🌊 不同形状微塑料在多孔介质中渗透与滞留的实时可视化研究
📖 背景介绍
微塑料的环境挑战
- 定义与来源
：微塑料（Microplastics, MPs）是尺寸小于5 mm的塑料颗粒，主要包括： - 一次性微塑料
：个人护理品、化妆品等。 - 二次性微塑料
：大块塑料降解而来，如包装袋、建筑材料。 - 环境威胁
： 微塑料通过污水处理厂、河流、地表径流等进入环境，在水体、土壤和大气中广泛存在，对生态系统健康和生物链构成威胁。
研究意义
微塑料在多孔介质（如土壤、湿地沉积物）中的迁移与分布尚不明确，传统研究受限于“黑箱”分析。 本研究通过改进折射率匹配技术（Refractive Index Matching, RIM），实现微塑料在三维多孔介质中的实时可视化，揭示不同形状微塑料的渗透深度、轨迹及滞留模式。
🔍 科学问题
- 不同形状微塑料在多孔介质中的渗透深度和轨迹有何差异？
- 微塑料的物理特性（如形状、密度）如何影响其滞留模式？
- 流速与颗粒尺寸对微塑料行为的调控机制是什么？
🧪 实验设计与方法
1. 实验设置
- 实验柱
：采用20×20 cm²横截面、140 cm高的透明丙烯酸板制成沉降柱。 - 介质材料
：水凝胶珠（直径7.0 ± 0.35 mm和14.5 ± 0.62 mm），实现折射率匹配。 - 微塑料
： - 形状
：球形、柱形、片状。 - 密度
：1.08 g/cm³至1.41 g/cm³。 - 尺寸
：等效直径范围为0.72 mm至3.00 mm。
2. 数据采集
- 可视化技术
： 高速相机结合LED背光记录微塑料在多孔介质中的二维和三维轨迹。 激光片光照明分析微塑料与颗粒间的交互作用。 - 变量设置
： - 流速
：0、0.2、0.4 mm/s。 - 颗粒尺寸比（
d n / D ：微塑料直径与颗粒直径的比值。
🌟 核心结果与解读
1. 渗透深度与流速的关系
- 关键发现
： 球形微塑料的渗透深度最大，片状微塑料最小。 - 流速增加
显著提升微塑料的渗透深度（图2）。 - 机制解释
： 球形微塑料的形状对称性减少了横向位移和阻力，促使其渗透更深。
2. 微塑料的运动轨迹
- 二维轨迹
： 球形微塑料轨迹接近垂直方向，柱形和片状微塑料表现出显著的横向振荡。 - 三维轨迹
： 球形微塑料沿近似正态分布的路径渗透，片状微塑料偏向固定方向。
分析：颗粒间复杂的孔隙通道决定了微塑料的运动路径，形状越复杂，横向位移越显著。
3. 滞留模式
- 滞留模式分类
： - 球形
：单一模式（颗粒间滞留）。 - 柱形
：双端点滞留、单端点滞留、侧面滞留（概率分别为50%、25%、25%）。 - 片状
：窄边滞留、正面滞留（概率分别为60%、40%）。 - 滞留机制
： 滞留发生于孔隙狭窄处，滑动和旋转行为影响微塑料的重新分布。
4. 流速与颗粒尺寸的影响
- 流速
： 流速越高，微塑料越容易通过滑动和旋转克服颗粒阻力。 - 颗粒尺寸比（
d n / D ： 渗透深度与颗粒尺寸比成反比。 滞留概率随颗粒尺寸比增加而显著提高。
📊 数据可视化建议
- 渗透深度对比图
：
展示不同形状微塑料在多孔介质中的渗透深度随流速变化的关系。
可视化二维和三维轨迹，突出横向振荡和滞留位置。
饼图显示不同形状微塑料的滞留模式及其发生概率。
💡 专家点评与未来展望
1. 科学意义
本研究首次通过改进的RIM方法，实现了微塑料在多孔介质中的实时可视化。 提供了渗透与滞留机制的物理解释，为微塑料迁移行为研究提供了新工具。
2. 应用前景
- 环境治理
： 为设计针对微塑料的过滤和拦截措施提供参考。 - 污染监测
： 有助于预测微塑料在地下水和土壤中的迁移路径。
3. 未来研究方向
- 微小尺度扩展
：
探讨微米和纳米级微塑料的迁移行为。
研究多种微塑料共存对渗透与滞留的协同效应。
将研究范围扩展至天然复杂介质（如砂砾沉积物）。
总结
本研究通过实验与可视化技术的结合，揭示了微塑料在多孔介质中的渗透与滞留特性。研究成果不仅深化了对微塑料迁移行为的理解，还为污染治理和生态保护提供了科学依据。
