Plasticvervuiling is tegenwoordig alomtegenwoordig, met microplastic deeltjes van wegwerpartikelen die in natuurlijke omgevingen over de hele wereld worden gevonden, inclusief Antarctica. Maar hoe die deeltjes zich verplaatsen en zich ophopen in het milieu, is slecht begrepen. Nu heeft een studie van Princeton University het mechanisme onthuld waarmee microplastics, zoals piepschuim, en verontreinigende deeltjes worden over lange afstanden door de bodem en andere poreuze media vervoerd, met implicaties voor het voorkomen van de verspreiding en accumulatie van verontreinigingen in voedsel- en waterbronnen.

De studie, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang op 13 november, onthult dat microplastische deeltjes vast komen te zitten wanneer ze door poreuze materialen zoals grond en sediment reizen, maar later loskomen en vaak aanzienlijk verder blijven bewegen. Het identificeren van dit stop-and-restart-proces en de voorwaarden die het beheersen, is nieuw, zei Sujit Datta, assistent-professor chemische en biologische technologie en geassocieerde faculteit van het Andlinger Centrum voor Energie en Milieu, het High Meadows Environmental Institute en het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials. Eerder, onderzoekers dachten dat wanneer microdeeltjes vast kwamen te zitten, ze bleven daar meestal, die het begrip van de verspreiding van deeltjes beperkten.

Datta leidde het onderzoeksteam, die ontdekte dat de microdeeltjes vrij worden geduwd wanneer de snelheid van vloeistof die door de media stroomt hoog genoeg blijft. De Princeton-onderzoekers toonden aan dat het proces van depositie, of de vorming van klompen, en erosie, hun uiteenvallen, is cyclisch; klompen vormen zich en worden door vloeistofdruk in de loop van de tijd en op afstand verbroken, deeltjes verder door de porieruimte bewegen totdat de klompen zich hervormen.

"We vonden niet alleen deze coole dynamiek van deeltjes die vast kwamen te zitten, verstopt, deposito's opbouwen en er dan doorheen geduwd worden, maar door dat proces kunnen deeltjes zich over veel grotere afstanden verspreiden dan we anders hadden gedacht, ' zei Datta.

Het team omvatte Navid Bizmark, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in het Princeton Institute for the Science and Technology of Materials, afgestudeerde studente Joanna Schneider, en Rodney Priestley, hoogleraar chemische en biologische technologie en vicedecaan innovatie.

Ze testten twee soorten deeltjes, "kleverig" en "niet-kleverig, " die overeenkomen met de daadwerkelijke soorten microplastics die in het milieu worden aangetroffen. Verrassend genoeg ze ontdekten dat er geen verschil was in het proces zelf; dat is, beide verstopten zich nog steeds en ontstopten zichzelf bij voldoende hoge vloeistofdrukken. Het enige verschil was waar de clusters zich vormden. De "niet-kleverige" deeltjes hadden de neiging om alleen in nauwe doorgangen vast te zitten, terwijl de kleverige exemplaren leken te kunnen vastlopen op elk oppervlak van het vaste medium dat ze tegenkwamen. Als gevolg van deze dynamiek, het is nu duidelijk dat zelfs "plakkerige" deeltjes zich over grote gebieden en door honderden poriën kunnen verspreiden.

In de krant, de onderzoekers beschrijven het pompen van fluorescerende polystyreen microdeeltjes en vloeistof door een transparant poreus medium ontwikkeld in Datta's laboratorium, en dan kijken naar de microdeeltjes die onder een microscoop bewegen. Polystyreen is het plastic microdeeltje waaruit piepschuim bestaat, die vaak in bodems en waterwegen wordt bezaaid via verzendmaterialen en fastfoodcontainers. De poreuze media die ze creëerden, bootsen de structuur van natuurlijk voorkomende media nauw na, inclusief bodems, sedimenten, en grondwaterlagen.

Typisch poreuze media zijn ondoorzichtig, dus men kan niet zien wat microdeeltjes doen of hoe ze stromen. Onderzoekers meten meestal wat er in en uit de media gaat, en probeer de processen die binnenin plaatsvinden af ​​te leiden. Door transparante poreuze media te maken, de onderzoekers overwonnen die beperking.

"Datta en collega's openden de zwarte doos, zei Philippe Coussot, een professor aan de Ecole des Ponts Paris Tech en een expert in reologie die niet betrokken is bij de studie.

"We hebben trucjes bedacht om de media transparant te maken. door gebruik te maken van fluorescerende microdeeltjes, we kunnen hun dynamiek in realtime bekijken met behulp van een microscoop, " zei Datta. "Het leuke is dat we kunnen zien wat individuele deeltjes doen onder verschillende experimentele omstandigheden."

De studie, die Coussot beschreef als een "opmerkelijke experimentele benadering, " toonde aan dat hoewel de piepschuimmicrodeeltjes op punten vast kwamen te zitten, ze werden uiteindelijk vrij geduwd, en bewogen over de gehele lengte van de media tijdens het experiment.

Het uiteindelijke doel is om deze deeltjeswaarnemingen te gebruiken om parameters te verbeteren voor modellen op grotere schaal om de hoeveelheid en locatie van verontreiniging te voorspellen. De modellen zouden gebaseerd zijn op verschillende soorten poreuze media en verschillende deeltjesgroottes en chemie, en helpen om besmetting onder verschillende irrigatie nauwkeuriger te voorspellen, regenval, of omgevingsstroomomstandigheden. Het onderzoek kan helpen bij het informeren van wiskundige modellen om de kans beter te begrijpen dat een deeltje zich over een bepaalde afstand beweegt en een kwetsbare bestemming bereikt, zoals een nabijgelegen landbouwgrond, rivier of aquifer. De onderzoekers bestudeerden ook hoe de depositie van microplastic deeltjes de doorlaatbaarheid van het medium beïnvloedt, inclusief hoe gemakkelijk water voor irrigatie door de bodem kan stromen als er microdeeltjes aanwezig zijn.

Datta said this experiment is the tip of the iceberg in terms of particles and applications that researchers can now study. "Now that we found something so surprising in a system so simple, we're excited to see what the implications are for more complex systems, " said Datta.

Hij zei, bijvoorbeeld, this principle could yield insight into how clays, mineralen, grains, quartz, viruses, microbes and other particles move in media with complex surface chemistries.

The knowledge will also help the researchers understand how to deploy engineered nanoparticles to remediate contaminated groundwater aquifers, perhaps leaked from a manufacturing plant, farm, or urban wastewater stream.

Beyond environmental remediation, the findings are applicable to processes across a spectrum of industries, from drug delivery to filtration mechanisms, effectively any media in which particles flow and accumulate, Datta said.