Sorption of organic compounds by microplastic

Kunststoffe sind synthetische Polymere, deren weltweite Produktion seit den 1950er kontinuierlich steigt. Mikroplastik (MP) sind kleine Kunststoffpartikel, die durch unterschiedliche Quellen erzeugt werden. MP sind hydrophob, beständig und haben eine extrem lange Lebensdauer in den Ozeanen. Untersuchungen haben gezeigt, dass sie persistente, bioakkumulierbare und giftige Stoffe (PBT) sorbieren, was zu einem Problem in den letzten Jahren wurde. Sie sind in der Lage Schadstoffe in entfernte und unberührte Orte zu transportieren. Frühere Studien haben bereits die Wechselwirkung zwischen MP und hydrophoben organischen Verbindungen (HOC) diskutiert, jedoch gibt es immer noch einen großen Mangel am Verständnis der relevanten Sorptionsmechanismen. Das Ziel dieser Arbeit war daher, eine systematische Charakterisierung des Sorptionsverhaltens von häufig vorkommenden MP Partikeln (PE, PS, PA und PVC). Es wurden Sorptionsisothermen zwischen MP und organischen Verbindungen in Batchversuchen gemessen. Die Sorptionsmodelle: Linear, Freundlich und Langmuir wurden für die Daten angewendet. Außerdem wurden experimentell bestimmte Verteilungs-Koeffizienten (Kd) mit Eigenschaften von Sorbaten und Sorbenten korreliert. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigten, dass die experimentellen Daten am besten mit dem Linearen und Freundlich Modell beschrieben werden können. Die Linearität der Isothermen (PE und PA) deutet darauf hin, dass es keine energetische Präferenz für die Sorptionsplätze auf der Sorbenten Oberfläche gab. Einige Daten zeigten eine leichte Nichtlinearität (PS und PVC). Bei PS wurde diese wahrscheinlich durch die zusätzlichen π−π Wechselwirkungen zu den aromatischen Verbindungen verursacht. PVC hat einen heterogenen Charakter aufgrund seiner glasartigen Struktur. Die Korrelationen zwischen den Kd – Werten und ein paar Hydrophobizitäts Parametern der Sorbate zeigten, dass die Sorption von fast allen Verbindungen stark von ihrer Hydrophobizität abhing. Außerdem korrelierten die Kd – Werte mit der Oberfläche aller Sorbenten. Es wurde beobachtet, dass PS die höchsten Konzentrationen an organischen Verbindungen sorbierte. Dies konnte durch die zusätzlichen Wechselwirkungen an der PS Oberfläche erklärt werden. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Hydrophobizität der wichtigste Wechselwirkungsmechanismus ist, der die Sorption zwischen den MP Partikeln und den Verbindungen steuert.Plastics are synthetic polymers which global production increases continuously since the 1950s due to their specific properties. Microplastics (MPs) are small plastic particles which may be generated from various sources. MPs are hydrophobic, persistent and have an extremely long lifetime in the oceans. Investigations have shown that MPs sorb persistent, bioaccumulative, and toxic substances (PBTs) which became an important issue in recent years. MPs are able to transport contaminants to remote and pristine locations. Previous studies already discussed the interaction of MPs and hydrophobic organic compounds (HOC) but there is still a huge lack in the understanding of relevant sorption mechanisms. Thus, the aim of this study was to systematically characterize the sorption behaviour of commonly found MP particles (PE, PS, PA and PVC). Sorption isotherm batch experiments were conducted with MPs as sorbents and organic compounds as sorbates. They were then fitted with the linear, Freundlich and Langmuir models. Moreover, experimentally determined distribution coefficients (Kd) were correlated with known sorbate and sorbent properties. The results of this study showed that the linear and the Freundlich models provided the best fits for most of the experimental data. The linearity of the isotherm data (PE and PA) indicated that there was no energetic preference for sorption sites on the sorbent surface. Some isotherm data showed slightly more nonlinearity (PS and PVC). The nonlinearity for PS was probably caused by the additional π−π interaction forces to the aromatic organic compounds. PVC has a heterogeneous character due to its nature as a glassy polymer. The correlations of the Kd - values with some hydrophobicity parameters of the sorbates showed that sorption of almost all compounds was strongly determined by their hydrophobicity. Moreover, the Kd - values correlated with the surface area of all sorbents. It was shown that PS sorbed the highest concentrations which could be explained by the additional interactions at the PS surface area. It could be concluded that hydrophobicity was the most important molecular interaction controlling sorption between the MPs and the compounds