Беда не приходит одна. К сожалению, это выражение весьма точно описывает ситуацию с загрязнением окружающей среды, особенно пластиковыми отходами. Крупный мусор тяжело не заметить, он приносит много вреда как флоре, так и фауне планеты. Однако куда опаснее пластик, который порой не виден глазу, а именно микропластик. Последние исследования показали, что человек за год съедает, выпивает и вдыхает от 78 до 211 тысяч частиц микропластика. Ученые из Университета штата Северная Каролина (США) разработали систему очистки воды от микропластика за один цикл. Из чего состоит данная система, как именно она работает, и насколько она эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Производство и использование синтетических полимеров во всем мире привело к накоплению деградировавших пластиковых продуктов в океанах и пресноводных системах, что привело к тревожным экологическим последствиям. Синтетические пластики демонстрируют высокую устойчивость как к абиотическим, так и к биотическим процессам деградации. В результате длительного процесса разложения такие факторы, как ультрафиолетовое излучение, окисление, соленость воды и сдвиг волн, способствуют распаду крупных пластиковых кусков на более мелкие фрагменты, классифицируемые как микропластик (МП или MP от microplastic) диаметром от 0.1 мкм до 5 мм, или дальнейшему распаду на нанопластик (НП или NP от nanoplastic) диаметром < 0.1 мкм. MP и NP стали повсеместными в различных водных средах, включая океаны, реки, озера и сточные воды, и представляют множество существенных рисков для здоровья.
Очистка полимерных микрочастиц, накопившихся в водных системах, представляет собой одну из самых серьезных проблем, с которыми сталкивается человечество сегодня. Традиционные методы очистки воды, такие как фильтрация и центрифугирование, не являются практичными или экономически эффективными для удаления микропластика из больших объемов воды или открытой среды, что требует изучения более нетрадиционных решений. Самоходные микродвигатели были исследованы на предмет их потенциала для выполнения различных задач по очистке воды в сложных водных системах. Микродвигатели могут пересекать водные среды и высвобождать очистные агенты на большие расстояния в загрязненных системах. Однако многие микродвигатели полагаются на каталитические реакции, которые требуют локальных концентраций химического «топлива», такого как H2O2 и N2H4, которые могут быть непригодны для использования в открытой среде, что ограничивает их практическое применение. Другие методы перемещения микродвигателей в окружающей воде используют поверхностное натяжение или осмотические градиенты, однако также существует необходимость извлечения собранных MP из водной среды.
Как отмечают ученые, основная цель этого исследования — представить доказательство концепции новой комплексной системы сбора микропластика, которая может не только активно самодиспергироваться в больших объемах воды и захватывать микропластик, но и выполнять активную функцию последующего извлечения агрегата. Таким образом, небольшие количества активных микроочистителей, выполняющих несколько функций, могут обеспечить крупномасштабный сбор MP. Вторичная цель — доказать, что такая самодиспергирующая активная система может быть создана с использованием только натуральных и экологически безопасных материалов. Активные микроочистители, используемые в этом исследовании, основаны на классе мягких веществ, называемых мягкими дендритными коллоидами (МДК или SDC от soft dendritic colloid). SDC представляют собой фибриллярные частицы с большой площадью поверхности и высокой способностью к агрегации MP. Подобно механизмам адгезии ног геккона, иерархическая морфология МДК обеспечивает SDC прочную адгезию к большинству поверхностей посредством взаимодействия Ван-дер-Ваальса, что также делает их высокоэффективными при захвате микропластика.
Частицы SDC, использованные в этом исследовании, были изготовлены из хитозана, биоразлагаемого полимера, полученного путем мягкой обработки хитина, основного биополимера, полученного из таких источников, как отходы моллюсков и экзоскелеты ракообразных. Недавно было установлено, что SDC хитозана очень эффективны в качестве микроочистителей, захватывая и агрегируя любой тип полимерных частиц, диспергированных в воде. SDC служат средством захвата и агглютинации полимерных микрошариков в комплексном наборе процессов. Однако SDC сами по себе не могут служить непосредственно средством очистки окружающей среды. Они получаются в виде разбавленной суспензии и не могут быть легко смешаны с большими объемами воды. Кроме того, результаты предыдущих исследований показывают, что агрегаты SDC с захваченными MP (SDC-MP) оседают на дне сосудов, что не позволяет собирать и удалять MP в реальных водоносных средах. Было показано, что в то время как агрегация MP коагулянтами природного происхождения (природные аналоги используемых здесь SDC) удаляет MP из объемных экологических вод, накопленные отложения подвергаются неприемлемо медленной деградации. Поэтому многофункциональные микроочистители SDC были включены в более широкий цикл процессов, включая самодиспергирование, смешивание и флотацию.
Результаты исследования
Изображение №1
Этапы интегрированной стратегии захвата и извлечения микропластиковых частиц представлены выше. Ученые разработали и протестировали полный цикл (1) сборки микроочистителя в супрачастицы, (2) самодвижения, (3) повторного рассеивания и повторной гидратации, (4) погружения и захвата MP и (5) синхронизированного всплытия на поверхность. Сначала микроочистители SDC концентрируются и высушиваются в агломераты «дисков» или «гранул», которые ученые называют супрачастицами. Супрачастицы были наделены способностью к самодиспергированию с помощью «активного» самодвижения путем высвобождения поверхностно-активных соединений, которые вызывают движение посредством эффекта Марангони. Движение, управляемое градиентом поверхностного натяжения, позволяет супрачастице пересекать большие объемы воды, сбрасывая отдельные SDC. Эта стратегия имеет потенциал для доставки активных микроочистителей, которые достигают MP, диспергированных в больших объемах воды. После того как седиментирующие SDC захватывают MP, агрегаты SDC-MP выполняют второй тип поперечного активного движения, всплывая на поверхность воды, что облегчает сбор.
Изображение №2
SDC, используемые в качестве микроочистителей, представляют собой фибриллярные частицы, имеющие сильно разветвленную структуру с большим исключенным объемом, как показано на 2a. Они изготавливаются путем осаждения хитозана путем сшивания в турбулентно сдвиговой жидкой среде. Их иерархическое разветвление заканчивается короной нанофибрилл, окружающих более толстую структуру основной цепи (2b). Физические истоки сильной адгезии нанофибриллярных частиц посредством притяжения Ван-дер-Ваальса аналогичны эффекту «лапки геккона», обычно описываемому явлением расщепления контакта. Таким образом, было показано, что SDC обладают высокой способностью захватывать многие типы полимерных микрочастиц даже в условиях высокой солености. Кроме того, хитозан имеет небольшой положительный заряд, который также может повышать высокую эффективность захвата SDC посредством электростатического взаимодействия с отрицательно заряженными MP (2c). Легкое электростатическое отталкивание между фибриллами также удерживает SDC в расправленном состоянии.
Модельная система MP, используемая в качестве дисперсии, представляет собой микрошарики латекса полистирола (PS от polystyrene). Когда SDC вводятся в эту дисперсию, они захватывают полимерные шарики своими нанофибриллами и образуют конденсированные агрегаты, либо по отдельности, либо в комках из нескольких агрегатов SDC-шариков. На 2d показан результат захвата SDC флуоресцентно меченых 2 мкм шариков PS. Снимок SEM таких агрегатов показывает, как фибриллы участвуют в захвате MP (вставка на 2d). Эти агрегаты SDC-MP немного плотнее воды и медленно оседают, оставляя прозрачный супернатант (справа на 2d). Однако, поскольку седиментация не подходит в качестве результата для восстановления MP, ученые разработали процесс активной повторной флотации с заданным временем.
Изображение №3
Для эффективной доставки и диспергирования достаточного количества микроочистителей SDC на больших площадях воды сначала несколько SDC были объединены в сухие «суперчастичные» гранулы. Это делается путем вакуумной сушки капель суспензии SDC на поверхности гидрофобного полидиметилсилоксана (PDMS от polydimethylsiloxane). Во время сушки капель SDC сжимаются в агломерированные супрачастицы (3a). Такой подход позволяет доставлять значительные количества SDC в форме супрачастичных гранул, которые пересекают поверхность воды, когда супрачастицы также наделены активной подвижностью.
Одной из существенных проблем при проектировании средств доставки супрачастиц является включение механизма спонтанной дезагрегации супрачастиц и высвобождения регидратированных SDC после цикла самодвижения. Дезагрегация супрачастиц была нетривиальной задачей, поскольку, когда капли суспензии SDC высушивались над гидрофобным субстратом, SDC имели тенденцию образовывать сильно связанные супрачастицы, которые не дезагрегировались спонтанно в воде. Сильное связывание, вероятно, является результатом сил взаимодействия Ван-дер-Ваальса между нанофибриллами SDC в сочетании с водородными связями между гидроксильными группами хитозана. Таким образом, ученые разработали метод регидратации частиц SDC и расширения фибрилл SDC в воде. Это было достигнуто путем добавления мальтодекстрина (MD от maltodextrin) к каплям, содержащим SDC. MD обладает высокой степенью сродства к воде и гидрофильностью, эффективно предотвращая образование водородных связей между SDC (3b). MD является подходящей добавкой к экологическим очистителям, поскольку он нетоксичен, получен естественным путем и биоразлагаем. Однако простое растворение MD в каплях, содержащих SDC, используемых для изготовления супрачастиц, не могло предотвратить контакт между высыхающими нанофибриллами. Таким образом, ученые разработали метод, в котором отдельные нанофибриллы в супрачастицах равномерно разделены промежуточными слоями MD для предотвращения адгезионных контактов во время стадии сушки. В частности, MD осадили в микро- и наночастицы, а затем покрыли ими SDC.
Во-первых, MD, растворенный в воде, осаждался в микро- и наночастицах при добавлении ацетона в качестве антирастворителя (3c). Непрерывное перемешивание усиливало прилипание частиц MD к SDC. Образовавшийся промежуточный слой полисахаридных частиц препятствует образованию водородных связей между фибриллами SDC во время сушки и гелеобразования капель. Как показано на 3di–3diii, частицы MD адсорбировались на фибриллах SDC, образуя водорастворимую пленку вокруг них во время процесса дегидратации и, таким образом, способствуя улучшенному разделению за счет межслоевого сродства к воде.
Этот подход оказался успешным, поскольку MD-SDC продемонстрировали более высокую редиспергируемость по сравнению с необработанными суспензиями дендримеров. На 3d представлено сравнение микроскопических снимков непокрытых SDC до дегидратации и после редиспергирования соответственно. Кластеры супрачастиц без добавок продемонстрировали плохую редиспергируемость, а высвобожденные SDC не восстановили свою первоначальную морфологию. Напротив, регидратированные супрачастицы, стабилизированные с помощью MD, измельчали SDC с морфологией, аналогичной морфологии необработанных SDC до сушки. Влияние добавки MD на регидратацию и редиспергируемость SDC оценивали путем сравнения эффективности захвата гранул PS в зависимости от начальной концентрации гранул (3e). Эффективность захвата гранул исходными SDC достигает > 85% при средней и высокой концентрации гранул. Скопившиеся SDC, высвобождаемые из супрачастиц без MD, достигли только 30–50% скорости захвата шариков при схожих начальных концентрациях шариков. MDSDC достигли скорости захвата > 60%, что меньше эффективности нативных SDC, но намного выше, чем у супрачастиц без добавки MD.
Изображение №4
Поверхностная подвижность Марангони является одним из основных эффектов, которые могут способствовать движению частиц в диапазоне от миллиметровых до микрометровых масштабов на границах раздела жидкостей. Движение осуществляется за счет высвобождения поверхностно-активного вещества, что приводит к пространственным изменениям межфазного натяжения вокруг частиц. В случае «камфорных лодок», где поверхностно-активное вещество высвобождается с одной стороны частицы, распространяющийся молекулярный слой поверхностно-активного вещества снижает поверхностное натяжение (γF) ниже, чем у чистой воды (γW) и F ≈ Δγ, где Δγ = γW – γF. На движение таких активных частиц также влияют их масса и форма, а также поверхностная активность молекулярного «топлива».
Для того чтобы использовать эффект Марангони в качестве средства движения микроочистителей, ученые сначала подготовили сухие супрачастицы диаметром 2 мм и толщиной ≈30 мкм. Затем нанесли небольшой объем поверхностно-активной жидкости (в диапазоне от 0.01 мкл до 0.1 мкл) на одну сторону каждой супрачастицы. «Топливо», вызывающее движение, включало жирные кислоты и натуральные масла. После осторожного размещения этих пропитанных маслом супрачастиц на поверхности воды в чашке Петри (4a), наблюдалось их быстрое движение по случайной траектории, которая была оцифрована для измерения скорости и пройденного расстояния (Видео №1).
Видео №1: Примеры движения супрачастиц, приводимых в действие различными поверхностно-активными «топливами».
Чтобы избежать прилипания супрачастиц к периферии сосуда из-за капиллярных взаимодействий, края чашки были модифицированы алюминиевым листом таким образом, чтобы кривизна мениска вблизи стенки чашки приводила к капиллярному отталкиванию и отскоку движущихся частиц (видео №2). Таким образом, супрачастицы могли беспрепятственно перемещаться по поверхности сосуда в течение длительного времени.
Видео №2: Влияние кривизны поверхности стенок сосудов на движение SDC. Сосуды с вогнутыми, выпуклыми и плоскими поверхностями, покрытыми стеклом, парафильмом (пленка, состоящая из смеси восков и полиолефинов) и алюминием соответственно.
Эффект тяги Марангони коррелирует с разницей поверхностного натяжения на частице Δγ (4b). В этом случае Δγ зависит от времени, поскольку ограниченное количество «топлива» истощается из частицы и накапливается на поверхности. Кроме того, Δγ зависит от растворимости и летучести пропеллентного соединения. Существует два возможных сценария распределения поверхностно-активного масла. Когда активная частица с нерастворимым маслом, таким как олеиновая кислота, высвобождается на поверхность воды, первоначально нерастворимая олеиновая кислота быстро распространяется, обеспечивая движущую силу для активной подвижности. Однако подвижность резко падает, как только образуется насыщенный монослой, и градиент поверхностного натяжения вокруг супрачастицы подавляется (вверху на 4b). С другой стороны, в случае растворимого масла, такого как эвгенол, движение Марангони может поддерживаться до тех пор, пока топливо не истощится из-за постоянного истирания монослоя эвгенола на поверхности воды посредством испарения и растворения (внизу на 4b).
Роль свойств поверхностно-активного масла в скорости и пройденном расстоянии в этих двух сценариях движения была оценена с помощью супрачастиц, приводимых в движение олеиновой кислотой (нерастворимой) и эвгенолом (растворимым). Результаты сравниваются на 4c–4f. Начальная скорость супрачастиц, каждая из которых наполнена различным «топливом», высока из-за высокого градиента поверхностного натяжения. Максимальная скорость частиц, приводимых в движение олеиновой кислотой, составила 810 мм/с, что значительно больше скорости, приводимой в движение высвобождением эвгенола (до 300 мм/с; 4c). Эвгенол растворяется в водной фазе, что приводит к более низкой концентрации на поверхности воды по сравнению с насыщенным слоем нерастворимой жирной кислоты. Это создает более низкий градиент поверхностного натяжения и, следовательно, более низкую максимальную скорость для активных частиц.
Скорость движения двух типов пропеллентов уменьшалась с разной скоростью. В случае олеиновой кислоты частицы изначально двигались быстро, но их движение прекращалось через 2.5 секунды. С другой стороны, активная частица, пропитанная эвгенолом, поддерживала скорость в диапазоне 15–50 мм/с в течение 470 секунд, поскольку градиент поверхностного натяжения вокруг частиц поддерживался непрерывно (слева на 4c). В результате супрачастицы, пропитанные эвгенолом, в целом прошли гораздо большее расстояние, хотя и с меньшей скоростью.
Максимальная скорость также зависела от количества поверхностно-активного масла, добавленного к супрачастицам. Скорость частиц, приводимых в движение олеиновой кислотой, увеличивалась от 167 до 954 мм/с по мере увеличения количества олеиновой кислоты от 0.01 до 0.1 мкл (4d). Это можно объяснить корреляцией между движущей силой и периферийной областью высвобождения топлива, оцененной по уравнению F = wΔγ, где w представляет собой ширину высвобождения масла на краю супрачастицы. Большая площадь контакта на краю супрачастицы и больший отток олеиновой кислоты на поверхность воды увеличат подвижность.
Далее ученые исследовали, как количество поверхностно-активного вещества, загруженного на супрачастицы, определяет общее расстояние, которое они прошли. Эти данные показали еще одно отчетливое различие между двумя типами поверхностно-активных веществ. Было обнаружено, что увеличение количества нерастворимого масла выше определенного значения не увеличивает пройденное расстояние. Результаты, представленные на 4e и 4f, показывают, что большее количество олеиновой кислоты приводит к сокращению общего расстояния, пройденного за более короткий период. Это прекращение движения, возможно, является результатом насыщения поверхности монослоем олеиновой кислоты. Склонность масляного «топлива» распространяться по поверхности и продвигать супрачастицы можно оценить с помощью коэффициента распространения, S = γWA-(γOW+γOA), где γOW, γOA и γWA представляют собой межфазные натяжения масло-вода, масло-воздух и вода-воздух соответственно.
Изображение №5
Когда параметр распространения положительный, S > 0, нерастворимая жирная кислота изначально распространяется спонтанно, создавая супрачастичное движение. Однако из-за ограниченной площади поверхности в чашке Петри (и, вероятно, в некоторых случаях крупномасштабных применений) масло прекращает распространяться, как только образует насыщенный монослой на воде, достигая S = 0. Как показано 5a, время перемещения активных частиц с олеиновой кислотой в чашке диаметром 85 мм уменьшается после загрузки их более чем 0.01 мкл олеиновой кислоты, что хорошо сопоставимо с количеством олеиновой кислоты, необходимым для формирования монослоя, оцениваемым как 0.0074 мкл. В чашке диаметром 175 мм время движения достигает пика, когда активная частица загружена > 0.03 мкл олеиновой кислоты, что также соответствует насыщенному монослою масла.
В целом, эти результаты доказывают, что скорость движения и дальность рассеивания активных частиц можно удобно регулировать, варьируя тип и количество поверхностно-активного топлива. Быстрое, прерывистое активное движение может быть достигнуто с помощью масел, которые образуют нерастворимые монослои (такие как олеиновая кислота). С другой стороны, замена его эвгенолом приводит к большему расстоянию, проходимому частицами, поскольку высвобождаемый эвгенол растворяется в объеме воды или испаряется в течение нескольких секунд. Таким образом, эти активные супрачастицы движутся поверх «самоочищающегося» интерфейса, где градиент межфазного натяжения поддерживается растворением.
Супрачастицы движутся в направлении, противоположном направлению высвобождения масла. Их избирательная односторонняя загрузка маслом изначально достигалась путем нанесения небольшой капли с помощью пипетки на одну сторону супрачастиц. Однако этот метод может быть трудно масштабировать в потенциальном будущем массовом производстве активных очистителей для обработки больших объемов воды.
В качестве альтернативного масштабируемого подхода ученые исследовали роль изотропной инфузии с жирной кислотой в динамике супрачастиц. Жирная кислота была нанесена равномерно по всей площади супрачастиц (вставка на 5b). Интересно, что эти симметрично введенные частицы также демонстрировали пропульсивное движение, хотя и с меньшей скоростью. Независимо от используемой поверхностно-активной жидкости, их максимальная скорость снижалась примерно на 10–60% по сравнению с анизотропным осаждением (5b). Эту подвижность можно объяснить несбалансированным направленным высвобождением масла при меньших перепадах поверхностного натяжения. Время перемещения и расстояние частиц с изотропным осаждением масла были значительно короче, чем с анизотропным осаждением, особенно при низкой загрузке топлива (5c). Однако результаты изотропной инфузии важны и потенциально полезны, поскольку они представляют собой гораздо более простой способ быстрой загрузки активных супрачастиц в массе поверхностно-активным диспергатором. Примечательно, что в будущих масштабных процессах пропитанные маслом супрачастицы можно будет производить в больших количествах путем дисперсии капель путем распыления через форсунки или методом эмульгирования (3c).
Изображение №6
Следующие этапы процесса захвата MP через SDC и их последующее восстановление показаны на 6a. Пропульсивное движение Марангони не только диспергирует конденсированные супрачастицы, но также обеспечивает их повторную гидратацию и высвобождение отдельных микроочистителей SDC. По мере растворения MD SDC высвобождаются и повторно гидратируются. Проталкивающие супрачастицы легко сбрасывают SDC на большие площади воды. В частности, поскольку масла, используемые в качестве диспергаторов, либо нерастворимы в воде, либо летучи, не ожидается, что они будут мешать последующим этапам процесса. Высвобождаемые SDC расширяют свои волокнистые короны и тонут в нижележащей водной фазе, готовые к захвату MP, диспергированных в воде. Отдельные флуоресцентные полистирольные шарики, используемые в качестве модельных MP в этом эксперименте, невидимы, но их кластеры достаточно велики, чтобы их можно было увидеть на макроскопических оптических изображениях.
Видео №3: Сравнение моделей диспергирования SDC концентрированной влажной SDC и высушенной MD-SDC супрачастицы с эвгенолом.
Для оценки роли самодвижения в дисперсии SDC ученые сравнили локализацию полученных агрегатов SDC-MP по площади чашки, используя три метода доставки микроочистителя:
- капли суспензии концентрированного SDC (без предварительной сушки в супрачастицы);
- доставка SDC с использованием супрачастицы без масляного «топлива» (таким образом, не самодвижущиеся);
- доставка SDC самодвижущимися супрачастицами.
Сравнение оптических изображений осадка SDC и MP, осажденного с использованием предварительно концентрированной дисперсии SDC и супрачастицы SDC, заправленной эвгенолом, представлено на 6b. Предварительно концентрированный образец SDC был приготовлен путем центрифугирования дисперсии SDC с содержанием твердого CS 0.1 мас.% в течение 10 минут для увеличения содержания CS до 0.25 мас.% твердых веществ. Когда капля 50 мкл предварительно концентрированной дисперсии SDC капает в чашку с дисперсией MP, SDC остаются локализованными над начальной точкой внедрения, что приводит к небольшому количеству агрегатов SDC-MP, сконцентрированных вблизи области внедрения. Похожая картина локализации вблизи точки внедрения наблюдается с супрачастицами SDC без масла. Эти супрачастицы впитывают воду и медленно перемещаются по поверхности воды из-за небольших различий поверхностного натяжения, вызванных MD. Однако SDC остаются агрегированными, не диспергируя по чашке, в конечном итоге оседая.
Напротив, активно движущиеся супрачастицы сбрасывают и рассеивают SDC в поперечном направлении по всей площади чашки, заканчивая широко распределенными кластерами SDC-MP (6c, 6d). На 6c показано, как SDC, распределенные по площади чашки, захватывают MP. Сводка распределения осадков SDC-MP (по расстоянию от центра) представлена на 6d. Осадки SDC-MP из конденсированной дисперсии SDC сгруппированы в пределах 10 мм от центра, в то время как осадки MP, полученные с повторно диспергированными SDC, распределены по всей площади чашки. Результаты убедительно демонстрируют, что для широкого распространения микроочистителей SDC и достижения эффективного захвата максимального количества микропластика необходимо совместное действие двух эффектов — самодвижения и самодиспергирования.
Изображение №7
Микроочистители SDC захватывают модельные MP и формируют агрегаты SDC-MP, которые немного плотнее воды и осадка на дне сосуда. Как уже упоминалось, седиментация как результат не решит проблему очистки MP в реальных водоносных средах. Таким образом, для того чтобы обеспечить сбор агрегированной массы MP в открытых водах, ученые ввели еще один режим активной подвижности микроочистителя, разработав средства, вызывающие вертикальное всплывание агрегатов SDC-MP на поверхность воды. Поперечное активное движение достигалось за счет синхронизированного образования пузырьков и движения. Вертикальный подъем активных частиц пузырьками ранее достигался за счет каталитического разложения перекиси водорода или фототермического нагрева. Такие методы не могут быть применены напрямую к операциям по сбору MP в открытых водных средах. Ученые разработали альтернативный процесс, в котором агрегаты всплывают за счет пузырьков, образуемых частицами металлического магния (Mg), прикрепленными к SDC (7a). Mg — распространенный, экологически безопасный металл, который использовался в других самоходных активных системах. Когда SDC, содержащие Mg, погружаются в воду, пузырьки водорода, образующиеся в результате гидролиза Mg, прилипают к SDC и заставляют их всплывать на поверхность воды, где их можно собрать вместе с захваченными MP.
Еще одной проблемой в коллоидной инженерии активного сбора SDC-MP является хронометраж процесса флотации, поскольку SDC нужно время, чтобы утонуть и захватить MP перед тем, как выдвинуться обратно на поверхность. Ученые разработали средства хронометража реакции между Mg и H2O, инкапсулируя ядра Mg желатином. Процесс инкапсуляции включает добавление раствора желатина к перемешиваемой дисперсии Mg в ацетоне. Наночастицы желатина, которые генерируются в этом процессе, прилипают к поверхности частиц Mg посредством электростатических взаимодействий, таких как между положительно заряженными Mg(OH)2 и MgO и отрицательно заряженной карбоксильной группой желатина. Образующаяся в результате этого желатиновая оболочка толщиной в микрометровый масштаб, образованная вокруг частиц Mg, эффективно задерживает реакцию до тех пор, пока вода не проникнет через слой (7b). Для образования Mg-содержащих SDC (SDC-Mg) дисперсию частиц Mg (G-Mg), обработанную желатином, добавляли по каплям к перемешиваемой 0.01 мас.% дисперсии SDC. Низкая плотность дисперсии SDC предотвращает агрегацию между частицами SDC-Mg. Этот процесс приводит к тому, что SDC захватывают одну или несколько частиц G-Mg внутри фибрилл SDC (7c). Желатиновая оболочка задерживает реакцию Mg с водой, позволяя захватывать частицы MP до того, как агрегаты медленно всплывут (7d). Роль желатиновой оболочки в определении времени флотации SDC-Mg проиллюстрирована на 7e.
Видео №4: Вертикальное движение SDC с Mg и G-Mg в водном растворе, содержащем PS наночастицы.
Дальнейшее понимание эффективности сбора хронометрированного SDCMg было получено путем оценки количества гранул PS, захваченных микроочистителями. Когда SDC, содержащие Mg и G-Mg, были погружены в суспензии PS (диаметром 1.4 мкм, 2.8 × 109/мл), SDC, содержащие непокрытый Mg, образовали пузырьки водорода и немедленно всплыли к поверхности воды. Немедленное всплытие ограничивает способность SDC захватывать MP. С другой стороны, SDC, содержащие G-Mg, изначально опускались ко дну сосуда, движимые плотными частицами Mg. Пузырьки водорода образовались только после того, как обработанные желатином ядра Mg были пропитаны водой, и вертикальное движение произошло через несколько минут. SDC, содержащие G-Mg, которые к тому моменту уже были загружены захваченными MP, накапливались в богатом MP слое «пены» на поверхности, который можно легко снять для дальнейшей обработки. Таким образом, все этапы сложного процесса были выполнены путем проектирования морфологии, состава и динамики микроочистителей.
Для дальнейшей оценки способности процесса захватывать реальные MP мы использовали образец MP, собранный на пляже Камило (Гавайи). MP разных размеров были суспендированы в соленой воде (3.5% NaCl, 0.3 мас.% содержания твердых частиц MP в 4.5 мл). Положительные результаты обработки этих образцов повторно диспергированными SDC (200 мкг содержания твердых частиц CS) и захвата и сбора реальных MP показаны на 7f. Примечательно, что, как показано на среднем изображении, отдельные SDC образовали обширную запутанную сеть, которая эффективно захватывала MP миллиметрового масштаба, демонстрируя способность системы обрабатывать широкий диапазон размеров MP в сложных условиях окружающей среды. Эти результаты убедительно свидетельствуют о том, что активная система захвата MP на основе SDC эффективна не только в контролируемых лабораторных условиях, но и в более экологически значимых условиях, что подтверждает ее потенциал для будущих крупномасштабных операций по рекультивации.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые рассказали о новой системе сбора микропластика в водной среде.
Проблема загрязнения окружающей среды стоит очень остро, особенно когда речь идет о вездесущем пластике, в частности о микрочастицах пластика, которые крайне сложно собрать. Чтобы решить эту проблему, ученые создали систему частиц, которые самостоятельно рассеиваются в воде, собирают микропластик и затем всплывают на поверхность для их дальнейшего сбора.
В основе системы лежат мягкие дендритные коллоиды — уникальные, иерархически разветвленные мягкие частицы с особыми свойствами, такими как способность прилипать практически к любой поверхности, — которые могут быть созданы из различных полимеров. Данное свойство позволяет им притягивать частицы пластика в любой среде, даже в соленой воде. Очищающие частицы в этом исследовании сделаны из хитозана, биоразлагаемого полимера, происходящего из хитина, который получают из переработанных отходов моллюсков.
Мягкие дендритные коллоиды были преобразованы в гранулы после сушки. Затем на одну из сторон гранул добавили немного эвгенола, который позволяет гранулам двигаться в воде посредством «эффекта камфорной лодки», уменьшая поверхностное натяжение с одной стороны гранулы и продвигая ее вперед. Еще одним важным ингредиентом был магний, покрытый желатином.
В совокупности каждый из элементов гранулы выполнял свою задачу: дендритные коллоиды захватывают частицы микропластика, эвгенол позволяет гранулам охватывать большую рабочую площадь, магний позволяет гранулам всплывать на поверхность воды, а желатин замедляет этот процесс, чтобы у гранул было больше времени на сбор пластика.
В результате на поверхности воды остается пена, которую легко собрать и затем можно переработать для получения хитозана, который затем может быть использован для создания большего количества очистных гранул, тем самым продолжая цикл. Данный метод является экологичным, недорогим и весьма эффективным, а также поддается масштабированию.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
