淡水環(huán)境沉積物中微塑料的密度分離方法研究

張耀丹，李欣桐，李 永，王 昊，李克鋒，梁瑞峰

1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 611130 2.四川大學(xué)，水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都 610065

塑料因其質(zhì)輕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點，自20世紀(jì)初被成功合成后就廣泛應(yīng)用于日常生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)上，并且已經(jīng)逐漸發(fā)展成為人類生產(chǎn)生活不可或缺的部分[1-2]。塑料在自然環(huán)境中不易分解或只能進行極其緩慢降解[3]，例如日常使用的聚乙烯塑料袋在環(huán)境中自然分解大約需要200 a[4-5]。據(jù)估計，至今為止，人類共產(chǎn)生了91億t以上的塑料垃圾，而這些塑料垃圾的回收利用率不足10%[6]。除回收利用的部分塑料垃圾進入了垃圾填埋場或焚燒場，剩余的塑料垃圾則是被丟棄在環(huán)境中，其中部分隨意傾倒或填埋的塑料垃圾最終會進入水體。進入水體的這些塑料垃圾短時間內(nèi)無法降解，在水力、化學(xué)以及生物的作用下將會分解成更小的塑料碎片，當(dāng)塑料碎片尺寸小于5 mm時一般可認(rèn)為是微塑料[7]。我國現(xiàn)有研究中監(jiān)測到的微塑料種類有農(nóng)業(yè)、工業(yè)和制造業(yè)中常見的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚氨酯(PU)及用于衣物、織物紡織的人工合成纖維類微塑料，如滌綸(PET)、尼龍(PA)、人造絲(RA)等[8-11]。

通常，學(xué)者們將水環(huán)境中的微塑料研究分為水樣、沉積物或潮灘中的研究[12-16]，如何有效地將微塑料從背景物質(zhì)中分離出來是研究中必不可少的一步[17-18]。但是，現(xiàn)有的微塑料分離方法暫無統(tǒng)一的系統(tǒng)程序和檢測標(biāo)準(zhǔn)[17,19-20]。通常水樣經(jīng)過消解預(yù)處理后能大大降低微塑料樣品中雜質(zhì)的量，因而對微塑料的后續(xù)分析影響不大[21]，而沉積物或潮灘樣品中摻雜的泥沙和其他雜質(zhì)顆粒會嚴(yán)重影響對其中微塑料的實驗分析。密度分離法可以有效地提取目標(biāo)組分，分離效率高，利用微塑料和雜質(zhì)的不同密度將目標(biāo)微塑料樣品從沉積物(包含顆粒碎屑及有機植物殘枝、生物殘體等)中分離出來。各種類型塑料的密度通常為0.8～1.4 g/cm3[22]，而沉積物的主要組成成分泥沙的密度通常大于2.5 g/cm3，有機植物殘枝密度一般小于0.7 g/cm3，因此可以使用不同密度的溶液將目標(biāo)組分從沉積物中提取出來[23]。

目前，最常用的提取溶液是廉價易得的飽和NaCl溶液，也有學(xué)者使用飽和NaI溶液、多鎢酸鈉溶液和ZnCl2溶液對密度為1.2 g/cm3以上的微塑料進行提取，且提取效率更高[24-25]。但這幾種化學(xué)藥品單價高，廢液處理不當(dāng)將對環(huán)境造成負(fù)擔(dān)?；诓煌奶崛∪芤?，使用密度分離法提取微塑料的同時還需輔以不同的實驗儀器和操作方法[23,26-27]，如離心機離心、分液漏斗分液、流化床分離等，同樣暫無統(tǒng)一公認(rèn)的高效提取方法。

本研究在選擇相對經(jīng)濟環(huán)保的飽和NaCl溶液為提取溶液的前提下，選取和改進了直接浮選法(方法一)、容量瓶浮選法(方法二)和離心法(方法三)3種典型的沉積物微塑料分離方法，成功應(yīng)用于岷江成都段沉積物中微塑料的分離，研究比較了其對不同成分和形態(tài)的淡水環(huán)境沉積物微塑料的分離效果，旨在為今后沉積物中微塑料檢測中的分離措施提供參考及應(yīng)用實例，尤其是在淡水環(huán)境沉積物微塑料污染的定量分析方面，為未來我國淡水環(huán)境微塑料污染的標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化檢測提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用沉積物樣品采用2019年11月在岷江成都段“內(nèi)江-府河”段上的N1、N2、N3和N4 4個點位(圖 1)所采集的沉積物樣品。樣品密封后帶回實驗室，放置在陰涼處自然風(fēng)干及保存。每次分析取約200 g沉積物樣品密封后放入烘箱中設(shè)置50 ℃干燥24 h。實驗所使用的器材包括各型號玻璃燒杯、1 L容量瓶、50 mL離心管和離心機(cence TGL-16M)等。實驗所使用的試劑包括飽和NaCl溶液、30% H2O2試劑和光譜級溴化鉀，均購于成都科隆化工試劑廠。

圖1 采樣點位置示意圖Fig.1 Location of sampling points

1.2 實驗方法

1.2.1 分離方法

研究采用直接浮選法(方法一)、容量瓶浮選法(方法二)和離心法(方法三)這3種微塑料密度分離方法進行比較。其中方法一最為簡單，即將樣品和溶液在燒杯中直接混合，靜置后收集上層溶液中的疑似微塑料樣品；方法二是將溶液和沉積物樣品在容量瓶中充分混合后靜置，其間利用容量瓶上小下大的特點充分分離目標(biāo)樣品和沉積物，改進常規(guī)的直接傾倒法，使用橡膠管使飽和NaCl溶液勻速通入，借助液體流動態(tài)提取上層溶液和懸浮物；離心法則是將沉積物樣品和溶液在離心管內(nèi)混合，同時利用振蕩攪拌器充分混合后再放入離心機離心分離并提取上層溶液中的懸浮物。

方法一：取烘干后樣品50 g于250 mL燒杯中，加入150 mL飽和NaCl溶液充分?jǐn)嚢杈鶆蚝箪o置10 min。靜置后將含有目標(biāo)懸浮物的上層液體收集到干凈燒杯中。將浮選剩下的沉積物再次加入適量飽和NaCl溶液充分?jǐn)嚢杈鶆?，重?fù)靜置分離操作3次。將操作得到的含有目標(biāo)懸浮物的上層液體收集到一起，通過抽濾裝置將溶液中的固體懸浮物收集到孔徑10 μm、直徑50 mm的濾膜上，再使用少量的去離子水將濾膜上的樣品沖洗到燒杯中。將收集的樣品轉(zhuǎn)移到250 mL三角燒瓶中，加入150 mL 30% H2O2溶液，并將燒瓶放置到搖床中，設(shè)置搖床參數(shù)20 ℃、100 r/min消解24 h，以消解沉積物中植物殘枝等[24]。將消解后的溶液再次通過抽濾裝置，用去離子水將樣品沖洗到孔徑10 μm、直徑50 mm的濾膜上的同時也沖洗掉表面殘留的H2O2溶液，最后保存在濾膜盒中并編號。

方法二：取烘干后的樣品50 g，使用漏斗將樣品轉(zhuǎn)移至1 L容量瓶中，加入飽和NaCl至容量瓶刻度線，將樣品充分混合均勻后靜置10 min。將容量瓶放置在1 000 mL燒杯中，將一根橡膠管由上至下伸入容量瓶內(nèi)部大約2/3深度位置，使用虹吸的方法讓飽和NaCl溶液勻速地注入容量瓶，使上升的液體流帶動懸浮在容量瓶細(xì)口部位的懸浮物，使其溢出并收集到燒杯中。將容量瓶外壁以及橡膠管管壁上附著的懸浮物沖洗進燒杯中一同收集起來。用同樣的方法對下層沉積物再次進行浮選，共浮選3次。后續(xù)抽濾、收集和消解有機物后再抽濾收集的操作方法與方法一相同。

方法三：取烘干后的樣品50 g，平均分成5份，將每份(10 g)分別置于50 mL離心管中，用移液管吸取30 mL飽和NaCl溶液于每支離心管中，放置在振蕩攪拌機上充分振蕩，并調(diào)整各離心管質(zhì)量，盡可能保證質(zhì)量相等。將裝有樣品的離心管放入離心機，設(shè)置參數(shù)5 000 r/min，離心5 min。將離心后的含疑似微塑料樣品的上層溶液分離收集，下層沉積物繼續(xù)加入適量飽和NaCl溶液，重復(fù)離心分離共3次。后續(xù)抽濾、收集和消解有機物后再抽濾收集的操作方法與方法一相同。

以上3種方法每個樣品均取3個平行樣進行分析，分析結(jié)果取平均值。

1.2.2 成分分析方法

從每組通過分離操作得到的疑似微塑料樣品中隨機選取40～50片，通過傅里葉變換紅外光譜法進行成分鑒定，以確定各方法檢出的準(zhǔn)確率。當(dāng)樣品足夠大，可以被光譜儀探針接觸識別時，直接將該樣品放置到光譜儀樣品倉中通過探針固定后進行掃描。當(dāng)樣品不能被探針直接識別時，需要先將樣品進行壓片處理。壓片步驟：取一個待測樣品于瑪瑙研缽中，加入適量在100 ℃下干燥3 h的光譜純溴化鉀，混合后在瑪瑙研缽中研磨10 min，使用TN-PC-15FS壓片機壓片。將壓片樣品或直接樣品放置到IRAffinity-1S傅里葉變換紅外光譜儀樣品倉中掃描，儲存輸出的光譜信息，分析微塑料樣品的成分。將輸出的圖譜與數(shù)據(jù)庫中標(biāo)準(zhǔn)圖譜進行匹配，匹配度在70%以上視為匹配成功。

1.3 回收率實驗

用于回收率實驗的微塑料顆粒(PP、PE、PA、PVC、PET)購于深圳廣全塑料廠。將其切割成尺寸為1 mm以內(nèi)的顆粒后混入烘干好的干凈土樣中。實驗過程中所用的已知成分的微塑料顆粒的類型、顏色、數(shù)量等情況見表1。

表1 回收率實驗相關(guān)參數(shù)表Table 1 Related parameters ofrecovery rate experiment

利用3種不同分離方法進行分離操作，對分離方法的準(zhǔn)確率進行補充驗證，重復(fù)操作3次。微塑料回收率計算公式：

1.4 數(shù)據(jù)處理

由于方法三使用的離心機轉(zhuǎn)子和離心管有容量的限制，在方法三中將50 g沉積物樣品平均分成5份，每份10 g，進行微塑料分離實驗。而方法一、方法二每個實驗組取50 g沉積物樣品，因此在進行實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計時應(yīng)在原實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上統(tǒng)一計量單位。本研究對于微塑料樣品使用豐度計量，單位統(tǒng)一為“個/kg”。

采樣點示意圖為采樣時使用奧維互動地圖讀取采樣點現(xiàn)場GPS坐標(biāo)后，利用ArcGIS 10.2進行繪制所得。結(jié)果中數(shù)據(jù)及所使用的表格、柱狀圖等均使用Excel軟件進行處理和繪制。

2 實驗質(zhì)量保證與控制

為避免分析過程中潛在的背景污染，采取了以下預(yù)防措施。在整個取樣和分析過程中，參與實驗的人員均穿著非紡織布材質(zhì)的實驗服。樣品一經(jīng)收集，立即存放在密封的鋁箔樣品袋中。所有材料和容器在使用前用蒸餾水沖洗3次，每一步操作后用鋁箔紙覆蓋[28-29]。在分析樣品前對使用立體顯微鏡的工作場所進行了仔細(xì)清潔。

樣品在實驗室干燥及分析過程中的潛在污染(如實驗室空氣中的污染物)應(yīng)通過空白實驗進行檢查。用孔徑10 μm濾膜紙，抽真空過濾1 h，檢測工作場所空氣中潛在的顆粒物，進行3次重復(fù)實驗。顯微鏡下平均檢出(0.67±0.47)個顆粒物，與沉積物樣品中微塑料豐度相比極小，因此實驗室分析過程中的污染可以忽略不計。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同方法微塑料分離效果

3種實驗方法均分離出了大量疑似微塑料的顆粒，經(jīng)過傅里葉變換紅外光譜儀鑒定后，其中部分顆粒被鑒定為微塑料。通過鑒定確認(rèn)為微塑料的顆粒個數(shù)與疑似微塑料的顆粒個數(shù)的比例為準(zhǔn)確率。方法一隨機選取的43個疑似微塑料樣品中有32個通過鑒定確認(rèn)為微塑料，即準(zhǔn)確率74%。方法二準(zhǔn)確率64%，方法三準(zhǔn)確率88%。

方法二分離出的疑似微塑料樣品數(shù)量最多，但分離準(zhǔn)確率最低，僅64%。在未被成功確認(rèn)為微塑料的16個樣品中，有2個疑似樣品被鑒定為硫酸鎂，3個被鑒定為二氧化硅，其余成分有低密度砂石和硅酸鋁等。這可能是由于浮選時使用動態(tài)流帶動目標(biāo)樣品上升過程中無差別地帶動了其余密度略大的雜質(zhì)，并隨動態(tài)流上升從而被選出。方法一分離準(zhǔn)確率為74%，但分離出的微塑料樣品數(shù)量少于其他2種方法，這是由于方法一簡單的操作無法使沉積物與溶液充分混合并被提取溶液分離出來，且分離上層溶液及懸浮物時采用手動操作，實驗誤差較大，導(dǎo)致分離準(zhǔn)確度低。而方法三使用了振蕩攪拌器充分混合溶液與沉積物，并使用離心機充分離心，分離效率及準(zhǔn)確性高。方法三手動操作較少，較其他2種方法可有效降低實驗誤差。按照準(zhǔn)確率折算后，同一樣品方法三分離出的微塑料樣品數(shù)量相對最多，且準(zhǔn)確率最高。3種方法對微塑料的分離結(jié)果如圖2所示。

3.2 不同方法對微塑料成分的分離結(jié)果

研究共隨機選取了133個疑似微塑料樣品進行鑒定，其中有101個樣品通過傅里葉紅外變換光譜圖的匹配，成功確認(rèn)為塑料成分。它們的尺寸為66～4 770 μm，其中有90.4%的微塑料的尺寸在1 000 μm范圍內(nèi)。實驗鑒定出了PP、PE、RA、PA、PET、PS、PVC、聚乙烯-聚丙烯共聚物(PP-PE)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共計9種成分的微塑料(圖3)。

圖3 不同方法對各種成分微塑料的分離結(jié)果Fig.3 Results of the various microplasticcomponents separated by different methods

3種方法均分離出了PP、PE、RA、PA、PET和PVC 6種塑料成分。其中，方法一雖操作簡單但分離的微塑料種類最多，共8種，且能對纖維狀、密度低的RA進行高效提取。方法二分離出了7種微塑料成分，較其他2種方法在提取較高密度的塑料[如PVC和PET(1.33～1.38 g/cm3)]等方面表現(xiàn)出優(yōu)勢，但方法二準(zhǔn)確率最低，可能由于NaCl溶液對密度較高的微塑料顆粒提取效果一般較差。方法三分離出了7種微塑料，對PP、PE和RA 3種成分的微塑料提取效率最高，同時對PS的提取效果相較于其他2種方法好。

3.3 不同方法對微塑料形態(tài)的分離結(jié)果

根據(jù)已有研究，微塑料的形態(tài)學(xué)分類通常有片狀、纖維狀、薄膜狀、顆粒狀、小球狀、發(fā)泡狀等[30-31]。經(jīng)過對本研究中分離出的確認(rèn)為微塑料的樣品仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，采集到的樣品中未發(fā)現(xiàn)薄膜狀微塑料，未觀察到純粹為圓球形狀的微塑料，僅有部分顆粒狀接近球形但表面并不光滑的微塑料顆粒，因此本研究中不將“小球狀”單獨設(shè)為一類，并將接近小球狀的微塑料顆粒記為“顆粒狀”。研究中得到的微塑料樣品中未發(fā)現(xiàn)明顯“發(fā)泡類”微塑料顆粒，推測樣品本身無“發(fā)泡類”微塑料顆粒，或是由于其破碎為更小的粒狀而目檢分辨時無法明確判斷而被歸入顆粒類，或是由于發(fā)泡類塑料易被染色而在目檢分辨時不能明確將之分類，所以本次研究也不設(shè)置“發(fā)泡類”這一類型。綜合考慮，本研究設(shè)置顆粒狀、片狀、纖維狀3種微塑料形態(tài)類型。

3種方法分離后確認(rèn)為微塑料的總計101個樣品中纖維狀、片狀、顆粒狀微塑料分別占36%、54%、10%。每種方法分離出的確認(rèn)為塑料成分的樣品的形狀類型占比見圖 4。3種方法分離出的微塑料中片狀微塑料占比均最大，顆粒狀占比最小。對于纖維狀微塑料，發(fā)現(xiàn)其占比與RA、PA和PET 3種成分的總占比大致相同，這是由于它們大多為衣物、織物類紡織用纖維，絕大多數(shù)為纖維狀[16,32-33]。

進行組間比較時發(fā)現(xiàn)，方法一對分離纖維狀微塑料較另外2種方法占優(yōu)勢，方法二對分離顆粒狀微塑料較另外2種方法占優(yōu)勢。組內(nèi)比較，方法二分離出的片狀微塑料最多，這是由于塑料表面一般具有疏水性且與表面積呈正相關(guān)，片狀微塑料顆粒表面積更大，由疏水性產(chǎn)生的浮力更大，而方法二使用的動態(tài)上升液體流對提取表面積相對較大的顆粒更占優(yōu)勢。方法二對提取顆粒狀微塑料較另外2種方法占優(yōu)勢同樣是因為動態(tài)液體流無差別浮選對顆粒狀微塑料提取效率更高，但也因為這一特點造成了方法二誤檢率高的問題。方法三對片狀微塑料的提取率高于其他2組可能是由于在總量中占比高的PE、PP 2種成分的微塑料多以片狀存在，因此片狀微塑料占比高是樣品的真實反映。

圖4 不同方法對各種形態(tài)微塑料的分離結(jié)果Fig.4 Results of microplastics invarious shapes separated bydifferent methods

3.4 回收率實驗結(jié)果

3種方法回收率實驗結(jié)果見圖5，回收率實驗中的微塑料見圖6。結(jié)果表明，3種方法對PP的回收率均為100%。其中，方法三對PE、PA、PET的回收率高于其他2種方法，方法一對高密度的PET提取效率明顯低于其他2種方法，而方法二對分離密度較大的PVC較其他2種方法占優(yōu)勢，但對PA的分離效果差?？傮w來看，含相同豐度及組成成分的微塑料的樣品，方法三的分離效果最佳，這驗證了前面利用3種方法分離岷江沉積物中微塑料的實驗結(jié)果的正確性。

圖5 回收率實驗結(jié)果Fig.5 Results of recoveryrate experiment

圖6 回收率實驗中的微塑料Fig.6 Microplastics used in the recovery experiment

4 結(jié)論

a)相同特征的樣品，方法三較其他2種方法有優(yōu)勢，分離出的微塑料樣品數(shù)量最多，且準(zhǔn)確率最高。

b)方法一分離出的成分不同的微塑料種類最多，方法二對PP和PVC 2種成分的微塑料分離效率較高，方法三對PP、PE和RA 3種成分微塑料分離有優(yōu)勢。

c)3種方法分離出的微塑料的各種形狀占比均為片狀>纖維狀>顆粒狀，方法三的分離結(jié)果最好地還原了這一形狀占比結(jié)果。

d)回收率實驗結(jié)果表明，含相同豐度及組成成分的微塑料的沉積物樣品，方法三的分離效果最佳，驗證了利用3種方法分離岷江沉積物中微塑料的實驗結(jié)果的正確性。