饮用水中微塑料的检测与去除方式解析

作者: 杨杰,王轩,王畅,孟江曼,胡彦坤,范元帅

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摘 要:水是人们日常生活中的必需品,饮用水成分直接影响用水安全,这对其中微塑料的检测与去除提出了较高要求。本文首先对微塑料进行概述,其次分析饮用水中微塑料污染的来源、危害,探讨饮用水中微塑料的检测方法,包括光谱法、粒度分布测量仪法、热分析法等,最后研究饮用水中微塑料的去除方式,包括滤膜处理、悬浮处理、加热过滤等,以服务饮用水质量管理活动,提升饮用水中微塑料的处理效率。

关键词:饮用水;微塑料;热分析法;滤膜过滤;光谱法

Analysis of Detection and Removal Methods for Microplastics in Drinking Water

YANG Jie, WANG Xuan, WANG Chang, MENG Jiangman, HU Yankun, FAN Yuanshuai

(CAIQTEST (Beijing) Co., Ltd., Beijing 102600, China)

Abstract: Water is a necessity in people’s daily life, and the composition of drinking water directly affects water safety, which poses high requirements for the detection and removal of microplastics. This article first briefly describes microplastics, analyzes the current situation and hazards of microplastic pollution in drinking water, explores detection methods for microplastics in drinking water, and discusses content such as spectroscopy, particle size distribution measurement instrument method, thermal analysis method, etc. Finally, the removal methods of microplastics in drinking water, including filter membrane treatment, suspension treatment, heating filtration, etc., are studied to serve the quality management activities of drinking water and improve the treatment efficiency of microplastics in drinking water.

Keywords: drinking water; microplastics; thermal analysis method; membrane filtration; spectral method

饮用水是指可以不经处理、直接供给人体饮用的水。水在人体内具有多种功能,包括参与代谢、运输各类营养物质等,因此加强管理、保证饮用水的质量十分必要。目前,我国各地均按照《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2022)组织饮用水管理工作,饮用水的质量整体良好。值得注意的是,尽管各地饮用水满足国家硬性标准、地方性规定,但仍可能存在一定的安全隐患,如微塑料问题。部分地区饮用水中含有微塑料颗粒,长期饮用危及人体健康,当前普遍主张通过技术性手段检测并去除饮用水中的微塑料[1],因此分析具体检测技术、去除方法等具有一定的积极价值。

1 微塑料概述

微塑料指粒径小于5 mm的塑料颗粒,是造成污染的主要载体之一,部分微塑料尺寸极小,可达到微米、纳米级,因此肉眼难以察觉,可能广泛存在于空气、水体及食物中。饮用水中的微塑料问题多年来持续得到关注,2024年1月,哥伦比亚大学一项研究显示,美国市场上3个畅销品牌塑料瓶装水中,每升水中含有11万~37万颗塑料颗粒,其中10%是微塑料,其余90%是更小的纳米级塑料。我国饮用水检测也发现了类似问题,部分水体中微塑料质量分数较高的地区,人们每年通过饮用水摄入体内的微塑料可能在1 g以上。也有研究表明,由于微塑料无法被人体消化,可能聚集在人体内产生各类危害[2]。

2 饮用水中微塑料污染问题

2.1 饮用水中微塑料污染的来源

饮用水中微塑料污染的来源主要集中于3个方面。①生活中各类塑料制品形成的小颗粒,进入饮用水水源地后形成污染。生产生活中,聚乙烯、聚苯乙烯等材料使用普遍,其中相当一部分暴露在室外环境下,可能在风力、光照、人为处理等因素的影响下形成小颗粒,部分塑料颗粒降解需要几十年甚至数百年,降解前这些微塑料有可能进入水源地形成污染。由于现有技术难以根本清除微塑料,其污染问题也难以有效禁绝。②清洗作业如因清洗工艺、用品的特殊性产生污染水源的各类微塑料。研究显示,清洗作业使用的清洁剂显著增加了水体中微塑料的含量。此外,一件成人外衣在机械清洗过程中,脱落的纤维可能超过1 900个,也可能进入水源地形成微塑料污染[3]。③大气活动、径流水为微塑料在水体中的富集、进入水体提供了渠道,加剧了饮用水中的微塑料污染问题。例如,地表各区域的微塑料可能受到降水因素影响,随雨水进入河道、水源地。

2.2 饮用水中微塑料污染的危害

饮用水中微塑料污染的危害多样,可细分为消化系统威胁、有毒物质危害、内分泌系统危害、细胞损伤等。

微塑料大多无法被人体消化,在人体内持续聚集,可能影响人体的消化系统功能,导致肠胃不适、腹泻、慢性炎症等,也有可能产生绞痛。部分微塑料在其分解、进入饮用水水源地的过程中,可能携带其他有害物质,进入人体后有可能向其他组织、器官转移,甚至危及淋巴系统,影响内分泌。大量聚集的微塑料有可能增加肥胖症、代谢系统疾病(如糖尿病)等的发生率。也有部分学者认为,微塑料可能导致慢性病变,这些慢性病变有可能进一步导致癌变,当前研究尚不能明确论证此推测,但微塑料的持续聚集可以诱发免疫系统反应,出现神经病变和细胞死亡率升高情况。此外,一些粒径较大的微塑料可能进入肺部,造成呼吸系统病变,包括纤维化、炎症或肺部结节等[4]。

3 饮用水中微塑料的检测方法

3.1 光谱法

用于饮用水中微塑料检测的光谱法主要有拉曼光谱法、傅里叶变换红外光谱法等。

以拉曼光谱法为例,该技术利用光子与介质原子或分子之间发生非弹性碰撞得到的散射光谱,从而研究分子或物质微观结构,以评估目标物(饮用水)的成分,包括其微塑料质量分数信息。该技术的一般流程较为固定,要求首先完成电路系统连接,之后置入待检测样本,利用激光电源提供作业支持。在上述工作中,对聚光、集光、样品架、偏振等部件进行配置和参数调整,确定其性能无异常。之后使光源与样品接触,对形成的光谱图进行收集、分析,形成分析结果。从原理上看,拉曼光谱法以粒径极小的单色光源对水样进行照射,以纯净水为对照,观察检测样品拉曼效应出现的变化。受到水中不同成分含量的影响,检测过程中拉曼效应往往出现变化,谱线的长度直接受到试样内分子振动、转动能级的影响,可以比较敏锐地完成微塑料的分析[5]。

3.2 热分析法

热分析法主要强调控制温度参数,借以分析水样的理化性质、质量以及纯度情况,是一种应用较广泛的成分分析方法。

以差热分析法为例,该方法主要通过分析水样中不同物质吸热能力的差异,根据不同物质比热容不同的特点进行成分鉴定,判断水样成分及其具体质量分数情况。其基本操作流程强调规范性,要求在检测前做好样本采集,并避免混入其他成分,所有操作设备均需提前测试校正,确定可用于差热分析。之后建立实验系统,在控制热参数的过程中进行观测[6]。一般需要设计2组实验,一组为样本实验,另一组为标准实验,标准实验可选取已知质量分数的微塑料或其他参照物,使用相同的热环境参数,将电流接入实验样本内,并对微小的热能变化进行放大化处理,由于微塑料与水的比热容不同,在放大后这一差异更趋明显,可敏锐反映电热补偿的热功率差,用于分析样本中微塑料的质量分数情况。热分析法可与信息技术、可视化技术联用,通过一体化设备呈现差热曲线,完成水成分快速检测[7]。

3.3 粒度分布测量法

粒度分布测量法是利用一体化设备分析饮用水中不同物质的粒度分布情况,根据分布差异进行微塑料检测的技术方法,可以细分为激光法、筛分法、电阻法等。不同粒度分布测量方法的技术原理不同,适用性也存在一定差别。

以激光法为例,该方法利用激光设备进行样本检测,通过对激光参数进行控制,利用照射后后焦平面的成像情况进行粒度分析。饮用水中含有的微塑料颗粒会影响激光照射后的成像情况,可以根据其与纯水照射后的差异进行粒度分布情况的评估,完成微塑料颗粒检测。该方法也需要做好基本准备工作,将水样放置在待检测区域,之后利用激光器进行照射,要求激光器能够稳定形成平行光,激光器、水样和富氏透镜保持平行,照射过程中同步收集后焦平面的成像信息,以信息技术设定图像采集参数间隔,并直接保存在设备内,再根据图像特点进行水样中微塑料粒度分布情况分析。从原理上看,当水样中含有较多微塑料颗粒时,激光照射后的散射情况往往较明显,颗粒的数目和粒径,影响散光与轴之间的角度参数,并形成不同半径的光环,光环组成明暗交替的光斑,即Airy斑,可直接通过接收设备形成完整的成像图,进行水样中微塑料的粒度分析。

3.4 其他方法

其他可用于饮用水中微塑料检测的方法包括智能检测、沉降法检测及大颗粒的目测分析等。其中,智能检测是目前较为常见的一种技术方法,该方法主要利用一体化智能检测设备、计算机等,利用光谱法、热分析法原理,形成默认工作程序,记录关键的分析参数。在检测过程中,利用一体化智能检测设备的传感结构直接接触水样,或进行非接触式照射,借助传感器采集水样的基础信息,利用内置程序进行关键参数的采集和实时分析,直接给出饮用水中微塑料的质量分数情况。智能检测的效率较高,但可能存在精度不足的问题,尤其是水样内微塑料颗粒过多或过少时,可能无法获取精准的检测结果[8]。

4 饮用水中微塑料的去除方式

4.1 滤膜过滤

滤膜过滤是目前较有效的微塑料处理技术,具有原理明确、作业方式简单、适用性广泛的优势,可以有效改善饮用水的品质。一般集中建设若干处理池,利用动力设备使待处理的饮用水在池内流动,流动过程中利用滤膜清除微塑料颗粒。该技术的工作简图如图1所示。

按照图1所示模式,首先将待处理的饮用水注入水池中,并以动力设备推动其通过滤膜,滤膜可采用微米级,其过滤孔直径以10~100 μm为宜,水流参数不易过快,避免损伤滤膜,保持其流速在0.1~0.2 m3·min-1,经过初步过滤的饮用水进入另一处水池,该水池依然利用动力设备保持水的流动性,以相同工艺进行饮用水的二次过滤,以确保微塑料的滤除效果,最后将过滤后较纯净的饮用水提供给用户。

4.2 悬浮处理

悬浮处理可以用于净化微塑料粒径较大的饮用水,其主要利用气泡上浮过程中空气表面张力较大的特点,使饮用水中的微塑料颗粒吸附于气泡外围,在气泡上浮的过程中,微塑料颗粒被携带至水面,由于大多数微塑料的密度小于水,其到达水体表面后多不会下沉,集中对水体表面进行处理,可以去除饮用水中的微塑料颗粒,降低其质量分数。利用悬浮处理法的过程中,可以建设规模较大的蓄水池,将待处理的饮用水注入水池中,在水池底部放置小型设施,待水池注水完成且水面平静后,启动设施制造气泡,要求气泡的直径维持在1 mm或更小水平,并保证制造总量较大,不断通过气泡将微塑料颗粒裹挟到水面,以提升饮用水的净化效果。

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