Studio della concentrazione di polimeri nelle microplastiche miscelate utilizzando la mappatura Raman 2D e 3D

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7771 (2023) Citare questo articolo

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La combinazione di diversi polimeri sotto forma di miscele di plastica viene utilizzata da molto tempo nell'industria della plastica. Tuttavia, le analisi delle microplastiche (MP) sono state principalmente limitate allo studio di particelle costituite da polimeri di tipo singolo. Di conseguenza, due membri della famiglia delle poliolefine (PO), ovvero il polipropilene (PP) e il polietilene a bassa densità (LDPE), vengono miscelati e ampiamente studiati in questo lavoro a causa delle loro applicazioni nell'industria e dell'abbondanza nell'ambiente. È dimostrato che la mappatura Raman 2-D fornisce solo informazioni sulla superficie degli MP miscelati (B-MP). Mentre è necessaria un'analisi volumetrica 3D complementare per comprendere appieno la presenza di vari polimeri in campioni così complessi. Pertanto, viene applicata la mappatura Raman 3D per visualizzare la morfologia della distribuzione dei polimeri all'interno dei B-MP insieme alla stima quantitativa delle loro concentrazioni. Un parametro definito errore di stima della concentrazione (CEE) valuta la precisione dell'analisi quantitativa. Inoltre, viene studiato l'impatto di quattro lunghezze d'onda di eccitazione 405, 532, 633 e 785 nm sui risultati ottenuti. Infine, viene introdotta l'applicazione di un profilo del raggio laser a forma di linea (line-focus) per ridurre il tempo di misurazione da 56 a 2 ore.

Senza alcun dubbio, la plastica è tra i materiali più utili per le industrie di oggi. Tuttavia, negli ultimi anni questo materiale economicamente vantaggioso si è rivelato una potenziale minaccia per il nostro ambiente1. Molta attenzione è stata dedicata all’indagine sull’inquinamento da plastica, rivelando dati sorprendenti. È stato dimostrato che negli ultimi anni nelle acque subtropicali tra la California e le Hawaii si è formata una grande isola di rifiuti di plastica con una superficie di 1,6 milioni di km2, quasi tre volte la superficie della Francia2. Indubbiamente, con l’attuale andamento dei consumi e la mancanza di metodi adeguati per lo smaltimento e il riciclo dei rifiuti plastici, il problema si intensificherà ulteriormente nei prossimi anni. Ad esempio, è stato stimato che entro il 2050 saranno presenti nell’ambiente 12.000 milioni di tonnellate di rifiuti di plastica3. Oltre a ciò, i rapporti mostrano la presenza di particelle di plastica, comunemente chiamate microplastiche (MP), nell’aria che respiriamo4 , nel cibo che mangiamo5, nell'acqua che beviamo6 e persino nel nostro corpo7. Infatti, questi minuscoli MP (1 µm–5 mm) sono principalmente il risultato della frammentazione di particelle di plastica più grandi attraverso diversi fattori come agenti atmosferici, erosione, attriti e illuminazione con luce ultravioletta (UV), per citarne alcuni, che alla fine trovano la loro strada nella nostra vita quotidiana8,9,10.

La maggior parte degli studi che si occupano dell'analisi delle microplastiche nell'ambiente si sono concentrati principalmente sulla presenza di plastiche monotipo come Polietilene (PE), Polipropilene (PP), Polistirolo (PS), ecc.11,12,13. L'adattamento delle caratteristiche fisico-chimiche dei polimeri per un'applicazione specifica è invece un campo di ricerca consolidato da molto tempo14. Utilizzando questo approccio, sono stati ottenuti polimeri con le caratteristiche desiderate senza investire troppi sforzi nell'inventare un polimero totalmente nuovo, rendendolo quindi attraente per scopi commerciali con un volume di mercato e un tasso di produzione considerevoli15. Ad esempio, la semplice miscelazione allo stato fuso di poliolefine (PO), che costituiscono un’ampia famiglia di polimeri comunemente utilizzati come PP, PE, PE a bassa densità (LDPE) e PE ad alta densità (HDPE), è stato un approccio pratico per migliorare le proprietà meccaniche dei prodotti finali senza aggiungere alcun compatibilizzante15,16. Le proprietà meccaniche migliorate, tuttavia, potrebbero allungare ulteriormente il tempo di decomposizione richiesto di tali rifiuti di plastica, che è stato segnalato essere superiore a centinaia di anni per le plastiche di tipo singolo17. Sorprendentemente, le OP sono tra le tipologie di MP rilevate più frequentemente nell'ambiente5,12. Detto questo, solo un gruppo ha recentemente indagato la presenza di microplastiche composite nell’ambiente18. Gli autori hanno applicato la mappatura Raman 3D sulle microplastiche composite composte da strati laminati di polimero e fibra per aumentare l'affidabilità dell'identificazione. Tuttavia, i polimeri possono essere utilizzati sotto forma di miscele miscibili e immiscibili, possedendo composizioni più complesse19,20. L'identificazione affidabile dei diversi tipi di polimeri presenti in campioni così complessi insieme alla loro analisi quantitativa può essere di grande importanza sul campo, ad esempio, per lo sviluppo di un protocollo standardizzato per l'analisi delle microplastiche12,21. Oltre a ciò, è stato riferito che lo studio delle miscele di plastica aumenterà le opportunità del loro riciclaggio, poiché durante il processo di riciclaggio possono formarsi varie miscele22.