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微塑料細密地分散于水、土壤和空氣中。然而，這些微塑料究竟從何而來，真正的污染“重災區(qū)”又在哪里呢？初創(chuàng)公司W(wǎng)asser 3.0開發(fā)了一種簡單、快速且經(jīng)濟實惠的方法，能夠?qū)?strong>微塑料進行檢測與清除。
制造、加工和回收行業(yè)目前面臨著水、廢物、能源、化學品和工廠維護的高成本。城市污水處理廠則對日益復雜的污染情況產(chǎn)生抱怨，并且它們的凈化效果正日益達到極限。作為歐盟《城市污水處理指令》修訂內(nèi)容的一部分，未來將要增設的第四處理階段，僅聚焦于特定的污染物類別，包括微量污染物。該修正案未包括降低環(huán)境中微塑料水平的措施。
圖1：城市污水處理廠中的微塑料：需要注意的是，百分比值并不能代表污水處理廠污水中微塑料的實際數(shù)量（來源：Wasser 3.0；圖：© Kunststoffe）
目前，增設的“強化第四處理階段”（指針對微塑料處理），已經(jīng)在經(jīng)濟高效地實施中。但是，其重點不應放在“污水處理廠能夠在三個處理階段中去除高達95%的微塑料負荷”這一說法上，而有必要用絕對值量化剩余的5%。據(jù)預測，每個污水處理廠每年可去除200-500kg的微塑料。僅德國就有10,000個污水處理廠，采用合適的強化第四處理階段（附加微塑料處理）能夠防止大量微塑料通過處理過的污水進入環(huán)境（圖1）。此外還可以在工業(yè)層面采取直接行動。
微塑料的多種進入途徑
微塑料是指在我們的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)的小于5mm的塑料顆粒。它們通常不可見并且具有許多不同的特性。通過三個細分類別，我們可以清楚地了解各種微塑料的不同之處及其來源。
原生微塑料是直接釋放到環(huán)境中的微塑料，它可分為兩種類型：
◆ 原生A型微塑料被直接添加到個人護理或清潔產(chǎn)品等產(chǎn)品中。
◆ 原生B型微塑料是由塑料制品（例如：人造草皮、合成服裝、汽車輪胎、油漆和清漆）的使用和加工產(chǎn)生的。
次生微塑料是陸地、海洋和河流中的塑料垃圾在紫外線、細菌或摩擦的作用下隨著時間的推移分解成越來越小的碎片而產(chǎn)生的。據(jù)估計，每年有多達1200萬噸的塑料流入海洋，相當于每分鐘就有一輛垃圾車的塑料被排放到海里。
從化學角度來看，塑料是合成聚合物；通俗地說，塑料這個術語是同義使用的。它們被用于數(shù)不清的工業(yè)過程中，甚至是看起來根本不像塑料的產(chǎn)品中，如衛(wèi)生紙。因此，我們談論的是虛擬微塑料，它們是在工業(yè)生產(chǎn)和加工過程中使用合成聚合物產(chǎn)生的。這些微塑料與工業(yè)廢水一起被排入周圍的水域或污水系統(tǒng)。
圖2：微塑料進入環(huán)境的途徑概述 © Wasser 3.0
塑料進入環(huán)境之后就很難被去除，而微塑料幾乎不可能被去除（圖2）。它們可能需要幾百年才能被降解，導致隨著時間推移出現(xiàn)越來越多的微塑料積聚。規(guī)避策略從產(chǎn)品設計層面開始。檢測、去除和回收策略最好從工業(yè)和城市廢水流中的熱點區(qū)域開始。識別這些熱點區(qū)域是微塑料標準化和比較分析的任務。
讓不可見變?yōu)榭梢?/strong>
仔細研究微塑料的檢測可以發(fā)現(xiàn)，它分為三個主要步驟：樣品采集、取樣和檢測（分析）。其中很重要的一點是要意識到微塑料分析中的誤差來源和挑戰(zhàn)不僅可能出現(xiàn)在檢測階段，而且可能出現(xiàn)在從樣品采集到檢測的每一個步驟中。誤差會影響測量結(jié)果。因此，在制定檢測標準時，明確微塑料分析的要求并對多種方法進行比較尤為重要。很多傳統(tǒng)的微塑料檢測方法——例如用于微塑料化學鑒定的FTIR和拉曼光譜或顯微鏡都很復雜、耗時且昂貴。其分析結(jié)果可能需要一到數(shù)周的時間才能出來，因此不太適用于（廢水）水處理過程中的連續(xù)過程監(jiān)測和控制。
未來，人工智能輔助的交叉評估模型可能有助于數(shù)據(jù)管理，但這需要一個極其完善的數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫還要能記錄導致微塑料含量規(guī)律性和暫時性波動的外部影響。需要數(shù)天工作時間、大量人力和專業(yè)知識的測量方法，將不太可能在這一應用領域發(fā)揮作用。相反，易于使用且可靠的微塑料快速檢測方法將變得更加重要。這些方法不僅可以提供潛在重點區(qū)域的即時指示，還有助于實現(xiàn)簡單且經(jīng)濟高效的過程控制。
使用熒光標記進行檢測
針對工業(yè)和城市廢水流中特定的過程控制和數(shù)據(jù)收集，每升微塑料顆粒總量的測定已被證明是有效且有意義的。滿足該標準的其中一種方法是基于熒光標記的應用。分析從標準化采樣開始。水采樣使用的玻璃采樣瓶、城市廢水采樣使用的移動顆粒采樣裝置（PSU）以及工業(yè)過程和廢水使用的過程集成采樣都是易于使用的方法，它們可被用作標準化程序并提供可比較的樣本。
使用采樣瓶時應注意，這是一個非代表性樣本，因為樣本量相對較小。因此，微塑料的不均勻性可能導致微塑料負荷出現(xiàn)較大的偏差。因此，該方法非常適合水分析，因為可以在多個地點采集樣本而無需花費太多成本或時間，而且可以對微塑料負荷進行全面分析。
用采樣瓶采樣時，城市污水處理廠獲得的結(jié)果既不具有代表性，也不具有可比性。樣品量（通常為5升）太小，無法進行有意義的微塑料分析，而且錯誤率太高。為了獲得這一應用的代表性結(jié)果，建議使用PSU，其優(yōu)勢在于樣品量更大（100升及以上）。樣品采集需要更長的時間，但如果確定了合理的采樣間隔（每月2-4次），它將可以提供具有代表性的、可解釋的結(jié)果。這些結(jié)果可用于未來的解決方案工作和技術開發(fā)。
取樣完成后，在實驗室中對廢水樣品進行處理。去除天然顆粒來減少總顆粒數(shù)并方便進行微塑料檢測。天然顆粒通常通過添加過氧化氫來分解。這種處理方法已被證明是處理微塑料的恰當方法之一。但這里也需要制定一個標準的過程協(xié)議，以便通過比較分析提供有意義的結(jié)果。
樣品制備完成后，對微塑料顆粒進行檢測。Wasser 3.0采用熒光顯微鏡作為檢測方法。所用的熒光標記是abcr eco Wasser 3.0 detect mix MP-1。這種新型熒光標記混合物可用于使合成聚合物顆粒發(fā)光，無論其類型、大小和來源如何。這種特殊的熒光標記物是經(jīng)過多年研究開發(fā)的，可用于選擇性地對微塑料進行著色。與其他表征方法相比，熒光顯微鏡的優(yōu)勢在于其速度和測量效率。此外，這些測量值還可用于發(fā)起以解決方案為導向的行動。
檢測和去除微塑料
Wasser 3.0 PE-X微塑料去除技術能夠單獨評估每種廢水和每個工藝，因此可用于制定滿足循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)工藝設計標準的定制解決方案，從而始終與最高的生態(tài)、社會和經(jīng)濟效率保持一致。解決過程始終從根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)或待收集的新數(shù)據(jù)對總污染負荷進行深入分析開始。根據(jù)確定的污染類型和數(shù)量以及當前的問題，該過程可作相應調(diào)整。
圖3：聚集的微塑料團塊無需額外幫助即可漂浮在水面上，并且可以輕松分離和回收© David Vogt/Wasser 3.0
從廢水流中去除微塑料的原理很簡單，即結(jié)塊與撇渣技術。這包括將無害的混合硅膠添加到受污染的水中。這些硅化合物含有有機物，通過攪拌可與微塑料和微污染物凝結(jié)在一起，形成爆米花狀的微塑料團塊并漂浮在水面上（圖3）。根據(jù)其尺寸大小，再用撇渣器或粗孔過濾器撇去。該方法既不會產(chǎn)生副產(chǎn)品，也不需要過濾器。利用這項技術，95%以上的微塑料污染負荷和80%以上的微污染物污染負荷可實現(xiàn)工業(yè)規(guī)模的可重復減少。此外，水可供再利用，廢物（微塑料團塊）可成為二次材料利用的資源。
由于技術要求簡單，Wasser 3.0 PE-X的投資成本比競爭對手低20%以上。其維護要求和運營成本也很低。結(jié)合低能耗，目前測試的工業(yè)和市政應用領域的總運營成本降低了75%。
本文由榮格獨家翻譯自Plastics Insights雜志
作者：Dr. Katrin Schuhen
來源：榮格-《國際塑料商情》
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