Droplet Impact on Microparticle Raft: Wettability, density and size govern splashing and microplastic ejection from rafts under raindrop impact

Dit onderzoek toont aan hoe de grootte, dichtheid en benatbaarheid van drijvende microplastic-rafts de dynamiek van druppelimpact bepalen en daarmee de overdracht van microplastics van de oceaan naar de atmosfeer via spatten en Worthington-jets reguleren.

De kern

Regen op een drijvend tapijt: Hoe microplastics de oceaan verlaten

Stel je voor dat de oceaan een gigantisch zwembad is, maar in plaats van alleen water, drijft er een dunne laag van miljarden kleine plastic deeltjes op. Dit noemen we een "raft" (een vlot). Nu laat je een regenbui vallen. Wat gebeurt er als een regendruppel op dit drijvende tapijt van plastic landt?

Deze studie van onderzoekers uit Londen, Oxford en Mexico City onderzoekt precies dat. Ze kijken hoe regenbuien microplastics van de zee naar de lucht kunnen blazen, waar ze vervolgens door de wind over de hele wereld kunnen worden verspreid.

Hier is de uitleg in simpele taal, met een paar creatieve vergelijkingen:

1. Het experiment: Een druppel op een tapijt

De onderzoekers lieten kleine waterdruppels (ongeveer de grootte van een erwt) vallen op een badje water dat bedekt was met een strakke laag van kleine bolletjes. Ze gebruikten verschillende soorten bolletjes:

• Grootte: Van heel klein (zoals zandkorrels) tot groter (zoals zoutkorrels).
• Materiaal: Plastic en glas.
• Aanraking met water: Sommige bolletjes houden van water (hydrofiel), andere haten water en drijven er heel hoog op (superhydrofoob, alsof ze een regenjas aan hebben).

Ze filmden dit met supersnelle camera's om te zien wat er gebeurde.

2. Het "Plons-effect": Wanneer spettert het?

Als een druppel op schoon water valt, vormt er vaak een kroon die uit elkaar spat. Maar als er een laagje plastic op ligt, verandert alles.

• Het "Dikke Dekbed" (Grote, diep drijvende deeltjes):
  Als de plastic deeltjes groot zijn en diep in het water zitten, werken ze als een zwaar, dik deken. Ze dempen de schok. De druppel kan niet goed spatten. Het is alsof je een steen in een matras gooit; er gebeurt weinig.
• Het "Ruwe Stootkussen" (Kleine, hoog drijvende deeltjes):
  Als de deeltjes klein zijn en hoog uit het water steken (vooral de waterafstotende soorten), wordt het oppervlak ruw. De druppel landt op een oneffen oppervlak. Dit zorgt ervoor dat de rand van de druppel instabiel wordt, net als een schommel die te hard wordt aangestoten. Het resultaat? Een explosieve spetter met veel kleine druppeltjes.

De les: Hoe ruwer en waterafstotender het plasticoppervlak is, hoe makkelijker het spettert en hoe meer deeltjes de lucht in worden geslingerd.

3. De "Raket": De Worthington-jet

Na de eerste plons maakt de druppel een gat in het water. Dit gat sluit zich weer snel, en door de kracht van het sluiten wordt er een straaltje water recht de lucht in geschoten. Dit noemen onderzoekers een Worthington-jet.

• Op schoon water: Dit straaltje is als een krachtige raket die water de lucht in schiet.
• Op een plastic vlot: Hier wordt het interessant.
  • Bij normaal plastic (dat wat in het water zit) werkt het vlot als een zware last. Het straaltje wordt korter en dikker, alsof je een raket probeert te lanceren terwijl er zware blokken op de brandstoftank liggen.
  • Bij waterafstotend (superhydrofoob) plastic gebeurt er iets magisch. Omdat het plastic niet in het water zit, maar erbovenop "drijft", kan het straaltje heel snel omhoog schieten. En het beste deel? Het plastic komt mee! Het straaltje wordt omhuld door een laagje plastic deeltjes.

4. De "Marmeren Kogels": De gevaarlijkste reis

Bij de waterafstotende deeltjes vormt het straaltje een soort vloeibare marmer.
Stel je voor dat je een druppel water hebt die volledig is bedekt met een laagje plastic poeder. Dit is een "liquid marble".

• Waarom is dit gevaarlijk? Normale waterdruppels vallen terug in de zee en lossen op. Maar deze "marmeren kogels" hebben een beschermend schild van plastic. Ze vallen niet terug, maar blijven zweven in de lucht als mist.
• Het gevolg: Deze mist kan duizenden kilometers reizen. Ze kunnen in de lucht terechtkomen, in de wolken, en uiteindelijk weer neerdalen als regen in verre landen. Dit is hoe microplastics de oceaan verlaten en de atmosfeer binnendringen.

5. De grote ontdekking: Het geheim van de "Regenjas"

De onderzoekers ontdekten dat twee dingen de sleutel zijn tot het vrijkomen van plastic:

1. De "Regenjas" (Hydrofobiciteit): Als het plastic water afstoot (zoals een regenjas), blijft het hoog drijven. Dit maakt het makkelijk voor de regen om het deeltje los te slaan en mee te nemen.
2. De "Gewichtsklasse": Lichte deeltjes (zoals plastic) vliegen makkelijker weg dan zware deeltjes (zoals glas). Zware deeltjes blijven vaak vastzitten aan de bodem van het gat.

Conclusie: Waarom maakt dit uit?

Vroeger dachten we dat alleen grote golven en wind plastic de lucht in bliezen. Deze studie laat zien dat regen een enorme, maar onopgemekte drijver is.

• Als het regent op een oceaan met veel drijvend plastic (vooral waterafstotend plastic), worden er miljoenen kleine "marmeren kogels" de lucht in geschoten.
• Dit verklaart waarom we microplastics vinden in de lucht, zelfs op plekken ver van de kust en in de hogere luchtlagen.

Kort samengevat: Regen is niet alleen water dat naar beneden komt; het is ook een krachtige pomp die, afhankelijk van hoe het plastic drijft, microplastics naar boven zuigt en de wereld rondblaast. De waterafstotende deeltjes zijn de "winnaars" in deze race naar de lucht, omdat ze een ondoordringbaar schild vormen dat ze in de atmosfeer houdt.

Technische samenvatting

Probleemstelling

Microplastics zijn wereldwijd erkend als alomtegenwoordige verontreinigingen in zowel de hydrosfeer als de atmosfeer. Hoewel bekend is dat de oceaan een bron is van atmosferische microplastics, zijn de mechanismen voor de overdracht van het zeewater naar de lucht nog niet volledig gekarakteriseerd. De bestudeerde mechanismen omvatten voornamelijk de emissie door brekende golven (bubbels die barsten). Echter, dit verklaart niet de aanwezigheid van microplastics in rustige zeeën en kustgebieden.

Een aanvullend, maar onderbelicht mechanisme is de impact van regen op het oceaanoppervlak. Regenbuien kunnen microplastics die geconcentreerd zijn in de zeewatermicrolaag (SML) de lucht in spuiten. De dynamica van hoe een druppel impact op een drijvende laag van microplastics (een "raft" of vlot) leidt tot het uitspatten van deze deeltjes, is echter nog onbekend. De vraag is hoe de eigenschappen van de deeltjes (grootte, dichtheid en bevochtigbaarheid) de spattendynamiek, de vorming van de Worthington-jet en de daaropvolgende aerosolisatie bepalen.

Methodologie

De auteurs hebben experimenten uitgevoerd waarbij millimetergrote waterdruppels werden laten vallen op een rustig waterbad dat bedekt was met een dichtgepakte monolaag van microdeeltjes.

• Opstelling: Een spuitpomp genereerde waterdruppels (diameter $D \approx 2,55$ mm) die op verschillende snelheden ($U$) op het oppervlak werden gelanceerd.
• Deeltjes: Er werden verschillende soorten deeltjes gebruikt om de variabele te testen:
  • Materialen: Fluorescerend polyethyleen (FPE, $\rho = 1,02$ g/cm³), polyethyleen (PE, $\rho = 1,35$ g/cm³) en glas (Glass, $\rho = 2,50$ g/cm³).
  • Grootte: Variërend van 115 µm tot 780 µm.
  • Bevochtigbaarheid: Deeltjes waren ofwel onbehandeld (hydrofoob/hydrofiel) of behandeld met een superhydrofoob coating (Glaco), wat de contacthoek ($\theta$) en de indringdiepte ($h_{sub}$) in het water veranderde.
• Visualisatie: Twee gesynchroniseerde high-speed camera's (Phantom V710 en TMX5010) namen de impact op van twee hoeken (zij- en bovenaanzicht) met 7.500 fps. Dit maakte het mogelijk om de vorming van de krater, het instorten ervan, de vorming van de Worthington-jet en het uitspatten van deeltjes in detail te analyseren.
• Analyse: De resultaten werden gekwantificeerd met behulp van dimensieloze getallen: het Weber-getal ($We$, traagheid vs. oppervlaktespanning), het Froude-getal ($Fr$, traagheid vs. zwaartekracht) en het Ohnesorge-getal.

Belangrijkste Bijdragen

1. Karakterisering van de "Raft"-dynamiek: Het paper biedt de eerste directe karakterisering van hoe een monolaag van deeltjes de klassieke druppel-impactdynamiek op een vloeistofoppervlak verandert.
2. Unificatie van Spattendrempels: De auteurs introduceren een nieuwe schaalparameter ($\Lambda$) die de spattendrempel voor alle geteste materialen en behandelingen verenigt. Dit toont aan dat spatten niet door één eigenschap wordt bepaald, maar door een combinatie van geometrie, traagheid en capillaire weerstand.
3. Identificatie van Ejectiepaden: Het onderzoek onderscheidt twee hoofdpaden voor de emissie van microplastics: direct spatten bij impact en ejectie via de Worthington-jet na het instorten van de krater.
4. Liquid Marbles: Het paper beschrijft voor het eerst hoe superhydrofobe rafts leiden tot de vorming van "liquid marbles" (vloeistofdruppels volledig omhuld door een deeltjesschil) via de jet, wat een zeer efficiënt mechanisme voor atmosferische transport is.

Resultaten

1. Spattendynamiek (Splashing)

• Invloed van deeltjesgrootte en bevochtigbaarheid: Op schoon water treedt spatten pas op bij een bepaalde drempel ($We \approx 193$). Op een deeltjesraft verschuift deze drempel sterk.
  • Kleine, diep ondergedompelde deeltjes (bijv. hydrofiele glas of kleine onbehandelde deeltjes) stabiliseren de uitdijende lamella en onderdrukken spatten (drempel verhoogt).
  • Grote of zwak ondergedompelde deeltjes (superhydrofoob) fungeren als een ruw oppervlak, destabiliseren de rand van de lamella en veroorzaken vroeg en hevig spatten (drempel daalt tot $We \approx 65$).
• Schaalwet: De overgang van verspreiding naar spatten wordt volledig beschreven door de parameter $\Lambda = (D_p/D)(\rho_p/\rho)(1-\cos\theta)^3$. Een hoge $\Lambda$ (grote, dichte of zeer hydrofobe deeltjes) leidt tot spatten bij lagere impactenergieën.

2. Deeltjes ejectie tijdens spatten

• Onbehandelde rafts: Deeltjes worden nauwelijks uitgestoten tijdens de impact. De capillaire hechting is te sterk, en de deeltjes blijven aan het oppervlak gebonden terwijl alleen de vloeistof versplintert.
• Superhydrofobe rafts: Door de geringe capillaire hechting en de lage indringdiepte worden deeltjes direct bij impact uitgestoten. Bij kleine deeltjes (115-327 µm) worden honderden deeltjes radiaal weggeslingerd. Bij grote deeltjes is dit effect beperkter door de hogere traagheid.

3. Worthington-jet en Kraterdynamiek

• Kraterdiepte: De aanwezigheid van een deeltjeslaag vermindert de maximale kraterdiepte, vooral bij grotere deeltjes die de momentumoverdracht naar beneden remmen.
• Jetvorming:
  • Onbehandelde rafts: Vertragen de vorming van de jet en verminderen de hoogte. Grote deeltjes onderdrukken de vorming van de "wave swell" (golfopbolling) die nodig is voor een sterke jet, waardoor de jet korter en dikker wordt.
  • Superhydrofobe rafts: Toonen een niet-monotoon gedrag. Bij middelgrote deeltjes (231-327 µm) worden de hoogste jets waargenomen, zelfs hoger dan op schoon water. Dit komt doordat de deeltjes direct worden uitgestoten, waardoor minder energie wordt gebruikt om de deeltjeslaag te verplaatsen en meer energie beschikbaar is voor de jet.
• Regimes: Er zijn twee regimes geïdentificeerd:
  • Elastisch responsief: Kleine deeltjes die golven toelaten.
  • Inertiaal rigide: Grote/de zware deeltjes die de golfvorming onderdrukken en als een inertiebelasting werken.

4. Vorming van Liquid Marbles

• Bij superhydrofobe rafts met middelgrote deeltjes vormt de Worthington-jet een continue schil van deeltjes rond de vloeistofkolom.
• Wanneer deze jet uiteenvalt, ontstaan er stabiele "liquid marbles" (druppels volledig omhuld door microplastics). Deze zijn bestand tegen coalescentie (samensmelten) bij terugval in het water en hebben een langere levensduur in de atmosfeer dan gewone druppels.
• Onbehandelde rafts vormen slechts gedeeltelijk gepantserde druppels die snel weer samensmelten.

Significantie en Conclusie

Dit onderzoek onthult dat regenimpact een cruciaal, maar tot nu toe onderschat mechanisme is voor de overdracht van microplastics van de oceaan naar de atmosfeer.

• Risicofactoren: De grootste risico voor atmosferische emissie komt van kleine, zwak ondergedompelde, superhydrofobe microplastics. Deze deeltjes leiden tot zowel direct spatten als de vorming van stabiele, deeltjesbeladen "liquid marbles" via de Worthington-jet.
• Mechanisme: De bevochtigbaarheid (wettability) is de sleutelvariabele. Superhydrofobe coatings veranderen de fysica van de interface van een "vast" raft naar een losse laag die makkelijk kan worden verplaatst, waardoor deeltjes efficiënt de lucht in worden geslingerd.
• Toepassing: De ontwikkelde schaalwetten en het mechanistische kader bieden een voorspellende basis voor het kwantificeren van de emissie van microplastics onder verschillende regen- en zeetoestanden. Dit is relevant voor het begrijpen van de globale kringloop van microplastics en voor gerelateerde processen zoals bodemerosie en impact op zandige substraten.

Samenvattend transformeert dit werk de klassieke theorie van druppelimpact door de aanwezigheid van een deeltjeslaag te integreren en identificeert het specifieke interfaciale condities waaronder regen microplastics effectief de oceaan verlaat en de atmosfeer bereikt.