本研究使用了一个二维透明多孔介质微流控芯片，其具有表面光滑的孔隙结构，并具有均匀的电荷分布。这一设置使得能够对微塑料和纳米塑料在各种类型的天然有机物（如海藻酸钠和腐殖酸）中的沉积进行时间分辨监测。研究的颗粒是具有不规则形状、粗糙表面和尺寸连续分布（从10纳米到5微米）的环境代表性聚苯乙烯碎片。在一个填充砂柱上观察到了相同颗粒分散液的尺寸依赖性沉积。然而，无法通过这种实验设计阐明颗粒沉积的机制。在该研究中，通过吸收光谱法实时观察了颗粒沉积动态，并通过动态光散射（DLS）和库仑计数器测量了出口处的颗粒浓度。通过这些方法的组合，我们能够显示微纳颗粒在多孔介质中的输运类似于其他胶体的输运。实验结果揭示了沉积和重新悬浮过程如何改变了被输送物体的尺寸分布，而这些过程在土壤和岩石中的塑料碎片命运中没有考虑到。
图1（(a)透射电镜测量的NPT-F40粒径分布(直方图)和DLS测量的平均强度(线)。(b) Coulter计数器测得的粒径概率密度函数。(c) NPT-F40的透射电镜图像。(d) 1 μm放大后的SEM图像。(e)粒子轮廓AFM图像;(f)粒子粗糙度AFM图像。黑色对应零高度，黄色对应最大高度）
DLS测量和TEM - SEM图像分析表明，NPT的聚苯乙烯分散体是多分散体，主要由纳米塑料组成(图1a)。这可以通过以下事实来解释:生产NPT分散体的方法经过优化，可以生产纳米级塑料颗粒，因为它采用高能研磨，然后使用声波再悬浮到水中因此，大多数颗粒是纳米级的，过滤只能去除残留的微米级颗粒。由于NPT-F40的平均水动力直径(dzH)为275±55 nm，并且通过Coulter计数器测定的0.6 ~ 20 μm之间的颗粒尺寸分布存在重叠(图1b)，因此不同批次之间的尺寸分布具有可重复性。通过外推Coulter计数器数据的拟合到平均流体动力直径，我们发现亚微米颗粒至少占NPT-F40分散的95%以上。高倍TEM - SEM图像显示颗粒的大小和形状不均匀(图1c,d)。原子力显微镜(AFM)显示，颗粒可呈球形、棒状或片状，表面粗糙(图1e、f)
图2（(a)模型多孔介质的设计。(b)孔隙结构与实验相同的较小介质前2mm的速度图，红色矩形对应低孔隙率，黑色矩形对应高孔隙率。(c)放大实验所用介质入口前六行左右角。箭头表示流动方向。）
这种多孔介质由圆柱形柱组成，充当收集器。这些高30 μm，排列在超过20毫米的行中。每排平均包含50根直径为40 μm的矿柱，随机间隔形成20、35和50 μm之间的孔隙(图2a)。70%的孔隙尺寸为20 μm，其余分布在35 ~ 50 μm之间。这种随机的孔隙空间分布使得低孔隙度带(图2b中的红色矩形)，其中较小的孔隙集中在高孔隙度带(黑色矩形)，较大的孔隙在排列中形成裂缝。因此，介质具有空间流动非均质性，正如在实际土壤中发现的那样。
观察到沉积物在少数位置生长，而不是在收集器周围均匀分布(图3d,e)。随着相邻收集器上的沉积物的增长，它们可以在收集器之间形成桥梁。这导致几个孔隙严重阻塞，从而局部增加了进入颗粒的滞留(图3f)。
图4（(a) NPT-F40和(c) NPT-F3，在不同的流速下，洗脱的颗粒与注入的颗粒之比。阴影区域对应于数据的标准偏差。(b) NPT-F40和(d) NPT-F3在多孔介质出口监测的吸光度(A)的时间演变，用实验开始时注入介质中的分散体的吸光度(A0)进行缩放。垂直的虚线和虚线分别对应与颗粒沉积形成有关的明显流量下降的开始和介质入口处的大量污垢)。
实际上，多孔沉积物捕获直径在0.6 ~ 2 μm之间的入射颗粒(图4a)导致流量下降，直到实验开始后100 min左右完全阻挡介质入口(图3a)。此后，吸光度保持相对较高，约为初始吸光度水平的60%(图4b)。这表明，大多数注入的纳米塑料颗粒在介质和多孔沉积物中都没有被捕获。当流量降至Q = 25和10 μL /min 时，沉积物的生长速度与NPT-F40一样快，且纳米塑性保留水平相同(图4a,c)。这表明，流量下降变得更加明显，因为足够多的微米级颗粒被注入并捕获在介质中，使得纳米塑料的捕获显著增加。这种沉积物通过捕获更多颗粒而生长的能力也被出口吸光度的演变所证实，这与NPTF40的吸光度相似(图4d)。
图6 (a) NPT-F40在不含NOM和含腐植酸(HA)和海藻酸钠(SA)的多孔介质中平均流速随时间的演变。每条曲线的数字对应于图b、c和d中提供的沉积剖面的流速。(b)无NOM的NPT-F40和(c)含HA的NPT-F40沿整个介质长度的沉积剖面，对应于不同的流速，(d)含HA的NPT-F40，用任意单位(AU)绘制，对应于图像的灰度级别，仅适用于批次n°2。(b)中的插入部分对应于在流速下介质最后2mm的演化沉积。在不同流速下，洗脱的颗粒与注入NPT-F40的颗粒之比(e)为HA和(f)为SA。阴影区域对应于标准差。
文章回顾
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