新加坡国立大学WR：不同运行条件下饮用水处理用聚合超滤膜系统的微塑料释放

文摘 2025-01-03 10:00 浙江

摘要

饮用水已成为微塑料（MPs）进入人体的一条重要途径，这引发了人们对其可能对健康产生负面影响的担忧。膜过滤技术被广泛认为是解决水体中MPs污染的有效处理方案。然而，近期研究对聚合膜系统可能成为饮用水中MPs的额外来源这一观点提出了质疑。本研究旨在通过提供具体证据，调查不同运行条件下超滤膜系统中MPs的释放情况，确定导致释放的运行因素，并阐明潜在的可能机制。研究发现了两项关键证据支持膜系统会释放MPs这一论断，即去除效率为负，以及在进水和渗透液样品中观察到的MPs成分变化。令人惊讶的是，膜系统释放的MPs不仅来源于膜材料及其添加剂，还来自塑料制成的设备，甚至系统中使用的其他聚合物。总体结果表明，诸如剪切应力、机械磨损和化学氧化过程等破坏活动，以及外部来源MPs的携带，被认为是导致渗透液中MPs浓度增加和聚合物成分变化的潜在机制。这项研究增进了我们对膜技术导致的饮用水中MPs污染的理解，有可能推动针对这一问题的缓解策略的发展。

关键词：微塑料；超滤；聚合膜；膜清洗；饮用水

1. 研究背景：微塑料污染引发广泛关注，饮用水是其进入人体重要途径。膜过滤技术虽被视为处理微塑料污染有效方案，但有研究质疑聚合膜系统可能成为饮用水中微塑料的额外来源，本研究旨在对此展开探究。

2. 材料与方法

- 实验设置与操作条件：使用聚醚砜中空纤维超滤膜，以自来水为进水，从内向外流动。从过滤条件、进水水质、膜清洗方案三方面设置不同操作条件。

图 1.本研究中使用的实验室规模 UF 膜系统示意图。

- 分析方法：采用尼罗红荧光染料染色结合图像分析和傅里叶变换红外（FTIR）显微镜两种方法分析微塑料，并进行了全面的质量保证和控制措施。

- 数据统计与可视化：用RStudio软件进行统计分析，结合RStudio和Origin Pro 2021b SR2进行数据可视化。

3. 结果与讨论

- 过滤条件影响：渗透液中微塑料浓度高于进水，去除效率为负，表明膜处理后可能释放微塑料。横流模式下通量80、100和120 LMH时微塑料释放量显著高于25和50 LMH。

图 2.（a） MP 浓度，（b）粒径分布，以及（c）不同过滤条件下渗透液样品的形状类型（每种条件 n = 5）。

- 进水水质影响：pH为8、9及高溶解性总固体（TDS）条件下，渗透液中微塑料数量翻倍。悬浮固体（SS）和腐殖酸添加未导致微塑料显著释放。

- 膜清洗方案影响：常规反冲洗中，反冲洗速率和持续时间增加会使渗透液中微塑料浓度上升；化学增强反冲洗（CEB）中，次氯酸钠（NaOCl）浓度增加会使微塑料浓度升高，氢氧化钠（NaOH）和柠檬酸清洗则无明显趋势；原位化学清洗（CIP）未使渗透液中微塑料浓度显著增加。

- 聚合物组成变化：膜处理后渗透液中出现与膜系统相关的新聚合物成分，层次聚类和主成分分析（PCA）证实了进水和渗透液中微塑料聚合物组成的差异。

- 释放机制：可能机制包括仅在膜通道内部的破坏活动、作用于膜两侧的条件、反冲洗溶液携带微塑料等。

图 9.MP 从膜系统释放的可能机制;（a）仅在膜通道内具有破坏性;（b）膜内和渗透侧的破坏性;（c） MP 由清洁液携带。

4. 结论与展望：研究证明不同操作条件下超滤膜系统会释放微塑料，这些发现通过提供 MP 中负去除效率和聚合物成分变化的证据，突出了 MP 在各种操作条件下的释放。破坏性活动，例如错流速度的变化、悬浮颗粒的磨损或给水或用于清洁的化学品的 pH 值变化，会触发氧化和降解过程，导致 MP 从膜系统中释放。然而，仅通过中空纤维通道内的膜恶化，MPS 被释放和积累，而渗透液浓度没有显着增加。此外，反冲洗溶液可以将 MP 引入系统，尽管对 MP 总浓度的贡献很小。这项研究促进了我们对膜过滤系统中 MP 释放机制的理解，为支持这些现象提供了全面的见解和证据。未来应开展更精确分析，考虑时间相关因素、探索替代处理方案及研究实验室规模与实际规模模块的差异等。

Maliwan, T., & Hu, J. (2025). Release of microplastics from polymeric ultrafiltration membrane system for drinking water treatment under different operating conditions. *Water Research*, 274, 123047.

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.123047

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