塑料污染已成為全球性環境問題,而塑料在環境中的降解會產生微塑料和納米塑料。納米塑料(NPs,尺寸小于100納米)因其更小的尺寸、更高的表面能和更強的反應性,對生態系統和人類健康造成潛在威脅。廢水處理廠作為塑料廢棄物的主要匯集點,在攔截和處理納米塑料方面發揮了重要作用。
納米塑料的來源
Part1

圖1 污水處理廠處理污水過程示意圖
在自然環境或廢水系統中,塑料廢棄物通過紫外線輻射、機械磨損和微生物降解分解為較小顆粒,最終形成納米塑料。常見來源包括塑料袋、包裝材料、化妝品(如磨砂膏)和紡織品釋放的纖維。
廢水處理廠的收集過程:化妝品、清潔劑和合成紡織品在洗滌過程中釋放納米塑料;制造業排放的塑料顆粒和微粒;帶入環境中已存在的微塑料顆粒。
在污水處理過程中,由于機械攪拌、剪切力以及化學處理(如氧化劑和消毒劑),大顆粒微塑料進一步破碎形成納米塑料;生物處理(如活性污泥)可能釋放酶促反應,加速微塑料降解為更小的顆粒。
納米塑料的危害
Part2
納米塑料粒徑小,易通過廢水處理排放到地表水、地下水和海洋中,對生態系統造成持續威脅;納米塑料表面高比表面積和親脂性使其能吸附重金屬、持久性有機污染物(POPs)等毒性物質,形成二次污染;納米塑料可被浮游生物、魚類等誤食,進入食物鏈,干擾生物的生理和代謝功能。
納米塑料通過皮膚、呼吸道和消化道進入人體后,可引發炎癥反應、氧化應激和免疫失調;某些研究表明,納米塑料可能通過細胞膜進入細胞核,影響DNA復制,誘導基因突變;納米塑料具有生物累積性,可能引發慢性病。
納米塑料可能干擾污泥消化過程,降低厭氧消化效率;高濃度納米塑料會造成膜污染,增加處理成本和維護難度。
掃描電鏡分析納米塑料產生機制
Part3
irajum Monira等人模擬了污水處理廠處理大小為250微米和106微米的聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)微塑料的碎片機制。研究表明,水下剪切力范圍為32至100千焦/升的風化PS和PE顆粒進一步解體為納米大小的顆粒。同時利用SEM(FEI Quanta 200)進行表征。

圖2 PE和PS塑料顆粒的SEM圖像(平均尺寸250微米)
(a)塑料表面形成小顆粒(b)由于塑料表面的機械應力可見裂縫
(c)粗糙和損壞的表面(d)碎片過程后在塑料表面形成孔隙和空心
SEM分析揭示了PS和PE碎片化后顆粒的形態變化(例如表面、大小和形狀)。顆粒表現出粗糙、被損壞、多孔、不規則形狀、微裂紋和邊緣斷裂。值得注意的是,雖然這些特征可以增強抗生素和有毒污染物的吸附,但由于去除效率低下,導致它們通過污水處理廠在水環境中的傳播。
在SEM圖中,觀察到細小的塑料顆粒從裂縫以及損壞和粗糙的表面中脫落,為微顆粒和納米顆粒在廢水處理過程中的形成和釋放提供了證據。這些裂縫是由機械斷裂引起的,這種過程原子鍵或分子鍵的分離增加了材料的脆性,促進了進一步分解成更小的顆粒,包括NPs。在這種情況下,驅動MP碎片形成的主要機制是機械誘導的水剪力,這些力在各種污水處理過程中有效,如篩選、去除砂、沉積、混合、泵送和起泡。
賽默飛Apreo 2分析塑料樣品優勢
Part4
對于塑料或是其他非導電材料來說,使用高電壓拍攝往往會導致樣品荷電或產生電子束損傷,干擾拍攝,因此低電壓分辨率成為拍攝該類材料重要的參考指標。賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo 2在1KV下擁有小于1nm的分辨率,兼具高質量成像和多功能分析性能于一體,采用雙引擎技術,超低電壓下可直接分析不導電樣品,尤其適用于PP、PE和PS等高分子塑料類樣品,并且無需做噴鍍處理,不會對樣品造成任何損傷。
如下圖所示,在500V低電壓下,直接將截面的PE塑料置于Apreo 2電鏡中,不會產生任何荷電和損傷,同時只需移動幾次鼠標,就可完成必要的合軸對中、消像散和圖像聚焦校正,即使電鏡初學者也能充分發揮Apreo 2的最佳性能。通過電鏡結果,可以輕松觀察10W倍下PE截面顆粒大小及其分布。

圖3 PE截面100倍形貌圖

圖4:PE截面10W形貌圖
參考資料:
[1] Microplastic fragmentation into nanoplastics by water shear forces during wastewater treatment: mechanical insights and theoretical analysis
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