1 Введение 3
2 Обзор литературы 6
2.1 Проблема нахождения микропластика в Мировом океане 6
2.1.1 Содержание и разновидности микропластиков 6
2.1.2 Нанопластики 15
2.1.3 Адсорбция примесей микропластиками 16
2.1.4 Влияние микропластиков на живые организмы 18
2.2 Описание адсорбции на микро- и нанопластиках 21
2.2.1 Теории адсорбции на поверхности твердого тела 22
2.2.2 Теории полимерных щеток 26
2.2.3 Молекулярная динамика 35
3 Теоретическая часть 40
3.1 Модель частицы микропластика 40
3.2 Теоретическое описание модели 41
3.2.1 Приближение сильно растянутых цепей. Случай плоской границы и
отсутствия примеси в растворе 41
3.2.2 Приближение сильной сегрегации. Переход от плоской геометрии к
сферической 45
3.3 Учет корреляций в квазихимическом приближении 46
3.4 Учет третьего вириального коэффициента 47
3.5 Алгоритм численного решения задачи 48
4 Обсуждение результатов 50
4.1 Результаты расчетов без учета третьего вириального коэффициента 50
4.2 Результаты расчетов с учетом третьего вириального коэффициента 57
4.3 Результаты расчетов с учетом корреляций 61
4.4 Сравнение предсказаний модели с результатами экспериментальных
измерений 68
5 Заключение 75
6 Благодарности 76
7 Список литературы 77
Одной из насущных экологических проблем человечества является большое количество производимого и уже накопленного мусора находящегося в природной среде, в частности в Мировом океане. Часто можно услышать о скоплениях мусора в океанах, особенно о тихоокеанском мусорном пятне, содержащем по некоторым данным [1] до 129 тысяч тонн пластика (именно пластик составляет большую долю мусора в океанах, поскольку он не растворим в воде и имеет меньшую чем она плотность).
И хотя пластик не растворяется в воде, он способен фрагментироваться вплоть до микроразмеров. Такие маленькие частицы пластика называют микропластиками. И если большие фрагменты мусора под действием течений собираются в скопления в определенных частях Мирового океана, то микропластик является вездесущим [2]. Сейчас вряд ли можно назвать объект биосферы, где не были бы обнаружены частицы микропластика [3]. Они разносятся не только по Мировому океану, но также попадают в пищевые цепочки, а, следовательно, и в организм человека [4]. Частицы микропластика в основном состоят из таких полимеров как полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид [5]. Хотя на данный момент в литературе нет доказательств того, что частицы микропластика могут негативно
влиять на здоровье человека, существуют исследования, показывающие, что такие3
частицы могут адсорбировать на себе токсичные органические молекулы (в основном пестициды) и ионы тяжелых металлов [6].
В связи с этим представляет интерес изучение адсорбции молекул такими частицами.
В данной работе проведено теоретическое исследование модельной системы микропластика, и молекул примеси, которые за счет специфических взаимодействий с мономерами полимерных цепей способны к адсорбции в полимерной щетке, окаймляющей частицу микропластика. В работе использован подход теории самосогласованного поля с последующим численным решением уравнений с целью получить профиль распределения адсорбируемой примеси в частице микропластика.В связи с этим представляет интерес изучение адсорбции молекул такими частицами.
В данной работе проведено теоретическое исследование модельной системы микропластика, и молекул примеси, которые за счет специфических взаимодействий с мономерами полимерных цепей способны к адсорбции в полимерной щетке, окаймляющей частицу микропластика. В работе использован подход теории самосогласованного поля с последующим численным решением уравнений с целью получить профиль распределения адсорбируемой примеси в частице микропластика.
Цель работы:
Найти профиль распределения адсорбируемой примеси в полимерной щетке на периферии частицы микропластика.
Задачи работы:
- Обзор литературы и изучение имеющихся теоретических подходов к описанию адсорбции на микропластиках;
- Создание теоретической модели для описания адсорбции примесей на частицах микропластика;
- Построение алгоритмов расчета и разработка программного обеспечения для численного решения системы уравнений модели;
- Проведение расчетов для модельных систем: нахождение профиля распределения сорбируемой примеси в частице микропластика;
В ходе работы мы пришли к следующим выводам:
- как ожидалось, разработанная модель воспроизводит классические закономерности для полимерных щеток, касающиеся перехода хороший-плохой растворитель, зависимости толщины щетки от длины цепей, и позволяет предсказать микрофазное разделение внутри полимерной щетки при учете третьего вириального коэффициента;
- показано, что учет корреляций приводит к увеличению концентрации гидрофобной примеси в щетке. Для гидрофильной примеси увеличение концентрации наблюдается только в случае плохого растворителя. В случае хорошего растворителя влияние учета корреляций весьма незначительно;
- согласно модели, уменьшение размера частицы пластика эквивалентно улучшению качества растворителя: плохой для микропластика растворитель может превращаться в хороший растворитель для наноразмерных частиц. Таким образом модель указывает на потенциальную опасность нанопластика. Глобулярная полимерная фаза микропластика, при его измельчении до наноразмера может приобретать строение полимерной щетки, набухшей в хорошем растворителе, что значительно увеличивает его адсорбционные способности. Это делает частицы наноплатика большей угрозой для здоровья живых организмов нежели микропластик.
- в ее существующем виде модель не дает количественного соответствия с экспериментом в силу отсутствия учета гидрофобного эффекта, а также неточности оценки параметров модели на основании имеющихся экспериментальных данных.
Дальнейшее развитие модели, нацеленное на улучшение количественного согласия прогнозов с экспериментом, могло бы состоять в совершенствовании метода оценки параметров, а также в учете неоднородности структуры застеклованных ядер частиц путем введения сетки случайных сшивок. Весьма важным представляется и описание электростатических взаимодействий в рамках развиваемой модели, так как многие вредные примеси присутствуют в растворе в ионных формах.
6 Благодарности
Выражаю благодарность своему научному руководителю Викторову Алексею Исмаиловичу за внимательное руководство, доброжелательный настрой и время, проведенное за обсуждением работы.
