科学新突破｜生产淡水的同时还能去除水中的微塑料

淡水是人类赖以生存的宝贵资源，滋养万物生长，维系生态系统平衡。然而，随着人口增长、工业发展以及气候变化的影响，淡水资源短缺已成为全球面临的严峻挑战之一。

在淡水资源短缺的同时，一种名为微塑料的污染物悄然“登场”。微塑料不仅难以被传统的污水处理系统拦截，还能轻易穿透土壤颗粒，对地下水资源造成严重污染。在淡水资源短缺和微塑料污染的双重影响下，淡水资源的“保卫战”已经打响。

微塑料的概念可以追溯到2004年，英国普利茅斯大学的科研人员在《科学》（Science）杂志上发表了一篇关于海洋水体和沉积物中塑料碎片的文章，首次提出了“微塑料”的概念。

微塑料是指直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒，是形状多样的非均匀塑料颗粒混合体，很难通过肉眼分辨。微塑料在水中大量富集，被形象地称为“海中的PM2.5”。

海水中的微塑料碎片  图源：图虫创意

微塑料广泛存在于环境中，2018年，研究人员在马里亚纳海沟发现微塑料碎片；2019年，珠穆朗玛峰顶峰附近的积雪中又出现了微塑料的身影。大量微塑料的存在对生态环境和人体健康带来很大的威胁。

微塑料根据不同来源，分为初生微塑料和次生微塑料。

初生微塑料主要作为工业原料或添加剂，如化妆品中含有的微塑料颗粒（微珠），以及作为工业原料的塑料颗粒和树脂颗粒。

此外，洗衣服时衣物纤维的脱落、塑料包装材料的分解等过程也会产生微塑料。

微塑料颗粒  图源：图虫创意

次生微塑料是由于大型塑料废弃物在环境中经过物理、化学和生物过程逐渐破碎形成的。这些过程包括磨损、紫外线辐射、冻融循环以及生物降解等环节，这些微塑料通过废水处理厂的排放、河流的运输等途径进入自然环境，对人类的健康造成威胁。

目前，针对微塑料的处理技术主要有物理分离、化学降解和生物降解等方法。

物理分离主要通过筛分、过滤等方式将微塑料与其他物质分离，常用于污水、海水等水体中的微塑料处理。

物理分离技术 能够迅速将微塑料从水体中分离出来，操作简便，易于实施。但是该方法去除效率低，难以去除纳米级别的微塑料。

化学降解 则利用化学试剂在特定的条件下将微塑料进一步分解为小分子，常用于固体废弃物、废水中的微塑料处理。

这种方法能够将微塑料完全分解为小分子，适用于多种类型的微塑料处理。但是化学药剂的使用成本较高，使用不当还可能会对环境造成二次污染。

生物降解 是一种环保绿色的处理方法，利用微生物将微塑料降解成气体、水和对生物体无害的物质，该方法较多应用在土壤和水体中的微塑料处理。生物降解法在微塑料分解过程中对环境影响较小，但是降解速度相对较慢，并且降解过程受环境因素影响较大，较难精确控制。

2024年7月19日，中国科学家在《自然-通讯》（Nature Communications）期刊上发表了一项通过高效界面太阳能蒸发平台（ISEP）去除水中微塑料的研究成果。该蒸发平台在生产淡水的同时还能去除水中的微塑料。

研究成果发表于《自然-通讯》（Nature Communiations）期刊。图片来源：《自然-通讯》（Nature Communiations）期刊

1、 高效的淡水生产能力

水蒸发平台是生产淡水的基础，它将光能转化为热能，促进水的蒸发，达到降低水中离子浓度的效果。

研究者在实验过程中使用商业碳毡作为基础材料，制备了水蒸发平台。碳毡是一种具有高光热转换效率和亲水多孔结构的三维材料，该材料能够将吸收的太阳能转化为热能，其多孔结构有助于水分的快速传输和蒸发，大大提高了淡水的生产效率。

实验结果表明， 三维太阳能蒸发平台（3D-ISEP）在1个太阳光照强度下，蒸发速率为2.10千克（每平方米每小时），是纯水蒸发速率的4.5倍 ，并且在不同溶液（不同pH值、微塑料浓度和尺寸）中均表现出稳定的蒸发性能。

a. 水蒸发装置图和红外图；b. 水蒸发质量和时间关系图；c. 不同材料的水蒸发速率图；d. 不同水样中微塑料的数量；e. 海水和冷凝水的显微图像；f. 原位拉曼共聚焦显微图像；g. 拉曼光谱图。图片来源：参考文献[1]

2、 强大的微塑料去除能力

研究者通过嫁接方法，将聚乙烯亚胺（PEI）负载在碳毡表面，制备了“碳毡-聚乙烯亚胺（CP-PEI）”复合材料。聚乙烯亚胺中含有丰富的氨基基团，对微塑料具有良好的吸附能力，赋予了该复合材料去除水中微塑料的能力。

实验结果表明，利用“碳毡-聚乙烯亚胺（CP-PEI）”复合材料搭建的水蒸发平台在1个太阳光照强度下，经过6小时，微塑料的去除率达到100%。即使在黑暗的环境中，该水蒸发平台仍然具有18%的微塑料去除率。

a. 紫外可见光谱图；b. 太阳能蒸发平台去除微塑料机理图；c. COMSOL模拟的微塑料去除率；d. 不同浓度的微塑料与去除率的关系图；e. 不同pH值的微塑料与去除率的关系图；f. 不同类型的微塑料与去除率的关系图；g. 水溶液中微塑料在不同时间的显微图像。图片来源：参考文献[1]

3、 蒸发平台生产的淡水可直接饮用

针对淡水资源短缺和水资源被微塑料污染的双重问题，研究者设计的太阳能水蒸发平台提供了“双赢”的解决方案。在真实海水环境中，太阳能蒸发平台不仅能够有效去除海水中的微塑料和颗粒物，还能显著降低离子浓度，其制备的冷凝水可达到世界相关饮用水标准。

结语

微塑料已经成为国际社会广泛关注的四大新污染物之一，其在水中的富集不仅对环境造成极大的污染，还在慢性毒害着我们的身体。水中微塑料的去除迫在眉睫，让我们从生活点滴做起，借助科技力量战胜淡水资源短缺和水资源污染带来的挑战。