Microplastic–Contaminant Interactions: Influence of Nonlinearity and Coupled Mass Transfer

吸附 传质 扩散 弗伦德利希方程 化学 动力学 聚酰胺 聚乙烯 环境化学 化学工程 热力学 水溶液 色谱法 有机化学 吸附 工程类 物理 量子力学
作者
Sven Seidensticker,Christiane Zarfl,Olaf A. Cirpka,Peter Grathwohl
出处
期刊:Environmental Toxicology and Chemistry [Wiley]
卷期号:38 (8): 1635-1644 被引量:47
标识
DOI:10.1002/etc.4447
摘要

Abstract Microplastic particles are ubiquitously detected in the environment. Despite intensive public and scientific discussions, their potential to transport contaminants in rivers and oceans under environmental conditions is still under assessment. In the present study we measured sorption isotherms and kinetics in batch experiments using phenanthrene (as a typical hydrophobic wastewater contaminant) and microplastic particles of different sizes and materials. We observed a linear sorption isotherm for polyethylene, in contrast to nonlinear sorption of polyamide and polystyrene, which could be best described by the Freundlich and the Polanyi–Dubinin–Manes isotherms, respectively. We modeled sorption kinetics as a combination of external mass transfer governed by diffusion through an aqueous boundary layer and intraparticle diffusion within the plastic. Which of these processes controls the kinetics depends on the sorption strength, particle size, diffusion coefficients, and time. We used semi-analytical and numerical methods to simulate the coupled mass transfer for both linear and nonlinear sorption. We successfully applied the semi-analytical model to polyethylene and the numerical code to polyamide and polystyrene, reproducing the measured kinetics and obtaining reasonable values for mass transfer and intraparticle diffusion coefficients. Subsequently, we used these coefficients to estimate the transport potential and relevant time scales for microplastic-bound contaminants under environmental conditions. Environ Toxicol Chem 2019;38:1635–1644. © 2019 SETAC Abstract Time scales for 50% desorption under different conditions.
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