Для прогнозирования объема образующегося микропластика и размера его частиц используется модель индекса микропластика (MPI), предсказывающая минимальный размер частиц и их суммарный объем, которые могут образоваться в результате удара или износа на Дж затраченной энергии. В свою очередь является параметром пластиков, указывающий на тенденцию образования микропластика: высокую (высокий MPI) или низкую (низкий MPI).

Уравнения для износа выглядят следующим образом:

(1)

где:

V _{W —} объем микропластика образующегося при износе (мкм 3)

δ _W — минимальные размеры частиц при износе (мкм);

(2)

E — модуль Юнга (МПа);

W — работа когезии, которая представляет собой энергию, необходимую для разделения материала на две части, и может быть получена из поверхностной энергии W = 2γSurf (Дж/м ² );

ν — коэффициент Пуассона;

σ _S — напряжение сдвига (МПа).

Для качественного определения образования микропластика в программе ANSYS 2024 R2, в модуле Transient Structural нами были смоделированы и изучены процессы контактного взаимодействия пластиковой бутылки с крышкой, а также пластикового контейнера с крышкой в процессе «закрытие» [1, 2].

Материалы исследуемых изделий:

— Бутылка, контейнер, крышка контейнера — PET (Полиэтилентерефталат);

— Крышка бутылки — PP (Полиэтилен низкого давления).

Характеристики материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Коэффициент трения µ для контакта PET/PP принимаем 0,15, для контакта PP/PP принимаем 0,25.

Все характеристики материалов были взяты для комнатной температуры t=22 ⁰ С.

На рис. 1 и 2 представлены 3D-модели пластиковой бутылки и пластикового контейнера в начале и в конце движения процесса «закрытие».

Для взаимодействия пластиковой бутылки с крышкой главным движением являлось проворачивание крышки вокруг бутылки с последующим линейным движением по резьбе вниз.

Для взаимодействия пластикового контейнера с крышкой главным и единственным движением являлось опускание крышки вниз до упора.

Рис. 1. 3D-модель пластиковой бутылки в процессе «закрытие»

а) общая геометрия б) резьбовое зацепление в начале движения в) резьбовое зацепление в конце движения г) контактная пара

Рис. 2. 3D-модель пластикового контейнера в процессе «закрытие»

а) общая геометрия б) геометрия начале движения в) геометрия в конце движения г) контактная пара

Результаты расчетов контактного взаимодействия для обеих моделей представлены на рисунках 3 и 4 в виде графиков напряжения трением (напряжение сдвига) и расстояния скольжения контактных пар.

Рис. 3. Графики напряжения трением (а) и расстояние скольжения (б) в процессе закрывания пластиковой бутылки

Рис. 4. Графики напряжения трением (а) и расстояние скольжения (б) в процессе закрывания пластикового контейнера

По мере проворачивания крышки вокруг бутылки с ее последующим линейным движением по резьбе вниз напряжения сдвига увеличивается в моменте соприкосновения воротника крышки с горловиной бутылки, достигая максимальных значений до 9 Мпа.

Последующее некоторое уменьшение напряжения сдвига контакта после достижения им максимального значения связано с отгибанием воротника крышки и последующим уменьшением усилия давления на горловину бутылки.

Расстояние скольжения увеличивается пропорционально по мере закрывания бутылки и достигает своего максимального значения к концу движения.

Для данного исследования были единовременно закуплены две упаковки одноразовых пластиковых емкостей для воды, произведенных крупным поставщиком бутилированной продукции. Каждый ящик содержал 24 индивидуальные бутылки, изготовленные из полиэтилентерефталата (ПЭТ). В рамках эксперимента емкости из обеих упаковок распределялись случайным образом, чтобы исключить влияние возможных различий между отдельными партиями на конечные результаты.

Крышки бутылок подвергались открыванию и закрыванию по 1, 5, 10 и 15 раз, после чего проводился анализ количества образующихся частиц за один цикл манипуляции. В случаях, когда операция осуществлялась более одного раза, колпачок полностью ослаблялся, но не снимался с горлышка, после чего вновь затягивался. Данная процедура применялась для предотвращения попадания окружающего воздуха внутрь емкости в процессе повторных циклов. В дальнейшем под циклом открытия-закрытия понимается совокупность полного ослабления и последующего затягивания крышки, вне зависимости от того, отделялась ли она от бутылки между этими действиями. Каждый такой цикл выполнялся приблизительно за пять секунд, а все операции проводились последовательно, так что выполнение 15 циклов занимало менее двух минут.

После завершения заданного количества циклов в каждую бутылку добавляли 5 миллилитров исходного раствора красителя NR с концентрацией 1 мг/мл, чтобы достичь рабочей концентрации 10 мкг/мл. Исходный раствор готовили на ацетоне (класс чистоты Pharmco HPLC-UV) и хранили в стеклянной таре при температуре + 4 ^o С между. Затем бутылки с водой снова закрывали крышками и помещали в горизонтальное положение на 30-минутный инкубационный период с красителем, чтобы обеспечить маркировку любых частиц микропластика, которые могли попасть в область контакта крышки с горлышком. После этого воду фильтровали с использованием вакуума через стеклянный микроволоконный фильтр Whatman (модель 934-AH, производства GE Healthcare Life Sciences, с порами размером 1,5 микрона). Во время фильтрации бутылку поворачивали вокруг своей оси четыре раза, чтобы гарантировать смыв всех частиц с внутренней поверхности горлышка.

Вся стеклянная лабораторная посуда, применяемая в экспериментах, тщательно мылась после каждого использования. Непосредственно перед началом опытов стеклянные изделия дважды промывались деионизированной водой. Обработанные фильтры хранились в закрытых стеклянных чашках Петри для минимизации загрязнения. Кроме того, во время проведения экспериментов исследователь носил исключительно хлопчатобумажную одежду. Порядок выполнения различных повторных экспериментов был рандомизирован, чтобы свести к минимуму влияние любых систематических факторов, таких как накопление загрязнений на стеклянной посуде.

Линейная экстраполяция среднего количества частиц, позволяет получить значение перехвата, равное 351 частиц на литр (МП/л). Данная величина представляет собой оценку общего числа частиц, присутствующих в воде из всех возможных источников, за исключением частиц, образующихся в процессе открытия и закрытия крышки. Следовательно, частицы, появляющиеся при розливе воды в бутылки, высвобождающиеся с внутренних поверхностей бутылки в ходе розлива, транспортировки и обработки, а также любые загрязнения, возникшие в рамках данных экспериментов (включая загрязнение окружающего воздуха, частицы в используемых реагентах и частицы из стеклянной посуды), в совокупности дают указанное значение перехвата.

Сравнение среднего значения перехвата в 351 МП/л, со средней плотностью частиц лабораторного образца, составляющей 406 МП/л, позволяет сделать вывод, что в среднем экспериментальное загрязнение, отраженное в лабораторных бланках, может полностью объяснить величину перехвата. Разница между значением перехвата и показателями лабораторных бланков составляет минус 55 МП/л. Таким образом, частицы, наблюдаемые в ходе всех проведенных тестов, скорректированные с учетом лабораторных бланков, вероятнее всего, образуются в процессе циклов открытия и закрытия крышки бутылки. Плотность частиц микропластика, принятая в данном исследовании, составляет 513 ± 102 (стандартная ошибка) МП/л при однократном открытии крышки, что определяется на основе наклона средней плотности частиц.

Как отмечалось ранее, значительные различия в уровнях частиц, о которых сообщается в разных исследованиях, продолжают оставаться проблемой для изучения микропластика (MП). Уровни MП, указанные в данной работе (406 МП/л) для частиц размером более 4,2 мкм, превышают значения, опубликованные в предыдущих исследованиях. Например, Mason S. A. и соавторы сообщили в среднем о 325 MП/л для частиц размером более 6,5 мкм, проанализировав 11 марок бутилированной воды [3]. Однако 19 % партий в их исследовании демонстрировали уровни MП выше, чем в данной работе. Winkler A. и соавторы указали значение 148 ± 253 MП/л для частиц размером более 6,5 мкм. Присущая вариабельность уровней MП в бутилированной воде, а также различия в процедурах и методах обнаружения между исследователями подчеркивают необходимость стандартизации протоколов тестирования [4].

Schymanski D. с соавторами обнаружили, что 99 %, 70 % и 69 % частиц соответственно, найденных в воде из одноразовых пластиковых бутылок, имели тот же состав, что и сама бутылка (полиэтилентерефталат, ПЭТ) и материалы пластиковой крышки (полипропилен, ПП, и полиэтилен, ПЭ) [5]. Вероятно, что вклад фонового загрязнения, отраженного в лабораторных бланках, может объяснить различия между количеством материалов бутылок и крышек, обнаруженных в этих исследованиях. Хотя состав частиц, образующихся в ходе циклов открытия и закрытия крышки, в данной работе не измерялся, основной вывод о том, что частицы образуются в результате истирания между бутылкой и крышкой, согласуется с результатами вышеупомянутых исследований. Этот вывод о доминирующей роли циклов открытия-закрытия крышки в образовании частиц также хорошо согласуется с данными Winkler A. и соавторов, которые обнаружили более 60 000 частиц на поверхности одноразовых крышек ПЭТ-бутылок после 100 циклов открытия-закрытия и не зафиксировали значительного увеличения количества частиц в воде при механическом воздействии на корпус ПЭТ-бутылки в течение 10 минут [4].

Процедура, использованная в данном исследовании для обнаружения MП с помощью Нильского Красного (NR), основана на методе, описанном Mason, S.A. и соавторами [3]. Два процедурных усовершенствования, вероятно, объясняют более высокий уровень МП, обнаруженный в данной работе по сравнению с предыдущими. Первое улучшение касается ориентации бутылки во время периода инкубации с NR. Рисунок 5 демонстрирует наиболее часто используемую конструкцию крышек для одноразовых ПЭТ-бутылок для воды. Воротник крышки плотно прилегает к внутреннему диаметру горлышка. Как показывают результаты данного исследования, все обнаруженные частицы MП, вероятно, генерируются вследствие циклов открытия-закрытия крышки. Поэтому разумно предположить, что многие частицы MП захватываются на границе раздела между воротником и горлышком. Размещение бутылок на боку в период инкубации с красителем обеспечивает возможность NR пометить частицы, все еще находящиеся на этой границе, тогда как сохранение бутылки в вертикальном положении исключает такую возможность.

Литература:

1. Лукин, А. А. Математическая модель склонности полимерных материалов к образованию микропластика при механическом воздействии / А. А. Лукин. — Текст: непосредственный // Экологический Вестник Северного Кавказа. — 2024. — № 1. — С. 5–9.

2. Лукин, А. А. Идентификация микропластика в бутилированной питьевой воде / А. А. Лукин, М. А. Тихоненко. — Текст: непосредственный // ФЭС: Финансы. Экономика. Стратегия. — 2023. — № 4. — С. 70–76.

3. Mason, S. A. Synthetic polymer contamination in bottled water / S. A. Mason, V. G. Welch, J. Neratko. — Текст: непосредственный // Frontiers in Chemistry. — 2018. — № 6.

4. Does mechanical stress cause microplastic release from plastic water bottles? / A. Winkler, N. Santo, M. A. Ortenzi [и др.]. — Текст: непосредственный // Water Research. — 2019.

5. Analysis of microplastics in water by micro-Raman spectroscopy: release of plastic particles from different packaging into mineral water / D. Schymanski, C. Goldbeck, H. Humpf, P. Fürst. — Текст: непосредственный // Water Research. — 2018. — № 129. — С. 154–162.