Pęcherzyki powietrza na tworzywach sztucznych uwalniają mikroplastik do wody

Pęcherzyki powietrza na tworzywach sztucznych uwalniają mikroplastik do wody

Niewidoczne mikropęcherzyki tworzące się na zwykłych plastikach mogą pozostawiać mikroskopijne fragmenty, ujawniając niskoenergetyczną i szeroko rozpowszechnioną ścieżkę zanieczyszczenia tworzywami sztucznymi, która występuje wszędzie tam, gdzie woda spotyka się z plastikiem.

Badanie:Erozja spowodowana mikropęcherzykami uwalnia do wody mikro- i nanoplastiki. Źródło zdjęcia: Ennachii/Shutterstock.com

Z nowego badania prowadzonego przez naukowców z Trinity College w Dublinie w Irlandii wynika, że ​​pęcherzyki powietrza tworzące się na powierzchniach z tworzyw sztucznych mogą prowadzić do erozji i fragmentacji powierzchni oraz powodować uwalnianie do wody związanych wcześniej z powierzchnią i trudnych do wykrycia mikro- i nanoplastików. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmiePostęp naukowy.

Dlaczego ważne jest zrozumienie ukrytych źródeł mikroplastiku

Mikro- i nanoplastiki (MNP) to szeroko rozpowszechnione mikrozanieczyszczenia w środowiskach wodnych, które mają szkodliwy wpływ na środowisko, dziką przyrodę i zdrowie ludzkie. Zanieczyszczenia te można wykryć na każdym poziomie łańcucha pokarmowego, a nawet w różnych narządach ludzkiego ciała. Według najnowszych szacunków ludzie spożywają do 90 000 mikrodrobin plastiku rocznie poprzez samą wodę butelkowaną.

MNP charakteryzują się niewielkim rozmiarem cząstek, silnymi właściwościami adhezyjnymi i wyraźną zdolnością do akumulacji w tkance ludzkiej. Nagromadzenie mikroplastików w tkankach ludzkich wiąże się ze zwiększonym ryzykiem poważnych powikłań sercowo-naczyniowych i jest powiązane z chorobami neurodegeneracyjnymi.

Istniejące dowody sugerują, że MNP są uwalniane z dużych ilości tworzyw sztucznych do wody w wyniku rozkładu mechanicznego lub ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe (UV). Jednak w dużej mierze brakuje badań oceniających wpływ czynników wodnych, takich jak pęcherzyki powietrza, pH i zasolenie, na produkcję MNP, pomimo bliskiego kontaktu tworzyw sztucznych z wodą w środowiskach wodnych.

Biorąc pod uwagę potencjalne skutki zdrowotne MNP, ważne jest zrozumienie mechanizmów leżących u podstaw powstawania i uwalniania MNP w celu opracowania skutecznych strategii łagodzenia. Wśród różnych mechanizmów wytwarzania MNP dużą uwagę zwraca się na rolę pęcherzyków powietrza.

Pęcherzyki powietrza, które w odpowiednich warunkach wodnych i powierzchniowych tworzą się głównie na powierzchniach z tworzyw sztucznych, mogą oddzielać luźne cząstki z tych powierzchni i przenosić je do wody. Małe pęcherzyki przyczepione do MNP mogą zmieniać ich właściwości fizyczne, takie jak napięcie powierzchniowe, gęstość i zachowanie transportowe.

Jeśli chodzi o sposób działania, dostępne ustalenia wskazują, że naprężenia wywołane przez pęcherzyki powietrza na powierzchniach z tworzyw sztucznych pod wpływem ciśnienia wewnętrznego mogą prowadzić do pęknięć powierzchniowych. Biorąc pod uwagę ten sposób działania, celem niniejszego badania było zbadanie roli pęcherzyków powietrza w generacji MNP na powierzchniach typowych tworzyw sztucznych.

Mikropęcherzyki niszczą powierzchnie z tworzyw sztucznych bez użycia energii zewnętrznej

Badanie wykazało, że maleńkie pęcherzyki powietrza, które tworzą się spontanicznie, gdy warunki wodne na to pozwalają, na typowych powierzchniach z tworzyw sztucznych, mogą powodować erozję defektów powierzchni i powodować uwalnianie MNP. Zdarzenia te miały miejsce niezależnie i równolegle z mechaniczną degradacją masową lub degradacją oksydacyjną powierzchni tworzyw sztucznych wywołaną promieniami UV, zamiast zastępować te mechanizmy.

Fragmentacja powierzchni tworzyw sztucznych spowodowana pęcherzykami powietrza zachodziła w szerokim zakresie temperatur (25°C do 95°C) i w różnych rodzajach wody, w tym w wodzie dejonizowanej, wodzie kranowej, rzecznej i morskiej, przy czym w podwyższonych temperaturach obserwowano szybsze i bardziej rozległe uwalnianie.

Jeśli chodzi o sposób działania, badanie wykazało, że powstawanie, rozszerzanie i ruch pęcherzyków powietrza na powierzchniach tworzyw sztucznych generują lokalne naprężenia ścinające i kapilarne, które mogą rozpuścić i odkształcić materiał polimerowy o niskiej masie cząsteczkowej w miejscach uszkodzeń powierzchni, które są mniej stabilne mechanicznie niż większość tworzywa sztucznego, co powoduje uwalnianie MNP do wody.

Ten mechanizm wytwarzania MNP przez pęcherzyki powietrza różni się od innych szeroko badanych mechanizmów. Podczas degradacji oksydacyjnej wywołanej promieniowaniem UV do rozerwania wiązań polimerowych wymagany jest ciągły przepływ fotonów o wysokiej energii. Zwykle odpowiada to miesiącom lub latom światła słonecznego lub energochłonnych lamp laboratoryjnych.

Podobnie degradacja mechaniczna wymaga ciągłego dostarczania ciśnienia zewnętrznego za pośrednictwem fal, piasku, mielenia przemysłowego lub mieszalników turbulentnych w celu rozbicia struktur polimerowych.

Z drugiej strony pęcherzyki powietrza tworzą się bez potrzeby dodatkowego ruchu mechanicznego lub mocy promieniowania po spełnieniu odpowiednich warunków i nie wymagają żadnego wkładu energii zewnętrznej poza już obecnymi siłami międzyfazowymi. Napięcie powierzchniowe pęcherzyków zapewnia lokalne siły, które oddzielają materiał o niskiej masie cząsteczkowej i niskokrystalicznym od defektów, co oznacza, że ​​fragmentacja powierzchni napędzającej energię pochodzi bezpośrednio z darmowej energii międzyfazowej już obecnej w układzie.

Podsumowując, wyniki te sugerują, że fragmentacja powierzchni tworzyw sztucznych wywołana pęcherzykami powietrza jest naprawdę niskoenergetyczną drogą uwalniania MNP i zachodzi wszędzie tam, gdzie styka się woda i powierzchnie z tworzyw sztucznych, w tym w codziennym i naturalnym środowisku wodnym.

Tworzenie się pęcherzyków powietrza zależy od dwóch czynników: jakości wody i właściwości fizykochemicznych powierzchni z tworzyw sztucznych. W wysokich temperaturach zmniejsza się rozpuszczalność gazu w wodzie, co sprzyja tworzeniu się i wzrostowi pęcherzyków powietrza na powierzchniach z tworzyw sztucznych. Podobnie, wyższy poziom rozpuszczonego tlenu i niższy poziom soli zapewniają dodatkowy rozpuszczony gaz do tworzenia pęcherzyków powietrza.

Ponadto polimery hydrofobowe, takie jak polipropylen i polietylen, mają nieodłączne wady powierzchniowe i są szczególnie odpowiednie do tworzenia pęcherzyków powietrza w wyniku zwiększonego wychwytywania gazu.

Mechanizmy te sugerują, że fragmentację powierzchni tworzyw sztucznych spowodowaną pęcherzykami powietrza i późniejsze uwalnianie MNP można modyfikować poprzez dostrojenie parametrów środowiskowych, takich jak rodzaj wody, temperatura ekspozycji, rozpuszczony tlen, zasolenie i promieniowanie UV, a także właściwości plastyczne, takie jak rodzaj tworzywa sztucznego, defekty powierzchni, przyleganie biofilmu, masa cząsteczkowa i stopień krystaliczności.

Naukowcy uważają, że ich odkrycia pobudzą dalsze badania nad rolą czynników wodnych i opracowanie strategii ograniczających uwalnianie zanieczyszczeń plastikowymi.

Pobierz teraz swoją kopię PDF!

Źródła: