungen zwischen NOM und CNTs zu untersuchen und die Konsequenzen in Bezug auf das Dispersions- und Sorptionsverhalten gegenüber organischen Schadstoffen aufzuklären. Die zentrale Hypothese des Projektes ist es, dass bei der Sorption von NOM an CNT eine Fraktionierung auftritt. Es soll systematisch untersucht werden, welchen Einfluss verschiedene NOM-Eigenschaften und Typen auf deren Sorptionsverhalten an CNTs haben, welchen Einfluss verschiedene CNT-Eigenschaften auf die Sorption von NOM haben, sowie welche Konsequenzen beides zusammen auf die Sorption von organischen Schadstoffen hat.

Im Projekt "Sorption von kohlenstoffhaltigen Materialien an Kohlenstoffnanoröhren" wurden Wechselwirkungen zwischen natürlichen und anthropogenen Stoffen untersucht, die in natürlichen Oberflächengewässern und Böden häufig vorkommen und daher miteinander in Kontakt kommen. Eine Gruppe dieser Stoffe sind kohlenstoffhaltige Materialien. Diese umfassen Materialien unterschiedlicher Herkunft und Anwendung wie beispielsweise Kohlen, Ruß oder Graphit. Aufgrund der Vielfalt der Eintragsquellen sind kohlenstoffhaltige Materialien in der Umwelt nahezu allgegenwärtig. Sobald sie in Oberflächengewässer gelangen, kommen sie unvermeidlich mit natürlichen organischen Substanzen in Kontakt. Natürliche organische Substanzen sind ein komplexes Gemisch von Verbindungen, die hauptsächlich aus der Zersetzung von Pflanzen und tierischen Abfallprodukten stammen und sowohl im aquatischen als auch im terrestrischen System allgegenwärtig sind. Bei der Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen kohlenstoffhaltigen Materialien und natürlichen organischen Substanzen liegt die größte Herausforderung in der Komplexität ihrer Struktur, Zusammensetzung und Oberflächeneigenschaften. Bisher wurde gezeigt, dass natürliche organische Substanzen nicht gleichmäßig an kohlenstoffhaltigen Materialien haften. Es wurde festgestellt, dass bestimmte Fraktionen bevorzugt adsorbiert werden, die vergleichsweise groß sind und eine aromatische Struktur haben. Unsere Studie ergab jedoch, dass die Sorption durch eine deutlich kompliziertere Kombination der Molekülgröße und der chemischen Eigenschaften gesteuert wird. Diese Untersuchung demonstrierte auch die Bedeutung der Oberflächeneigenschaften der kohlenstoffhaltigen Materialien bei Wechselwirkungen mit anderen in der Umwelt vorhandenen Stoffen. Dabei wurden die Wechselwirkungen von Ruß - einem kohlenstoffhaltigen Material, das über den Lufttransport verteilt wird - mit organischen Schadstoffen untersucht. Während des atmosphärischen Transports kann die Rußoberfläche transformiert werden. Diese Transformationen können starke Auswirkungen auf das Verhalten von Ruß haben, wenn dieser in Oberflächengewässer gelangt. Dies schließt beispielsweise dessen Adsorptionsaffinität für organische Schadstoffe ein. Kohlenstoffhaltige Materialien binden normalerweise organische Schadstoffe und beeinflussen deren Transport und Verbleib in der Umwelt. Hier wurde jedoch gezeigt, dass durch die Transformation der Rußoberfläche während seines atmosphärischen Transports seine Fähigkeit, organische Schadstoffe zu sorbieren, abnimmt. Darüber hinaus ergab die Untersuchung, dass die adsorbierten Schadstoffe die Aggregation der kohlenstoffhaltigen Materialien beeinflussen können. Organische Schadstoffe können bewirken, dass Kohlepartikel stärker aggregieren und zusammen größere Cluster bilden. Dies ist ein wichtiges Ergebnis: je größer die Cluster sind, zu denen die Kohlepartikel zusammen mit dem Schadstoff aggregieren, desto geringer ist das Risiko eines unkontrollierten Transports des Schadstoffs in Verbindung mit den Kohlepartikeln im Boden. Dieses Projekt gab aussagekräftige Einblicke in die Wechselwirkungen von kohlenstoffhaltigen Materialien mit natürlichen organischen Substanzen und Schadstoffen in der Umwelt. Die Ergebnisse können auf reale Probleme und Lösungen angewendet werden, z. B. auf die Kontrolle von Kontaminanten.