DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2025.144121
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39842276
تاريخ النشر: 2025-01-21
المؤلف: Marloes F. van Os وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تدرس الدراسة التحلل غير الحيوي لجزيئات تآكل الإطارات (TWP) في البيئة، كاشفة أن التحلل تحت الأشعة فوق البنفسجية يتبع عملية من الدرجة الأولى بمعدل 0.03 يوم\(^{-1}\). تسلط الأبحاث الضوء على أن حجم الجزيئات النموذجي ينخفض بمعدل 0.03 ميكرومتر يوم\(^{-1}\)، مع مساهمة التفتت في تشكيل جزيئات أصغر، وخاصة تلك التي تقل عن 10 ميكرومتر. تشير القياسات البيئية إلى أن جزيئات TWP الأصغر أكثر انتشارًا في التربة مقارنة بعينات الترسيب الجوي، مما يشير إلى تأثير كبير للتحلل على تراكم الجزيئات.
تؤسس النتائج عامل تحلل جديد لجزيئات TWP، مشتق من اختبارات الشيخوخة المعجلة باستخدام مطاط الإطارات المجروش وTWP من محاكي الطرق. تشير التحليلات الحرارية (TGA) إلى معدل تحلل معجل متوسط قدره 0.074 ساعة\(^{-1}\)، والذي، عند تعديله لعوامل التسريع، يؤدي إلى معدل تحلل غير حيوي قدره 0.025 (0.020-0.034) يوم\(^{-1}\) لجزيئات سطح الطريق المكشوف و0.0063 (0.0051-0.0084) يوم\(^{-1}\) لتلك المدفونة في التربة. كما تلاحظ الدراسة أن أنواع المطاط المختلفة تتحلل بمعدلات متفاوتة، حيث يظهر المطاط الطبيعي تحللًا أسرع من المطاط الصناعي. ومع ذلك، أظهرت إطارات الاستخدام الثقيل والخفيف معدلات تحلل مماثلة، على الأرجح بسبب استخدام إطارات الشاحنات الكاملة بدلاً من طبقات المداس فقط. يرافق عملية التحلل فقد كبير في المركبات الكيميائية، وخاصة إضافات الإطارات، من خلال الأكسدة الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية. تؤكد الأبحاث على الحاجة إلى دراسات مستقبلية لتعزيز الصلة البيئية من خلال استخدام TWP التي تعكس بشكل أفضل الظروف الواقعية واستكشاف آثار التحلل البيولوجي.
مقدمة
تناقش المقدمة الأهمية البيئية لجزيئات تآكل الإطارات والطرق (TRWPs)، التي تعد مصدرًا رئيسيًا للميكروبلاستيك مع انبعاثات عالمية تقدر بين 800 و3300 كيلوطن سنويًا. من المتوقع أن يتم تنظيم TRWPs، المصنفة كإنبعاثات مركبات غير عادمة، بموجب تشريعات يورو 7 القادمة. تتكون TRWPs بشكل أساسي من بوليمرات المطاط، وعوامل تعزيز، وإضافات كيميائية، وتظهر هيكلًا غير متجانس ويتأثر نقلها البيئي بحجم الجزيئات. تشير الأبحاث إلى أن جزءًا كبيرًا من TRWPs ينتهي به المطاف في تربة جوانب الطرق، مما يبرز الحاجة إلى فهم أعمق لتحللها في هذه الحجرة.
قدمت الدراسات السابقة، ولا سيما من قبل كادل وويليامز (1980)، معدلات التحلل المعروفة الوحيدة لـ TRWPs في التربة، كاشفة عن معدل تحلل قدره 0.15% يوميًا يتأثر بوجود الميكروبات ونوع مادة الإطار. ومع ذلك، تطورت تركيبة الإطارات منذ ذلك الحين، مما يشير إلى أن معدلات التحلل المحدثة ضرورية لنمذجة بيئية دقيقة. تهدف هذه الأبحاث إلى تحديد تأثيرات التحلل تحت الأشعة فوق البنفسجية على TRWPs وتأسيس معدلات تحلل جديدة من خلال إجراءات الشيخوخة المعجلة تحت الأشعة فوق البنفسجية وتقنيات تحليلية متنوعة، بما في ذلك التحليل الحراري الموزون والمجهر الإلكتروني. من المتوقع أن تعزز النتائج فهم نقل TRWP وتحللها في البيئة.
طرق
في هذه الدراسة، تضمنت المواد المستخدمة Tween-20 (سيغما، الدفعة # SLCC6187)، والتي تم استخدامها دون تنقية إضافية. كانت المياه المستخدمة طوال التجارب مصفاة بواسطة MilliQ، مما يضمن نقاءً عاليًا من خلال فلتر Millipore 0.22 ميكرومتر. تضمنت الأبحاث خمسة نماذج متميزة من إطارات الاستخدام الخفيف، والتي شملت أنواع الصيف، والطقس الجيد، والشتاء، وتمثل كل من شرائح السوق الفاخرة والميزانية. تم الحصول على هذه الإطارات من BandenConcurrent. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على إطارات الاستخدام الثقيل الممزقة في نهاية عمرها من Rumal Tyre Recycling، مما ساهم في تركيز الدراسة على مواد الإطارات وتطبيقاتها.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تحليل أربع عينات من جزيئات تآكل الإطارات (T(R)WPs)، مصنفة وفقًا للتسمية التي وضعتها هالي وآخرون (2020) لضمان الاتساق عبر الأبحاث. تم إنشاء عينتين من خلال الطحن بالتبريد لتقييم تأثيرات التحلل تحت الأشعة فوق البنفسجية على مواد الإطارات، مقارنةً بإطارات الاستخدام الخفيف (سيارة/فان)، التي تحتوي عادةً على مزيد من المطاط الصناعي، مع إطارات الاستخدام الثقيل (شاحنة)، التي تتكون بشكل أساسي من المطاط الطبيعي، وفقًا لمواصفات ISO. تم توليد العينتين المتبقيتين باستخدام محاكي طرق دائري، مما سمح بجمع TRWPs أكثر واقعية تضمنت ترسبات تآكل الطرق، مع التركيز على كل من إطارات الاستخدام الخفيف من شريحة السوق الفاخرة والميزانية.
تم إخضاع T(R)WPs لشيخوخة غير حيوية معجلة، مع جمع العينات في أربع فترات (0، 160، 505، و1000 ساعة) لمحاكاة الظروف البيئية. استخدمت الدراسة افتراضات بشأن التنشيط الحراري والأشعة فوق البنفسجية لتحويل التعرض المعجل إلى جداول زمنية ذات صلة بيئية، مما أدى إلى حساب عامل تسريع قدره 24. يشير هذا العامل إلى أن 1000 ساعة من الشيخوخة المعجلة تتوافق مع حوالي 8.2 سنوات من التعرض البيئي لـ TRWPs على الطرق، بينما قد تتعرض الجزيئات المدفونة في التربة أو الماء لوقت تعرض فعال يبلغ حوالي 32 عامًا. توفر هذه النتائج رؤى حاسمة حول معدلات التحلل لـ T(R)WPs في سياقات بيئية متنوعة.
مناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة توليد وتصنيف جزيئات تآكل الإطارات (TWPs) وجزيئات تآكل الطرق (TRWPs) من خلال طرق تجريبية متنوعة. تم إنتاج TWPs من إطارات جديدة فاخرة للاستخدام الخفيف باستخدام الطحن بالتبريد، بينما تم توليد TRWPs في محاكي طرق محكم يقلل من التلوث من المصادر الخارجية. عمل المحاكي تحت ظروف تحاكي المركبات الأكبر، مع أحمال محاور وسرعات محددة، واستخدم رصيفًا خرسانيًا لتقييم توليد جزيئات التآكل. تسلط الدراسة الضوء على أن TRWPs الناتجة أظهرت خصائص مشابهة للجزيئات الواقعية، على الرغم من أن معدلات انبعاث تآكل الإطارات كانت أقل من المتوقع مقارنةً بالتقديرات على الطرق.
تم تحليل معدلات التحلل لـ T(R)WPs باستخدام التحليل الحراري الموزون (TGA)، كاشفة عن ملفات تحلل حرارية مميزة لمكونات المطاط الطبيعي والمطاط الصناعي. وجدت الدراسة أن معدلات التحلل لكل من إطارات السيارات والشاحنات المجروشة كانت مشابهة، مع تأثر معدلات التحلل البيئية بشكل كبير بوجود ترسبات تآكل الطرق التي قد تحمي المطاط من التعرض للأشعة فوق البنفسجية. بالإضافة إلى ذلك، فحصت الدراسة تأثيرات الشيخوخة تحت الأشعة فوق البنفسجية على الإضافات العضوية في TWPs، مشيرة إلى انخفاض في المركبات العضوية شبه المتطايرة (SVOCs) وزيادة في منتجات الأكسدة. لوحظت أيضًا تغييرات في توزيع حجم الجزيئات، حيث أدى التعرض للأشعة فوق البنفسجية إلى تحول نحو جزيئات أصغر، مما قد يؤثر على النقل البيئي وآثار الصحة المحتملة. تؤكد النتائج على تعقيد تحلل T(R)WP والحاجة إلى مزيد من التحقيق في مصير هذه المواد في البيئة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2025.144121
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39842276
Publication Date: 2025-01-21
Author(s): Marloes F. van Os et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
The study investigates the abiotic degradation of tyre wear particles (TWP) in the environment, revealing that UV degradation follows a first-order process with a rate of 0.03 day\(^{-1}\). The research highlights that the modal particle size decreases by 0.03 μm day\(^{-1}\), with fragmentation contributing to the formation of smaller particles, particularly those less than 10 μm. Environmental measurements indicate that smaller TWP are more prevalent in soil compared to atmospheric deposition samples, suggesting a significant influence of degradation on particle accumulation.
The findings establish a new degradation factor for TWP, derived from accelerated ageing tests using cryomilled tyre tread and TWP from a road simulator. Thermogravimetric analysis (TGA) indicates an average accelerated degradation rate of 0.074 h\(^{-1}\), which, when adjusted for acceleration factors, results in an abiotic degradation rate of 0.025 (0.020-0.034) day\(^{-1}\) for exposed road surface particles and 0.0063 (0.0051-0.0084) day\(^{-1}\) for those embedded in soil. The study also notes that different rubber types degrade at varying rates, with natural rubber showing quicker degradation than synthetic rubber. However, heavy-duty and light-duty tyres exhibited similar degradation rates, likely due to the use of whole truck tyres rather than just tread layers. The degradation process is accompanied by a significant loss of chemical compounds, primarily tyre additives, through UV-induced oxidation. The research underscores the need for future studies to enhance environmental relevance by utilizing TWP that better reflects real-world conditions and to explore the effects of biodegradation.
Introduction
The introduction discusses the environmental significance of Tyre and Road Wear Particles (TRWPs), which are a major source of microplastics with global emissions estimated between 800 and 3300 kilotonnes annually. TRWPs, classified as non-exhaust vehicle emissions, are expected to be regulated under upcoming Euro 7 legislation. Composed primarily of rubber polymers, reinforcing agents, and chemical additives, TRWPs exhibit a heterogeneous structure and their environmental transport is influenced by particle size. Research indicates that a significant portion of TRWPs ends up in roadside soils, highlighting the need for a deeper understanding of their degradation in this compartment.
Previous studies, notably by Cadle and Williams (1980), provided the only known degradation rates for TRWPs in soil, revealing a degradation rate of 0.15% per day influenced by microbial presence and tyre material type. However, the composition of tyres has evolved since then, suggesting that updated degradation rates are necessary for accurate environmental modeling. This research aims to characterize the effects of UV degradation on TRWPs and establish new degradation rates through accelerated UV-aging procedures and various analytical techniques, including thermogravimetric analysis and electron microscopy. The findings are expected to enhance the understanding of TRWP transport and degradation in the environment.
Methods
In this study, the materials utilized included Tween-20 (Sigma, Lot # SLCC6187), which was employed without additional purification. The water used throughout the experiments was MilliQ filtered, ensuring high purity through a Millipore 0.22 μm filter. The research involved five distinct models of light-duty tires, which encompassed summer, all-weather, and winter types, representing both premium and budget market segments. These tires were sourced from BandenConcurrent. Additionally, shredded end-of-life heavy-duty tires were obtained from Rumal Tyre Recycling, contributing to the study’s focus on tire materials and their applications.
Results
In this study, four samples of tyre wear particles (T(R)WPs) were analyzed, categorized according to the nomenclature established by Halle et al. (2020) for consistency across research. Two samples were created through cryogenic milling to assess the effects of UV degradation on tyre materials, comparing light duty (car/van) tyres, which typically contain more synthetic rubber, to heavy duty (truck) tyres, which are predominantly made of natural rubber, as per ISO specifications. The remaining two samples were generated using a circular road simulator, allowing for the collection of more realistic TRWPs that included road wear encrustations, with a focus on both premium and budget segment light-duty tyres.
The T(R)WPs were subjected to accelerated abiotic ageing, with samples collected at four intervals (0, 160, 505, and 1000 hours) to simulate environmental conditions. The study employed assumptions regarding thermal and UV activation to convert accelerated exposure into environmentally relevant timescales, leading to a calculated acceleration factor of 24. This factor suggests that 1000 hours of accelerated ageing corresponds to approximately 8.2 years of environmental exposure for TRWPs on roads, while particles embedded in soil or water may experience an effective exposure time of around 32 years. These findings provide critical insights into the degradation rates of T(R)WPs in various environmental contexts.
Discussion
In this section, the study discusses the generation and characterization of tyre wear particles (TWPs) and road wear particles (TRWPs) through various experimental methods. TWPs were produced from new premium light-duty tyres using cryomilling, while TRWPs were generated in a controlled road simulator that minimized contamination from external sources. The simulator operated under conditions mimicking larger vehicles, with specific axle loads and speeds, and utilized a cement concrete pavement to assess wear particle generation. The study highlights that the generated TRWPs exhibited properties similar to real-world particles, although the emission rates of tyre wear were found to be lower than expected compared to on-road estimates.
The degradation rates of T(R)WPs were analyzed using thermogravimetric analysis (TGA), revealing distinct thermal degradation profiles for natural rubber and synthetic rubber components. The study found that the degradation rates for both cryomilled car and truck tyres were similar, with environmental degradation rates significantly influenced by the presence of road wear encrustations that may shield the rubber from UV exposure. Additionally, the study examined the effects of UV aging on the organic additives in TWPs, noting a reduction in semi-volatile organic compounds (SVOCs) and an increase in oxidation products. Changes in particle size distribution were also observed, with UV exposure leading to a shift towards smaller particles, which could impact environmental transport and potential health effects. The findings underscore the complexity of T(R)WP degradation and the need for further investigation into the environmental fate of these materials.