可変溶液化学条件下でのゼロ価鉄ナノ粒子の安定性と動的凝集

Stability and Dynamic Aggregation of Bare and Stabilized Zero-Valent Iron Nanoparticles under Variable Solution Chemistry.

• Hesham M Ibrahim
• Mohammed Awad
• Abdullah S Al-Farraj
• Ali M Al-Turki

抄録

ナノスケールのゼロ価鉄(nZVI)を高分子安定化剤(カルボキシメチルセルロースナトリウムなど)を用いて表面修飾することで、nZVIの凝集を最小限に抑え、安定性を高め、輸送性を向上させることができる。我々は、pH、イオン強度（IS）、およびnZVI粒子濃度の変化の影響を受けた裸のnZVIとCMC-nZVIの安定性と動的凝集を調査した。nZVIをCMCでコーティングした場合、流体力学的サイズは小さく、ゼータ電位は大きくなった。nZVIの最大の流体力学的サイズは、高IS（100 mM）、ゼロ電荷点（PZC、7.3-7.6）に近いpH、およびより大きな粒子濃度（1.0 g L）での裸のnZVIに関連付けられていました。CMC-nZVIのゼータ電位の増加は、裸のnZVIの1〜4倍に達し、PZCに近いpH値、高IS、およびより大きな粒子濃度でより大きくなった。CMC-nZVIの安定性は、ISが1, 50, 100mMの場合、裸のnZVIと比較して、それぞれ61.8, 93.1, 57.5%増加した。また、Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek (DLVO)相互作用エネルギーの計算は安定性の結果と一致し、低ISではnZVIの安定性を示す実質的なエネルギー障壁が形成されていることを示した。我々の結果は、50mM以上のISと0.1g L以上のnZVI粒子濃度では、nZVIの凝集の可能性が高いことを示唆している。それにもかかわらず、CMC ポリマー安定化剤は、このような不利な溶液化学条件の下でも nZVI の安定性と輸送性を向上させることができます。

Surface modification of nanoscale zero-valent iron (nZVI) using polymer stabilizers (e.g., sodium carboxymethyl cellulose, CMC) is usually used to minimize aggregation, increase stability, and enhance transport of nZVI. We investigated the stability and dynamic aggregation of bare and CMC-nZVI as affected by variations in pH, ionic strength (IS), and nZVI particle concentration. CMC coating of nZVI resulted in smaller hydrodynamic size and larger zeta potential. The largest hydrodynamic size of nZVI was associated with bare nZVI at high IS (100 mM), pH close to the point of zero charge (PZC, 7.3-7.6), and larger particle concentration (1.0 g L). The increase in the zeta potential of CMC-nZVI reached one- to four-fold of that for bare nZVI, and was greater at pH values close to PZC, high IS, and larger particle concentration. The stability of CMC-nZVI was increased by 61.8, 93.1, and 57.5% as compared to that of bare nZVI at IS of 1, 50 and 100 mM, respectively. Calculations of Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek (DLVO) interaction energy were in agreement with stability results, and showed the formation of substantial energy barriers at low IS indicating greater nZVI stability. Our results suggest that at IS above 50 mM and nZVI particle concentration larger than 0.1 g L, the likelihood of nZVI aggregation is high. Nevertheless, CMC polymer stabilizer would enhance the stability and transport of nZVI even under these unfavorable solution chemistry conditions.