Molecular dynamics simulations were used to study the removal of Cd(II) as a heavy metal from wastewater using armchair carbon nanotube, boron nitride nanotube and silicon carbide nanotubes under applied electric field. The system contains an aqueous solution of $CdCl_2$ as a heavy metal and a (7,7) nanotube as a nanostructured membrane, embedded in a silicon nitride membrane. An external electric field was applied to the considered system for the removal of $Cd^{2+}$ through nanotubes. The simulation results show that in the same conditions, considered armchair nanotubes were capable to remove $Cd^{2+}$ from wastewater with different ratios. Our results reveal that the removal of heavy metals ions through armchair carbon, boron nitride and silicon carbide nanotubes was attributed to the applied electric field. The selective removal phenomenon is explained with the calculation of potential of mean force. Therefore, the investigated systems can be recommended as a model for the water treatment.
This paper explores the use of a variety of carbon nanoparticles to impart electrical, thermal conductivity, good frictional properties to silicon nitride matrices. We used the highly promising types of carbon as carbon nanotubes, exfoliated graphene and carbon black nanograins. A high-efficiency attritor mill has also been used for proper dispersion of second phases in the matrix. The sintered silicon nitride composites retained the mechanical robustness of the original systems. Bending strength as high as 700 MPa was maintained and an electrical conductivity of 10 S/m was achieved in the case of 3 wt% multiwall carbon nanotube addition. Electrically conductive silicon nitride ceramics were realized by using carbon nanophases. Examples of these systems, methods of fabrication, electrical percolation, mechanical, thermal and tribological properties are discussed.
The study to give electrical conductivity by dispersing carbon nanotubes (CNT) into silicon nitride ($Si_3N_4$) ceramics has been carried out in recent years. However, the density and the strength of $Si_3N_4$ ceramics were degraded and CNTs disappeared after firing at high temperatures because CNTs prevent $Si_3N_4$ from densification and there is a possibility that CNTs react with $Si_3N_4$ or $SiO_2$. In order to suppress the reaction and the disappearance of CNTs, lower temperature densification is needed. In this study, $HfO_2$ and $TiO_2$ was added to $Si_3N_4-Y_2O_3-Al_2O_3$-AlN system to fabricate CNT-dispersed $Si_3N_4$ ceramics at lower temperatures. $HfO_2$ promotes the densification of $Si_3N_4$ and prevents CNT from disappearance. As a result, the sample by adding $HfO_2$ and $TiO_2$ fired at lower temperatures showed higher electrical conductivity and higher bending strength. It was also shown that the mechanical and electrical properties depended on the quantity of the added CNTs.
In-situ observations of nano-scale behavior of nanomaterials are very important to understand onthe nano-scale phenomena associated with phase change, atomic movement, electrical or optical properties, and even reactions which take place in gas or liquid phases. We have developed on the in-situ experimental technologies of nano-materials (nano-cluster, nanowire, carbon nanotube, and graphene, et al.) and their interactions (percolation of metal nanoclusters, inter-diffusion, metal contacts and phase changes in nanowire devices, formation of solid nano-pores, melting behavior of isolated nano-metal in a nano-cup, et al.) by nano-discovery membrane platform [1-4]. Between two microelectrodes on a silicon nitride membrane platform, electrical percolations of metal nano-clusters are observed with nano-structures of deposited clusters. Their in-situ monitoring can make percolation devices of different conductance, nanoclusters based memory devices, and surface plasmonic enhancement devices, et al. As basic evidence on the phase change memory, phase change behaviors of nanowire devices are observed at a nano-scale.
The processing and characterization of ceramic nanocomposites, which produce bulk nanostructures with attractive mechanical properties, have been emphasized and introduced at Prof. Mukherjee's Lab at UC Davis. The following subjects will be introduced in detail in Part II, III, and IV. In Part II, the paper will describe a three-phase alumina-based nanoceramic composite demonstrating superplasticity at a surprisingly lower temperature and higher strain rate. The next part will show that an alumina-carbon nanotube-niobium nanocomposite produced fracture toughness values that are three times higher than that of pure nanocrystalline alumina. It was possible to take advantage of both fiber-toughening and ductile-metal toughening in this investigation. In the fourth section, discussed will be a silicon-nitride/silicon-carbide nanocomposite, produced by pyrolysis of liquid polymer precursors, demonstrating one of the lowest creep rates reported so far in ceramics at the comparable temperature of $1400^{\circ}C$. This was first achieved by avoiding the oxynitride glass phase at the intergrain boundaries. One important factor in the processing of these nanocomposites was the use of the electrical field assisted sintering method. This allowed the sintering to be completed at significantly lower temperatures and during much shorter times. These improvements in mechanical properties will be discussed in the context of the results from the microstructural investigations.
In the Linford group at Brigham Young University we have recently developed three new sets of materials for three different areas of separations science: thin layer chromatography (TLC), high performance liquid chromatography (HPLC), and solid phase microextraction (SPME). First, via microfabrication we have grown patterned carbon nanotube (CNT) forests on planar substrates that we have infiltrated with inorganic materials such as silicon nitride. The coatings on the CNTs are conformal and typically deposited in a process like low pressure chemical vapor deposition. The resulting materials have high surface areas, are porous, and function as effective separation devices, where separations on our new TLC plates are typically significantly faster than on conventional devices. Second, we used the layer-by-layer (electrostatically driven) deposition of poly (allylamine) and nanodiamond onto carbonized poly (divinylbenzene) microspheres to create superficially porous particles for HPLC. Many interesting classes of molecules have been separated with these particles, including various cannabinoids, pesticides, tricyclic antidepressants, etc. Third, we have developed new materials for SPME by sputtering silicon onto cylindrical fiber substrates in a way that creates shadowing of the incoming flux so that materials with high porosity are obtained. These materials are currently outperforming their commercial counterparts. Throughout this work, the new materials we have made have been characterized by X-ray photoelectron spectroscopy, time-of-flight secondary ion mass spectrometry, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, etc.
The design theory for nanoporous filtration membranes needs to be established. The present study shows that the performance and technical advancement of nanoporous filtration membranes are determined by the fundamental parameter I (in the unit Watt1/2) which is formulated as a function of the shear strength of the liquid-pore wall interface, the radius of the filtration pore, the membrane thickness, and the bulk dynamic viscosity of the flowing liquid. This parameter determines the critical power loss on a single filtration pore for initiating the wall slippage, which is important for the flux of the membrane. It also relates the membrane permeability to the power cost by the filtration pore. It is shown that for biological cellular membranes its values are on the scale 1.0E-8Watt1/2, for mono-layer graphene membranes its values are on the scale 1.0E-9Watt1/2, and for nanoporous membranes made of silica, silicon nitride or silicon carbonized its values are on the scale 1.0E-5Watt1/2. The scale of the value of this parameter directly measures the level of the performance of a nanoporous filtration membrane. The carbon nanotube membrane has the similar performance with biological cellular membranes, as it also has the value of I on the scale 1.0E-8Watt1/2.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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