فقاعات الهواء الموجودة على المواد البلاستيكية تطلق المواد البلاستيكية الدقيقة في الماء

فقاعات الهواء الموجودة على المواد البلاستيكية تطلق المواد البلاستيكية الدقيقة في الماء

يمكن للفقاعات الدقيقة غير المرئية التي تتشكل على المواد البلاستيكية اليومية أن تتخلص من شظايا مجهرية، مما يكشف عن مسار منخفض الطاقة وواسع النطاق للتلوث البلاستيكي الذي يحدث أينما يلتقي الماء بالبلاستيك.

يذاكر:يؤدي التآكل الناجم عن الفقاعات الدقيقة إلى إطلاق المواد البلاستيكية الدقيقة والنانوية في الماء. مصدر الصورة: Ennachii/Shutterstock.com

تشير دراسة جديدة أجراها باحثون في كلية ترينيتي في دبلن، أيرلندا، إلى أن فقاعات الهواء المتكونة على الأسطح البلاستيكية يمكن أن تؤدي إلى تآكل السطح وتفتته، وتؤدي إلى إطلاق مواد بلاستيكية دقيقة ونانوية كانت موجودة سابقًا على السطح ويصعب اكتشافها في الماء. يتم نشر الدراسة في المجلةالتقدم العلمي.

لماذا من المهم فهم المصادر المخفية للجسيمات البلاستيكية الدقيقة؟

تعد المواد البلاستيكية الدقيقة والنانوية (MNPs) من الملوثات الدقيقة المنتشرة على نطاق واسع في البيئات المائية ولها آثار ضارة على البيئة والحياة البرية وصحة الإنسان. ويمكن اكتشاف هذه الملوثات في كل مستوى من مستويات السلسلة الغذائية وحتى في مختلف أعضاء جسم الإنسان. ووفقا للتقديرات الأخيرة، يبتلع الناس ما يصل إلى 90 ألف قطعة من البلاستيك الدقيق سنويا من خلال المياه المعبأة وحدها.

تتميز MNPs بحجم جسيماتها الصغير وخصائص الالتصاق القوية وقدرتها الواضحة على التراكم في الأنسجة البشرية. يرتبط تراكم المواد البلاستيكية الدقيقة في الأنسجة البشرية بزيادة خطر الإصابة بمضاعفات خطيرة في القلب والأوعية الدموية، كما تم ربطه بأمراض التنكس العصبي.

تشير الأدلة الموجودة إلى أن MNPs يتم إطلاقها من الكتل البلاستيكية إلى الماء من خلال التحلل الميكانيكي أو التعرض للأشعة فوق البنفسجية. ومع ذلك، فإن الدراسات التي تدرس تأثير العوامل المائية مثل فقاعات الهواء، ودرجة الحموضة والملوحة على إنتاج MNP غير متوفرة إلى حد كبير، على الرغم من الاتصال الوثيق بين المواد البلاستيكية والمياه في البيئات المائية.

نظرًا للتأثيرات الصحية المحتملة للـ MNPs، من المهم فهم الآليات الكامنة وراء تكوين وإطلاق MNPs من أجل تطوير استراتيجيات تخفيف فعالة. من بين الآليات المختلفة لتوليد MNP، حظي دور فقاعات الهواء باهتمام كبير.

يمكن لفقاعات الهواء، التي تتشكل في الغالب على الأسطح البلاستيكية في ظل ظروف مائية وسطحية مناسبة، أن تفصل الجزيئات السائبة من هذه الأسطح وتحملها إلى الماء. يمكن للفقاعات الصغيرة المرتبطة بالـ MNPs تغيير خصائصها الفيزيائية مثل التوتر السطحي والكثافة وسلوك النقل.

وفيما يتعلق بطريقة العمل، تشير النتائج المتوفرة إلى أن الضغوط الناجمة عن فقاعات الهواء على الأسطح البلاستيكية بسبب الضغط الداخلي يمكن أن تؤدي إلى تشققات السطح. مع أخذ طريقة العمل هذه في الاعتبار، تهدف الدراسة الحالية إلى دراسة دور فقاعات الهواء في توليد MNP على أسطح المواد البلاستيكية النموذجية.

تؤدي الفقاعات الدقيقة إلى تآكل الأسطح البلاستيكية دون الحاجة إلى طاقة خارجية

وجدت الدراسة أن فقاعات الهواء الصغيرة التي تتشكل تلقائيًا عندما تسمح ظروف المياه بذلك على الأسطح البلاستيكية النموذجية يمكن أن تؤدي إلى تآكل عيوب السطح وتحفيز إطلاق MNPs. حدثت هذه الأحداث بشكل مستقل وبالتوازي مع التحلل الميكانيكي بالجملة أو التحلل التأكسدي الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية للأسطح البلاستيكية، بدلاً من استبدال هذه الآليات.

حدث تفتيت الأسطح البلاستيكية الناجم عن فقاعات الهواء على نطاق واسع من درجات الحرارة (25 درجة مئوية إلى 95 درجة مئوية) وفي أنواع مختلفة من المياه، بما في ذلك المياه منزوعة الأيونات، ومياه الصنبور، ومياه الأنهار والبحر، مع ملاحظة إطلاق أسرع وأكثر شمولاً في درجات حرارة مرتفعة.

فيما يتعلق بطريقة العمل، أظهرت الدراسة أن تكوين فقاعات الهواء وتوسيعها وحركتها على الأسطح البلاستيكية تولد ضغوط قص وشعرية محلية قادرة على إذابة وتشويه مادة البوليمر ذات الوزن الجزيئي المنخفض في مواقع العيوب السطحية التي تكون أقل استقرارًا ميكانيكيًا من الجزء الأكبر من البلاستيك، مما يؤدي إلى إطلاق MNPs في الماء.

تختلف آلية توليد MNP عبر فقاعات الهواء عن الآليات الأخرى التي تمت دراستها على نطاق واسع. أثناء التحلل التأكسدي الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية، يلزم تدفق مستمر للفوتونات عالية الطاقة لكسر روابط البوليمر. ويعادل هذا عادةً شهورًا إلى سنوات من ضوء الشمس أو مصابيح المختبرات كثيفة الاستهلاك للطاقة.

وبالمثل، يتطلب التحلل الميكانيكي إمدادات مستمرة من الضغط الخارجي عبر الأمواج أو الرمل أو الطحن الصناعي أو الخلاطات المضطربة لتحطيم هياكل البوليمر.

من ناحية أخرى، تتشكل فقاعات الهواء دون الحاجة إلى حركة ميكانيكية إضافية أو طاقة إشعاعية بمجرد استيفاء الظروف المناسبة، ولا تتطلب أي مدخلات طاقة خارجية تتجاوز القوى البينية الموجودة بالفعل. يوفر التوتر السطحي للفقاعات قوى محلية تفصل المواد ذات الوزن الجزيئي المنخفض والبلورية المنخفضة عن العيوب، مما يعني أن الطاقة الدافعة لتجزئة السطح تأتي مباشرة من الطاقة الحرة البينية الموجودة بالفعل في النظام.

مجتمعة، تشير هذه النتائج إلى أن تجزئة الأسطح البلاستيكية الناجمة عن فقاعة الهواء هو مسار منخفض الطاقة حقًا لإطلاق MNP ويحدث عندما تتلامس الأسطح المائية والبلاستيكية، بما في ذلك البيئات المائية اليومية والطبيعية.

يعتمد تكوين فقاعات الهواء على عاملين: جودة المياه والخصائص الفيزيائية والكيميائية للأسطح البلاستيكية. عند درجات الحرارة المرتفعة، تنخفض قابلية ذوبان الغاز في الماء، مما يعزز تكوين ونمو فقاعات الهواء على الأسطح البلاستيكية. وبالمثل، فإن المستويات الأعلى من الأكسجين المذاب والمستويات المنخفضة من الملح توفر غازًا مذابًا إضافيًا لتكوين فقاعات الهواء.

بالإضافة إلى ذلك، فإن البوليمرات الكارهة للماء مثل البولي بروبيلين والبولي إيثيلين لها عيوب سطحية متأصلة وهي مناسبة بشكل خاص لتشكيل فقاعات الهواء بسبب زيادة انحباس الغاز.

تشير هذه الآليات إلى أن تجزئة الأسطح البلاستيكية الناتجة عن فقاعات الهواء والإفراج اللاحق عن MNPs يمكن تعديلها عن طريق ضبط المعلمات البيئية مثل أنواع المياه، ودرجة حرارة التعرض، والأكسجين المذاب، والملوحة، والأشعة فوق البنفسجية، وكذلك خصائص البلاستيك مثل أنواع البلاستيك، والعيوب السطحية، ومرفق الأغشية الحيوية، والوزن الجزيئي، ودرجة التبلور.

ويعتقد الباحثون أن النتائج التي توصلوا إليها ستحفز إجراء المزيد من الدراسات حول دور العوامل المائية وتطوير استراتيجيات للحد من إطلاق الملوثات البلاستيكية.

قم بتنزيل نسختك PDF الآن!

مصادر: