Modeling the adsorption of contaminants by microplastics in aqueous solutions

Abstract

В последние годы все более серьезной становится проблема нахождения частиц микропластика в окружающей среде, в том числе и самом организме человека. Хотя на данный момент в литературе нет убедительных доказательств того, что частицы микропластика могут негативно влиять на здоровье человека, существуют предположения, что такие частицы могут адсорбировать на себе токсичные органичные молекулы и переносить их в организм человека, где те, затем, десорбируются. В связи с этим представляет интерес изучение адсорбции молекул такими частицами. В данной работе проведено теоретическое описание полимерной щетки на поверхности частицы микропластика и адсорбция примеси в ней с использованием теории среднего поля. Свободная энергия щетки представляется как сумма свободной энергии упругости и свободной энергии смешения. Результатом решения системы уравнений теории является профиль распределения примеси, полимера и растворителя. Было показано, что такая модель качественно воспроизводит классические закономерности для полимерных щеток, а также позволяет предсказать микрофазное разделение внутри щетки при учете третьего вириального коэффициента. Также было установлено, что учет корреляций в квазихимическом приближении Гуггенгейма изменяет концентрацию примеси в щетке в несколько раз.

In recent years increasing attention is drawn to the problem of microplastics occurrence in the environment including human body. Although there is no convincing evidence in the literature that microplastics particles can affect human health in negative way there are some assumptions that such particles can adsorb toxic substances on the surface and transfer them to the human organism and then release them. Hence this is of interest to investigate the process of adsorption of such molecules by these particles. In present work one has conducted a theoretical description of polymer brush on the surface of microplastics particle and adsorption of contaminant within it using mean field theory. Free energy of the brush is represented as a sum of elasticity and mixing terms. Solving equations of this theory one can get distribution profiles of contaminant, polymer and solvent. It was shown that this model reproduces qualitatively classical rules for polymer brushes and enables one to predict microphase separation inside the brush in case third virial coefficient is taken to the account. Also it was found that contaminant concentration in the brush changes significantly if correlations in quasichemical Guggenheim approximation are taken to the account.