网络首发||刘超研究员：水消毒过程中微塑料理化性质演变的研究进展
文摘
科学
2024-11-18 11:43
浙江
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水环境中的微塑料污染问题引起广泛关注。水消毒过程中消毒剂改变微塑料理化性质，进而影响其环境效应。本文综述了在氯、臭氧和紫外消毒过程中微塑料微观结构和表观形貌的变化，揭示了消毒后微塑料对有机污染物吸附的演变机制，为明确微塑料的环境行为及风险提供参考。
刘超，博士，中国科学院生态环境研究中心研究员，课题组长，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，国家海外高层次青年人才项目与中国科学院百人计划入选者。主要研究方向为水质安全保障原理和工程技术，包括复合水处理过程的机制探讨和技术研发、非传统水源水质净化、消毒副产物的生成与控制、输配水水质保持等。在Environmental Science & Technology、Water Research等本领域权威刊物发表论文50余篇。主持国家海外高层次人才项目、中国科学院引才项目、国家自然科学基金、美国国家科学基金、美国水研究基金等项目。
张硕，北京城市排水集团坝河流域分公司经理助理，工程师。长期从事排水设施项目规划、工程建设及一体化运行维护工作，负责了北京市中心城区黑臭水体治理工程、北京市中心城区排水设施消隐工程及北京市中心城区内涝积滞水点治理工程等多项大型工程建设项目的项目研究和规划建设工作；作为管网业务负责人参与北京市坝河流域厂网一体化运行管理与实践项目，负责1600余公里的排水设施运行管理工作，总结了丰富的厂网一体运行管理经验和工程案例；主持开展了城市排水管道腐蚀研究、城市排水系统合流制溢流污染控制研究以及微塑料等新兴污染物对河道水质影响研究等多项课题，发表多篇学术论文。
张硕1，张显2，刘航2，田晨浩2，王淼1，史国旗1，刘超2,3,*1. 北京城市排水集团有限责任公司 坝河流域分公司
2. 中国科学院生态环境研究中心 饮用水科学与技术重点实验室
3. 中国科学院大学
1. 国家重点研发计划资助项目（2022YFC3203702）
2. 国家自然科学基金资助项目(52370019, 52300019)
3. 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室（中国科学院生态环境研究中心分室）专项经费（24Z02ESPCR）
水环境中的微塑料污染问题引起了广泛关注。除了自身的毒性和生态风险，微塑料还可以作为多种污染物的载体。在水消毒过程中，消毒剂的作用会导致微塑料的理化性质改变，并释放出添加剂等有毒物质。此外，微塑料理化性质的变化也会影响其对有机污染物的吸附，进而影响有机污染物的归趋转化。综述了微塑料在典型水消毒（如氯、臭氧和紫外消毒）过程中表面官能团、亲疏水性、形貌、粒径等性质的变化，并探讨了消毒后微塑料吸附有机污染物的演变机制。臭氧消毒增加了微塑料的含氧官能团，从而减弱了其表面疏水性。相反，氯化消毒增加了含氯官能团，增强了微塑料的疏水性。消毒过程可以增加微塑料的表面粗糙度，并提高其与有机污染物的作用位点。微塑料对有机污染物的吸附机制包括疏水作用、氢键作用、静电引力和π—π键堆积等。在此基础上，对未来的研究方向进行了展望。塑料具有轻便、耐用等优良特性，被广泛应用于各类产品中。常用的塑料包括聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）、热塑性聚氨酯（TPU）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等。据推测，2025年全球塑料产量将达到6亿t，然而被无害化处理或直接焚烧的塑料制品不到40%，其余大部分则未经处理进入环境。目前，塑料普遍存在于海洋、河流、湖泊等水环境中。环境中的塑料经过物理、化学和生物等过程裂解、碎化形成直径小于5mm的颗粒或碎片，即为微塑料。此外，微塑料也可直接来源于生产生活。微塑料一方面对环境和人类健康具有直接危害性，另一方面，由于微塑料疏水性强、比表面积大，可吸附水中有机污染物，进而形成复合污染物。现有污水和饮用水工艺无法完全去除微塑料。如图1所示，经污水一、二级工艺或饮用水混凝、砂滤等工艺处理后，水中残留的微塑料会与后续消毒过程中的消毒剂接触。氯是水处理中应用最广泛的消毒剂，但其在灭活病原微生物的同时，也会导致三卤甲烷和卤乙酸等消毒副产物的生成。因此，臭氧（O3）和紫外（UV254）作为替代消毒方式，在水处理中应用愈加广泛。消毒剂改变微塑料的微观结构（如官能团）和表观形貌（如表面粗糙度、粒径等），进而影响其对有机污染物的吸附。因此，研究水消毒过程对微塑料理化性质及其对有机污染物吸附的影响机制，可为明确微塑料的环境行为及健康风险提供理论参考。本文综述了典型水处理消毒过程（包括氯、O3、UV）对微塑料表面官能团、形貌、粒径等性质的影响，在此基础上，揭示了理化性质介导的微塑料对有机污染物吸附的演变机制。![]()
图1 污水处理及饮用水处理各工艺中微塑料的相对含量[28-29]
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图2 水消毒过程中微塑料理化性质演变机制示意图
张硕, 张显, 刘航, 田晨浩, 王淼, 史国旗, 刘超. 水消毒过程中微塑料理化性质演变的研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-11[2024-11-15]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20241101.ZHANG Shuo, ZHANG Xian, LIU Hang, TIAN Chenhao, WANG Miao, SHI Guoqi, LIU Chao. Changes of physicochemical characteristics of microplastics during water disinfection processes: A review[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-11[2024-11-15]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20241101.
《能源环境保护》创刊于1987年，双月刊，ISSN 2097-4183/CN 33-1264/X，是由中国煤炭科工集团有限公司主管、中煤科工集团杭州研究院有限公司主办的环境类学术期刊。主编由中国工程院高翔院士担任。主要刊载与能源环境保护有关的基础科学、技术科学及其交叉学科领域的学术论文。已被瑞典开放存取期刊目录（Directory of Open Access Journal，DOAJ）、美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）、俄罗斯《文摘杂志》（AJ，VINITI）、美国《乌利希期刊指南》（Ulrichweb）、欧洲学术出版中心（EuroPub）等数据库收录，连续6年入选《煤炭领域高质量科技期刊目录》T2级。在“双碳”目标下，将进一步聚焦学术前沿、荟萃科学发现、追踪最新动态、汇集最佳成果，推进降碳、减污、绿色低碳发展。
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编辑｜姚情璐
审核｜金丽丽
