淡水是人類賴以生存的寶貴資源，滋養萬物生長，維系生態系平衡。然而，隨著人口增長、工業發展以及氣候變遷的影響，淡水資源短缺已成為全球面臨的嚴峻挑戰之一。
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在淡水資源短缺的同時，一種名為微塑膠的汙染物悄然「登場」。微塑膠不僅難以被傳統的汙水處理系統攔截，還能輕易穿透土壤顆粒，對地下水資源造成嚴重汙染。在淡水資源短缺和微塑膠汙染的雙重影響下，淡水資源的「保衛戰」已經打響。
什麽是微塑膠，它的來源有哪些？
微塑膠的概念可以追溯到2004年，英國普利茅斯大學的科研人員在【科學】（Science）雜誌上發表了一篇關於海洋水體和沈積物中塑膠碎片的文章，首次提出了「微塑膠」的概念。
微塑膠是指直徑小於5毫米的塑膠碎片和顆粒，是形狀多樣的非均勻塑膠顆粒混合體，很難透過肉眼分辨。微塑膠在水中大量富集，被形象地稱為「海中的PM2.5」。
海水中的微塑膠碎片。圖片來源：圖蟲創意
微塑膠廣泛存在於環境中，2018年，研究人員在馬利安納海溝發現微塑膠碎片；2019年，珠穆朗瑪峰頂峰附近的積雪中又出現了微塑膠的身影。大量微塑膠的存在對生態環境和人體健康帶來很大的威脅。
微塑膠根據不同來源，分為初生微塑膠和次生微塑膠。
初生微塑膠主要作為工業原料或添加劑，如化妝品中含有的微塑膠顆粒（微珠），以及作為工業原料的塑膠顆粒和樹脂顆粒。此外，洗衣服時衣物纖維的脫落、塑膠包裝材料的分解等過程也會產生微塑膠。
微塑膠顆粒。圖片來源：圖蟲創意
次生微塑膠是由於大型塑膠廢棄物在環境中經過物理、化學和生物過程逐漸破碎形成的。這些過程包括磨損、紫外線輻射、凍融迴圈以及生物降解等環節，這些微塑膠透過廢水處理廠的排放、河流的運輸等途徑進入自然環境，對人類的健康造成威脅。
處理微塑膠都有哪些方法？
目前，針對微塑膠的處理技術主要有物理分離、化學降解和生物降解等方法。
物理分離主要透過篩分、過濾等方式將微塑膠與其他物質分離，常用於汙水、海水等水體中的微塑膠處理。物理分離技術能夠迅速將微塑膠從水體中分離出來，操作簡便，易於實施。但是該方法去除效率低，難以去除納米級別的微塑膠。
化學降解則利用化學試劑在特定的條件下將微塑膠進一步分解為小分子，常用於固體廢棄物、廢水中的微塑膠處理。這種方法能夠將微塑膠完全分解為小分子，適用於多種類別的微塑膠處理。但是化學藥劑的使用成本較高，使用不當還可能會對環境造成二次汙染。
生物降解是一種環保綠色的處理方法，利用微生物將微塑膠降解成氣體、水和對生物體無害的物質，該方法較多套用在土壤和水體中的微塑膠處理。生物降解法在微塑膠分解過程中對環境影響較小，但是降解速度相對較慢，並且降解過程受環境因素影響較大，較難精確控制。
「一石二鳥」：生產淡水+清除微塑膠
2024年7月19日，中國科學家在【自然-通訊】（Nature Communications）期刊上發表了一項透過高效界面太陽能蒸發平台（ISEP）去除水中微塑膠的研究成果。該蒸發平台在生產淡水的同時還能去除水中的微塑膠。
研究成果發表於【自然-通訊】（Nature Communiations）期刊。圖片來源：【自然-通訊】（Nature Communiations）期刊
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高效的淡水生產能力
水蒸發平台是生產淡水的基礎，它將光能轉化為熱能，促進水的蒸發，達到降低水中離子濃度的效果。
研究者在實驗過程中使用商業碳氈作為基礎材料，制備了水蒸發平台。碳氈是一種具有高光熱轉換效率和親水多孔結構的三維材料，該材料能夠將吸收的太陽能轉化為熱能，其多孔結構有助於水分的快速傳輸和蒸發，大大提高了淡水的生產效率。
實驗結果表明，三維太陽能蒸發平台（3D-ISEP）在1個太陽光照強度下，蒸發速率為2.10千克（每平方米每小時），是純水蒸發速率的4.5倍，並且在不同溶液（不同pH值、微塑膠濃度和尺寸）中均表現出穩定的蒸發效能。
a. 水蒸發裝置圖和紅外圖；b. 水蒸發質素和時間關系圖；c. 不同材料的水蒸發速率圖；d. 不同水樣中微塑膠的數量；e. 海水和冷凝水的顯微影像；f. 原位拉曼共聚焦顯微影像；g. 拉曼光譜圖。圖片來源：參考文獻[1]
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強大的微塑膠去除能力
研究者透過嫁接方法，將聚乙烯亞胺（PEI）負載在碳氈表面，制備了「碳氈-聚乙烯亞胺（CP-PEI）」復合材料。聚乙烯亞胺中含有豐富的胺基基團，對微塑膠具有良好的吸附能力，賦予了該復合材料去除水中微塑膠的能力。
實驗結果表明，利用「碳氈-聚乙烯亞胺（CP-PEI）」復合材料搭建的水蒸發平台在1個太陽光照強度下，經過6小時，微塑膠的去除率達到100%。即使在黑暗的環境中，該水蒸發平台仍然具有18%的微塑膠去除率。
a. 紫外可見光譜圖；b. 太陽能蒸發平台去除微塑膠機理圖；c. COMSOL模擬的微塑膠去除率；d. 不同濃度的微塑膠與去除率的關系圖；e. 不同pH值的微塑膠與去除率的關系圖；f. 不同類別的微塑膠與去除率的關系圖；g. 水溶液中微塑膠在不同時間的顯微影像。圖片來源：參考文獻[1]
3
蒸發平台生產的淡水可直接飲用
針對淡水資源短缺和水資源被微塑膠汙染的雙重問題，研究者設計的太陽能水蒸發平台提供了「雙贏」的解決方案。在真實海水環境中，太陽能蒸發平台不僅能夠有效去除海水中的微塑膠和顆粒物，還能顯著降低離子濃度，其制備的冷凝水可達到世界相關飲用水標準。
結語
微塑膠已經成為國際社會廣泛關註的四大新汙染物之一，其在水中的富集不僅對環境造成極大的汙染，還在慢性毒害著我們的身體。水中微塑膠的去除迫在眉睫，讓我們從生活點滴做起，借助科技力量戰勝淡水資源短缺和水資源汙染帶來的挑戰。
參考文獻
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[2]Richard C. Thompson et al. Lost at Sea: Where Is All the Plastic[J]? Science, 2004.
[3]周倩,章海波,李遠,等.海岸環境中微塑膠汙染及其生態效應研究進展[J].科學通報, 2015.
[4]孫曉霞.海洋微塑膠生態風險研究進展與展望[J].地球科學進展, 2016.
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出品丨科普中國
作者丨石暢 物理化學博士
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