Atmospheric Nanoplastics: Detection and Characterization Using Online and Offline Techniques
Year: 2026
Type: dissertation
Abstract: The increasing prevalence of plastic pollution has raised critical environmental and health concerns, with recent evidence revealing that microplastics (MPs) and nanoplastics (NPs) are now pervasive in the atmosphere. Despite their ubiquity, the detection, quantification, and source characterization of airborne NPs remain methodologically constrained due to their submicron size, complex composition, and the lack of standardized analytical protocols. This doctoral research advances the current state of knowledge by developing and validating an integrated analytical framework capable of real-time, size-resolved, and polymer-specific detection of airborne NPs.A comprehensive methodological framework was established by utilizing High-Resolution Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometry (HR-ToF-AMS) and Pyrolysis-Gas Chromatography/Mass Spectrometry (Py-GC/MS) to characterize nanoscale plastics generated from polyethylene terephthalate (PET) under controlled thermal degradation. This work provides, for the first time, AMS mass spectra and relative ionization efficiency (RIE) values for PET-NPs derived from real consumer products. Distinct marker ions (m/z 149, 166, 297) were identified as tracers of PET aerosols, while comparison with Py-GC/MS confirmed the robustness of AMS as a standalone tool for real-time NP detection, where the mass spectra from both techniques were closely aligned (θ = 27°, R2 = 0.89, where θ (angle of similarity) quantifies spectral resemblance, with values of 16-30° indicating notable similarity despite different sources). Application of this framework to domestic textile drying revealed that tumble dryers constitute a potential and previously underestimated source of airborne NPs. Using online aerosol mass spectrometry (AMS) coupled with particle sizing measurements, this study quantified emission factors and size distributions from synthetic fabrics. Quantitative assessments revealed that vented drying of synthetic textiles may contribute about 14 tonnes of nanoparticles per year in Canada, equivalent to approximately 0.4 g per capita annually. The influence of fabric characteristics, specifically fabric structure (pile weave versus fleece knitted) and yarn composition (staple versus filament), was examined. Pile-weave fabrics composed of staple-spun yarns exhibited significantly higher nanoplastic mass and number emissions compared to fleece-knitted textiles, a result attributed to their greater fibre density and the larger number of exposed fibre ends, which enhance susceptibility to mechanical detachment during the drying process. Overall, this work establishes both a methodological foundation and a source-specific characterization framework for atmospheric NPs. Through the integration of advanced aerosol analytical techniques with real-world environmental applications, this thesis provides a critical step toward the quantitative understanding and mitigation of airborne nanoplastic pollution. La prévalence croissante de la pollution plastique suscite d’importantes préoccupations environnementales et sanitaires, et des données récentes indiquent que les microplastiques (MPs) et les nanoplastiques (NPs) sont désormais omniprésents dans l’atmosphère. Malgré leur ubiquité, la détection, la quantification et la caractérisation des sources des NPs en suspension dans l’air demeurent méthodologiquement limitées en raison de leur taille submicronique, de leur composition complexe et de l’absence de protocoles analytiques normalisés. Cette recherche doctorale fait progresser l’état actuel des connaissances en développant et en validant un cadre analytique intégré capable de détecter les NPs atmosphériques en temps réel, avec une résolution en taille et une identification spécifique aux polymères. Un cadre méthodologique complet a été établi en utilisant la spectrométrie de masse des aérosols à temps de vol haute résolution (HR-ToF-AMS) et la pyrolyse couplée à la chromatographie en phase gazeuse et à la spectrométrie de masse (Py-GC/MS) afin de caractériser des plastiques à l’échelle nanométrique générés à partir du polyéthylène téréphtalate (PET) lors d’une dégradation thermique contrôlée. Ce travail fournit, pour la première fois, des spectres de masse AMS et des valeurs d’efficacité d’ionisation relative (RIE) pour des NPs de PET dérivés de produits de consommation réels. Des ions marqueurs distincts (m/z 149, 166, 297) ont été identifiés comme traceurs des aérosols de PET, tandis que la comparaison avec la Py-GC/MS a confirmé la robustesse de l’AMS comme outil autonome pour la détection en temps réel des NPs. Les spectres de masse obtenus par les deux techniques ont montré une forte concordance (θ = 27°, R² = 0.89), où θ (angle de similarité) quantifie la ressemblance spectrale, des valeurs comprises entre 16 et 30° indiquant une similarité notable malgré des sources analytiques différentes. L’application de ce cadre analytique au séchage domestique des textiles a révélé que les sécheuses à tambour constituent une source potentielle et jusqu’ici sous-estimée de NPs atmosphériques. À l’aide de la spectrométrie de masse des aérosols en ligne (AMS) couplée à des mesures de distribution de taille des particules, cette étude a quantifié les facteurs d’émission et les distributions de taille provenant de tissus synthétiques. Les évaluations quantitatives indiquent que le séchage ventilé de textiles synthétiques pourrait contribuer à environ 14 tonnes de nanoparticules par an au Canada, soit environ 0,4 g par habitant par an. L’influence des caractéristiques des tissus, notamment la structure du textile (tissage à boucles « pile weave » versus tricot polaire « fleece knitted ») et la composition du fil (fibres discontinues « staple » versus filaments continus), a été examinée. Les tissus à tissage à boucles composés de fils filés à partir de fibres discontinues ont présenté des émissions de nanoplastiques significativement plus élevées, en masse et en nombre, comparativement aux textiles polaires tricotés, un résultat attribué à leur plus grande densité de fibres et au nombre plus élevé d’extrémités de fibres exposées, ce qui accroît leur susceptibilité au détachement mécanique durant le processus de séchage. Dans l’ensemble, ce travail établit à la fois une base méthodologique et un cadre de caractérisation des sources pour les NPs atmosphériques. En intégrant des techniques analytiques avancées des aérosols à des applications environnementales réelles, cette thèse constitue une étape essentielle vers la compréhension quantitative et l’atténuation de la pollution atmosphérique par les nanoplastiques.
Source: TSpace (University of Toronto)
Author: Tawadrous, Michael A.R.
Institution: University of Toronto
Language: English
Subfield: Pollution
Field: Environmental Science
Domain: Physical Sciences
SDG: Climate action
Open Access status: green
OpenAlex ID: W7204019535