发布时间：2024-07-31
淡水资源短缺和微塑料污染是两个令人担忧且相互交织的全球挑战。为解决上述问题，近期环境学院刘宪华教授团队与新加坡国立大学Tan Swee Ching教授团队联合提出了一种“一石二鸟”的设计，即采用微塑料吸附剂构建太阳能界面蒸发平台 (ISEP)。该设计旨在生产清洁水的同时修复水体微塑料污染。与传统蒸发结构不同，精心设计的ISEP产生的冷凝水中不含微塑料。此外，光热驱动的界面分离过程显着提高了微塑料吸附性能，在1 sun的光照条件下微塑料吸附率增加了 5.5 倍。因此，ISEP不仅可缓解现有的水资源短缺问题，还具有修复自然水环境中微塑料污染的巨大潜力。
该工作近期以“Microplastic Detection and Remediation through Efficient Interfacial Solar Evaporation for Immaculate Water Production”为题，于2024年7月在线发表于国际期刊《自然-通讯》（《Nature Communications》|论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-50421-x）。于桢博士为论文第一作者，环境学院刘宪华教授和新加坡国立大学Tan Swee Ching教授为论文共同通讯作者。合作单位还包括哈尔滨工业大学、上海交通大学和南洋理工大学。本研究得到中国博士后面上基金、国家自然科学基金、国家重点研发计划、新加坡教育部基金的支持。
微塑料在自然界中分布广泛，且由于其自身优异的吸附性能，通常会吸附环境中的污染物。这些污染物和微塑料的联合毒性对生物体构成了重大威胁。在自然界中，植物会通过蒸腾作用从水或土壤中吸附微塑料。受此启发，该工作创新提出了一种由微塑料吸附剂构建的太阳能界面蒸发平台（ISEP），该平台可在生产清洁水的同时修复水体微塑料污染。
图1 ISEP的“一石二鸟”设计理念
研究结果表明，三维ISEP（3D-ISEP）具有更高的蒸发性能。因此，全文采用3D-ISEP研究蒸发过程中涉及的微塑料截留及吸附过程。在微塑料吸附剂（CF-PEI）的作用下，3D-ISEP 可以产生不含微塑料的冷凝水，而传统太阳能蒸发平台却不能。该工作也在户外实际海水中测试了3D-ISEP的性能，结果表明3D-ISEP可以显著降低蒸馏水中微塑料富集的风险。
图2 3D-ISEP的蒸发性能
除抑制蒸馏水中的微塑料富集外，3D-ISEP还可以去除水体中的微塑料。在1 sun的光照条件下，微塑料的吸附率增加了 5.5 倍。光照对微塑料吸附的强化作用与以下因素有关：1）界面蒸发过程提供的对流效应；2）局部热场；3）局部高浓度微塑料环境。在以上因素的共同作用下，3D-ISEP对模拟水体中的各类微塑料（PMMA，PS，PVC，PHB等）及实际水体中的微塑料均表现出良好的吸附效果。
图3 3D-ISEP的微塑料去除性能及机制
除冷凝水外，某些海水工业产品，如海盐或氢氧化钠也可能含有微塑料。为解决该问题，该工作提出了两种创新方法：（1）将 ISEP 与传统海水工业相结合。具体而言，ISEP 可以作为预处理工艺，预先从浓缩海水中去除微塑料。在这种情况下，海盐和氢氧化钠将不含有微塑料。（2）ISEP 可以作为一种独立的技术，实现海水淡化并同时生产海盐。然而，还需要进一步研究来评估这两种方法的经济性和可行性。最后，从自然水环境中去除微塑料可能可以显著减少生物圈中微塑料的含量。作为地球物质循环的一部分，水环境和土壤中存在的微塑料可以通过蒸腾作用进入大气，而大气中的微塑料最终通过降雨过程返回到水环境和土壤中。因此，不断减少水环境中的微塑料，具有显著降低生物圈中微塑料含量的巨大潜力。
图4 3D-ISEP的应用展望
环境学院的多个研究团队近年在环境微塑料等新污染物的检测、环境效应、风险评价以及污染防控等领域取得一系列进展，相续承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金和天津市重点研发计划等研究课题，研究成果发表在Nature Communications、Environmental Science &Technology、Water Research、Journal of Hazardous Materials、环境化学等国内外知名期刊上。
（来源：环境学院 编辑：田淑洁）
