Physikalisch-chemische Charakterisierung von Nanoplastik

Forschungskontext
Aerosol Nanoplastikteilchen geben Grund zur Sorge, sowohl in Gesundheits- wie auch Umweltaspekten. Bei so kleinen Größen gewinnt die spezifische Oberfläche zunehmend an Bedeutung für Sorptionsprozesse von organischen Verunreinigungen und giftigen Schwermetallen. Im Submikrometerbereich spielt zudem die Brownsche Bewegung eine zunehmend wichtigere Rolle, die sich beim weitreichenden atmosphärischen Transport und Deposition der Nanopartikel in entlegenen Gebieten manifestiert. Eine lange Verweildauer der Nanoplastikteilchen in der Atmosphäre kann durchaus auch für die Wolkenbildung von Bedeutung sein. Trotzdem gibt es noch kaum Kenntnisse über Phasenumwandlungsprozesse an Nanoplastikteilchen und die Detektion im Größenbereich zwischen wenigen nm und 100 nm ist mit gängigen Methoden nahezu unmöglich.
Hypothesen/Vorhaben
Die diesem Projekt zugrunde liegende Hypothese ist die effiziente Erzeugung von Nanoplastikteilchen mit hohen Konzentrationen durch Gas-Partikel-Umwandlung. Wie bereits gezeigt werden konnte, kann makroskopisches Plastik unter Hitzestress um Größenordnungen mehr Nanopartikel erzeugen, als es durch mechanische Zerkleinerung von größeren Plastikobjekten möglich ist. Daher wollen wir unter definierten Laborbedingungen die relevanten Prozesse untersuchen und Nanoplastikteilchen chemisch und physikalisch charakterisieren.
Methoden
Die Experimente zur chemisch-physikalischen Charakterisierung setzen eine stabile Partikelquelle voraus, bei der verschiedene Typen von Makroplastik in einem Rohrofen definiert erhitzt werden. Die entstehenden Teilchen werden anschließend durch elektrische Mobilitätsanalyse selektiert und in die entsprechenden Analysegeräte geleitet. Für die chemischen Charakterisierungen verwenden wir ein Atmosphärendruckinterface-Massenspektrometer, das gleichzeitig mit beiden Polaritäten betrieben werden kann. Das Massenspektrometer wird dabei mit einem neuen Einlass ausgestattet, der auch die thermische Zersetzung und Ionisierung der Teilchen ermöglicht.
Neben der Größenuntersuchung wird sich die physikalische Charakterisierung auf die heterogene Nukleation von Dämpfen mit unterschiedlicher Polarität konzentrieren. Entsprechende Experimente werden mit einem expansionsbasierten Kondensationskernzähler durchgeführt, der quantitative Messungen der Teilchenanzahlkonzentration als Funktion des Sättigungsverhältnisses ermöglicht. Neben unterschiedlichen Flüssigkeiten erwarten wir auch durch einen erweiterten Temperaturbereich tiefergehende Einblicke in die heterogene Nukleation.
Innovation
Die grundlegende Charakterisierung von Nanoplastikteilchen, die durch Erwärmung von Makroplastik entstehen, bietet beträchtliches Anwendungspotenzial im Zusammenhang mit Luftqualität in Innenräumen. Weiters können dadurch Einflüsse der Nanoplastikteilchen auf die Wolkenbildung untersucht werden sowie mögliche Detektionsmethoden identifiziert werden.
Beteiligte Forschende
Das Projekt wird vorrangig von Projektleiter Dr. Paul Winkler, einem Postdoc (Dr. Peter Wlasits) und einer studentischen Mitarbeiter*in durchgeführt.