出品：科普中國

作者：石暢（物理化學博士）

監制：中國科普博覽

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淡水是人類賴以生存的寶貴資源，滋養著萬物生長，維系著生態系統的平衡。然而，隨著人口的增長、工業的飛速發展以及受到氣候變化的影響，淡水資源短缺已成為全球面臨的嚴峻挑戰之一。

飲用水

（圖片來源：veer圖庫）

在淡水資源短缺的同時，一種名為微塑料的污染物悄然“登場”。微塑料不僅難以被傳統的污水處理系統攔截，還能輕易穿透土壤顆粒，對地下水資源造成嚴重的污染。在淡水資源短缺和微塑料污染的雙重作用下，淡水資源的“保衛戰”已經打響。

什么是微塑料，來源有哪些？

微塑料的概念可以追溯到2004年，英國普利茅斯大學的科研人員在《科學》雜志上發表了一篇關于海洋水體和沉積物中塑料碎片的文章，首次提出了微塑料的概念。

微塑料是指直徑小于5毫米的塑料碎片和顆粒，具有形狀多樣、非均勻的特點，并且難以通過肉眼分辨。微塑料在水中大量富集，被形象地稱為“海中的PM2.5”。

海水中的塑料碎片

（圖片來源：veer圖庫）

微塑料在環境中廣泛存在，2018年，研究人員在馬里亞納海溝發現微塑料碎片。2019年，珠穆朗瑪峰頂峰附近的積雪中又出現了微塑料的身影。可見微塑料的“入侵”能力極強，大量微塑料的存在對生態環境和人體健康帶來了很大的威脅。

微塑料根據不同來源，分為初生微塑料和次生微塑料。

初生微塑料主要作為工業原料或添加劑，如化妝品中含有的微塑料顆粒（微珠），以及作為工業原料的塑料顆粒和樹脂顆粒。此外，洗衣時衣物纖維的脫落、塑料包裝材料的分解等也會產生微塑料。

塑料顆粒

（圖片來源：veer圖庫）

次生微塑料則是由于大型塑料廢棄物在環境中經過物理、化學和生物過程逐漸破碎形成的。這些過程包括磨損、紫外線輻射、凍融循環以及生物降解等，這些微塑料通過廢水處理廠的排放、河流的運輸等途徑進入自然環境，對人類的健康造成威脅。

微塑料處理都有哪些方法？

目前，針對微塑料的處理技術主要有物理分離、化學降解和生物降解等方法。

物理分離主要通過篩分、過濾等方式將微塑料與其他物質分離，常用于污水、海水等水體中的微塑料處理。物理分離技術能夠迅速將微塑料從水體中分離出來，操作簡便，易于實施。但是該方法去除效率低，難以去除納米級別的微塑料。

化學降解則利用化學試劑在特定的條件下將微塑料進一步分解為小分子，常用于固體廢棄物的廢水中的微塑料處理。這種方法能夠將微塑料完全分解為小分子，適用于多種類型的微塑料處理。但是化學藥劑的使用成本較高，并且使用不當可能會對環境造成二次污染。

生物降解是一種環境友好的處理方法，利用微生物將微塑料降解成氣體、水和對生物體無害的物質，在土壤和水體中的微塑料處理應用較多。生物降解法在微塑料的分解過程中對環境的影響較小，但是降解速度相對較慢，并且降解過程受環境因素影響較大，難以精確控制。

物理粉碎塑料

（圖片來源：veer圖庫）

“一石二鳥”：生產淡水的同時清除微塑料

2024年7月19日，中國科學家在《自然-通訊》（Nature Communications）雜志上發表了一項通過高效界面太陽能蒸發平臺（ISEP）去除水中微塑料的研究成果。該蒸發平臺在生產淡水的同時還能去除水中的微塑料。

研究成果發表于《自然-通訊》雜志

（圖片來源：《自然-通訊》雜志）

高效水蒸發平臺

水蒸發平臺是生產淡水的基礎，它將光能轉化為熱能，促進水的蒸發，達到降低水中離子濃度的效果。

研究者在實驗過程中使用商業碳氈作為基礎材料，制備了水蒸發平臺。碳氈是一種具有高光熱轉換效率和親水多孔結構的三維材料，該材料能夠將吸收的太陽能轉化為熱能，其多孔結構有助于水分的快速傳輸和蒸發，大大提高了淡水的生產效率。

實驗結果表明，三維太陽能蒸發平臺（3D-ISEP）在1個太陽光照強度下，蒸發速率為2.10千克每平方米每小時，是純水蒸發速率的4.5倍，并且在不同溶液（不同pH值、微塑料濃度和尺寸）中均表現出穩定的蒸發性能。

水蒸發裝置圖和紅外圖；b. 水蒸發質量和時間關系圖；c. 不同材料的水蒸發速率圖；d. 不同水樣中微塑料的數量；e. 海水和冷凝水的顯微圖像；f. 原位拉曼共聚焦顯微圖像；g. 拉曼光譜圖.

（圖片來源：參考文獻1）

強大的微塑料去除能力

研究者通過“嫁接”的方法，將聚乙烯亞胺（PEI）負載在碳氈的表面，制備了“碳氈-聚乙烯亞胺（CP-PEI）”復合材料。聚乙烯亞胺中含有豐富的氨基基團（對微塑料具有良好的吸附能力），賦予了該復合材料去除水中微塑料的能力。

實驗結果表明，利用“碳氈-聚乙烯亞胺（CP-PEI）”復合材料搭建的水蒸發平臺在1個太陽光照強度下，經過6小時，微塑料的去除率達到100%。即使在黑暗的環境中，該水蒸發平臺仍然具有18%的微塑料去除率。

紫外可見光譜圖；b. 太陽能蒸發平臺去除微塑料機理圖；c. COMSOL模擬的微塑料去除率；d. 不同濃度的微塑料與去除率的關系圖；e. 不同pH值的微塑料與去除率的關系圖；f. 不同類型的微塑料與去除率的關系圖；g. 水溶液中微塑料在不同時間的顯微圖像.

（圖片來源：參考文獻1）

蒸發平臺生產的淡水可直接飲用

針對目前面臨的淡水資源短缺和水資源被微塑料污染的雙重問題，研究者設計的太陽能水蒸發平臺提供了“雙贏”的解決方案。

在真實海水環境中，太陽能蒸發平臺不僅能夠有效去除海水中的微塑料和顆粒物，還能顯著降低離子濃度，其制備的冷凝水達到世界相關飲用水標準。

結語

微塑料已經成為國際廣泛關注的四大新污染物之一，其在水中的富集不僅對環境造成極大的污染，還在慢慢地毒害著我們的身體。水中微塑料的去除已經迫在眉睫，讓我們從生活中的點滴做起，借助科技的力量戰勝淡水資源短缺和水資源污染的挑戰。

參考文獻：

1.Yu, Z., Li, Y., Zhang, Y. et al. Microplastic detection and remediation through efficient interfacial solar evaporation for immaculate water production[J]. Nature Communications, 2024.

2.Richard C. Thompson et al. Lost at Sea: Where Is All the Plastic[J]? Science, 2004.

3.周倩,章海波,李遠,等.海岸環境中微塑料污染及其生態效應研究進展[J].科學通報, 2015.

4.孫曉霞.海洋微塑料生態風險研究進展與展望[J].地球科學進展, 2016.

來源: 中國科普博覽

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