Los hallazgos son aplicables a procesos en un espectro de industrias
La contaminación plástica es omnipresente en la actualidad, con partículas microplásticas de productos desechables que se encuentran en entornos naturales en todo el mundo, incluida la Antártida. Pero no se comprende bien cómo se mueven esas partículas y se acumulan en el medio ambiente.
Ahora, un estudio de la Universidad de Princeton ha revelado el mecanismo por el cual los microplásticos, como la espuma de poliestireno, y las partículas contaminantes se transportan a largas distancias a través del suelo y otros medios porosos, con implicaciones para prevenir la propagación y acumulación de contaminantes en las fuentes de agua y alimentos.
El estudio revela que las partículas microplásticas se atascan cuando viajan a través de materiales porosos como el suelo y los sedimentos, pero luego se liberan y, a menudo, continúan moviéndose sustancialmente más. Identificar este proceso de parar y reiniciar y las condiciones que lo controlan es nuevo, dijo Sujit Datta, profesor asistente de ingeniería química y biológica y facultad asociada del Centro Andlinger para la Energía y el Medio Ambiente, el Instituto Ambiental High Meadows y el Instituto Princeton. para la Ciencia y Tecnología de Materiales.
Anteriormente, los investigadores pensaban que cuando se atascaban las micropartículas, generalmente se quedaban allí, lo que limitaba la comprensión de la propagación de partículas.
Datta dirigió el equipo de investigación, que descubrió que las micropartículas se liberan cuando la velocidad del fluido que fluye a través del medio permanece lo suficientemente alta. Los investigadores de Princeton demostraron que el proceso de deposición, o formación de obstrucciones, y erosión, y su ruptura, es cíclico; las obstrucciones se forman y luego se rompen por la presión del fluido a lo largo del tiempo y la distancia, moviendo las partículas más a través del espacio poroso hasta que se vuelven a formar las obstrucciones.
"No solo encontramos esta fría dinámica de partículas que se atascan, obstruyen, acumulan depósitos y luego son empujadas, sino que ese proceso permite que las partículas se esparzan en distancias mucho mayores de lo que hubiéramos pensado", dijo Datta.
El equipo incluía a Navid Bizmark, investigador asociado posdoctoral en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Materiales de Princeton, la estudiante de posgrado Joanna Schneider y Rodney Priestley, profesor de ingeniería química y biológica y vicedecano de innovación.
Probaron dos tipos de partículas, "pegajosas" y "no pegajosas", que se corresponden con los tipos reales de microplásticos que se encuentran en el medio ambiente. Sorprendentemente, encontraron que no había diferencia en el proceso en sí; es decir, ambas siguen obstruidas y destapadas a presiones de fluido suficientemente altas. La única diferencia fue dónde se formaron los grupos.
Las partículas "no pegajosas" tendían a atascarse sólo en pasajes estrechos, mientras que las pegajosas parecían poder quedar atrapadas en cualquier superficie del medio sólido que encontraran. Como resultado de esta dinámica, ahora está claro que incluso las partículas "pegajosas" pueden extenderse por áreas extensas y por cientos de poros.
En el artículo, los investigadores describen el bombeo de micropartículas de poliestireno fluorescente y fluido a través de un medio poroso transparente desarrollado en el laboratorio de Datta, y luego observaron el movimiento de las micropartículas bajo un microscopio. El poliestireno es la micropartícula de plástico que forma la espuma de poliestireno, que a menudo se vierte en el suelo y las vías fluviales a través de los materiales de embalado y los contenedores de comida rápida. Los medios porosos que crearon imitan de cerca la estructura de los medios naturales, incluidos los suelos, los sedimentos y los acuíferos subterráneos.
Por lo general, los medios porosos son opacos, por lo que no se puede ver qué están haciendo o cómo fluyen las micropartículas. Los investigadores generalmente miden lo que entra y sale de los medios e intentan inferir los procesos que ocurren en el interior. Al hacer medios porosos transparentes, los investigadores superaron esa limitación.
"Datta y sus colegas abrieron la caja negra", dijo Philippe Coussot, profesor de Ecole des Ponts Paris Tech y experto en reología que no está afiliado al estudio.
"Descubrimos trucos para hacer los medios transparentes. Luego, mediante el uso de micropartículas fluorescentes, pudimos observar su dinámica en tiempo real usando un microscopio", dijo Datta. "Lo bueno es que realmente podemos ver lo que hacen las partículas individuales en diferentes condiciones experimentales".
El estudio, que Coussot describió como un "notable enfoque experimental", mostró que aunque las micropartículas de poliestireno se atascaron en algunos puntos, finalmente se liberaron y se movieron a lo largo de todo el medio durante el experimento.
El objetivo final es utilizar estas observaciones de partículas para mejorar los parámetros de modelos a mayor escala para predecir la cantidad y ubicación de la contaminación. Los modelos se basarían en diferentes tipos de medios porosos y diferentes tamaños de partículas y químicas, y ayudarían a predecir con mayor precisión la contaminación bajo diversas condiciones de riego, lluvia o flujo ambiental.
La investigación puede ayudar a informar modelos matemáticos para comprender mejor la probabilidad de que una partícula se mueva a una cierta distancia y llegue a un destino vulnerable, como una tierra de cultivo, un río o un acuífero cercano. Los investigadores también estudiaron cómo la deposición de partículas microplásticas impacta la permeabilidad del medio, incluida la facilidad con la que el agua para riego puede fluir a través del suelo cuando hay micropartículas presentes.
Datta dijo que este experimento es la punta del iceberg en términos de partículas y aplicaciones que los investigadores pueden ahora estudiar. "Ahora que encontramos algo tan sorprendente en un sistema tan simple, estamos emocionados de ver cuáles son las implicaciones para sistemas más complejos", dijo Datta.
Dijo, por ejemplo, que este principio podría dar una idea de cómo las arcillas, minerales, granos, cuarzo, virus, microbios y otras partículas se mueven en medios con químicas superficiales complejas.
El conocimiento también ayudará a los investigadores a comprender cómo implementar nanopartículas diseñadas para remediar los acuíferos de agua subterránea contaminados, quizás filtrados de una planta de fabricación, granja o corriente de aguas residuales urbanas.
Más allá de la remediación ambiental, los hallazgos son aplicables a procesos en un espectro de industrias, desde la administración de medicamentos hasta los mecanismos de filtración, efectivamente cualquier medio en el que las partículas fluyan y se acumulen, dijo Datta.
La investigación fue publicada en Science Advances el 13 de noviembre: Multiscale dynamics of colloidal deposition and erosion in porous media
