飲用水中微塑料的檢測與去除方式解析

摘 要：水是人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵?，飲用水成分直接影響用水安全，這對其中微塑料的檢測與去除提出了較高要求。本文首先對微塑料進(jìn)行概述，其次分析飲用水中微塑料污染的來源、危害，探討飲用水中微塑料的檢測方法，包括光譜法、粒度分布測量儀法、熱分析法等，最后研究飲用水中微塑料的去除方式，包括濾膜處理、懸浮處理、加熱過濾等，以服務(wù)飲用水質(zhì)量管理活動，提升飲用水中微塑料的處理效率。

關(guān)鍵詞：飲用水；微塑料；熱分析法；濾膜過濾；光譜法

Analysis of Detection and Removal Methods for Microplastics in Drinking Water

YANG Jie， WANG Xuan， WANG Chang， MENG Jiangman， HU Yankun， FAN Yuanshuai

（CAIQTEST （Beijing） Co.， Ltd.， Beijing 102600， China）

Abstract： Water is a necessity in people’s daily life， and the composition of drinking water directly affects water safety， which poses high requirements for the detection and removal of microplastics. This article first briefly describes microplastics， analyzes the current situation and hazards of microplastic pollution in drinking water， explores detection methods for microplastics in drinking water， and discusses content such as spectroscopy， particle size distribution measurement instrument method， thermal analysis method， etc. Finally， the removal methods of microplastics in drinking water， including filter membrane treatment， suspension treatment， heating filtration， etc.， are studied to serve the quality management activities of drinking water and improve the treatment efficiency of microplastics in drinking water.

Keywords： drinking water; microplastics; thermal analysis method; membrane filtration; spectral method

飲用水是指可以不經(jīng)處理、直接供給人體飲用的水。水在人體內(nèi)具有多種功能，包括參與代謝、運(yùn)輸各類營養(yǎng)物質(zhì)等，因此加強(qiáng)管理、保證飲用水的質(zhì)量十分必要。目前，我國各地均按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022）組織飲用水管理工作，飲用水的質(zhì)量整體良好。值得注意的是，盡管各地飲用水滿足國家硬性標(biāo)準(zhǔn)、地方性規(guī)定，但仍可能存在一定的安全隱患，如微塑料問題。部分地區(qū)飲用水中含有微塑料顆粒，長期飲用危及人體健康，當(dāng)前普遍主張通過技術(shù)性手段檢測并去除飲用水中的微塑料[1]，因此分析具體檢測技術(shù)、去除方法等具有一定的積極價(jià)值。

1 微塑料概述

微塑料指粒徑小于5 mm的塑料顆粒，是造成污染的主要載體之一，部分微塑料尺寸極小，可達(dá)到微米、納米級，因此肉眼難以察覺，可能廣泛存在于空氣、水體及食物中。飲用水中的微塑料問題多年來持續(xù)得到關(guān)注，2024年1月，哥倫比亞大學(xué)一項(xiàng)研究顯示，美國市場上3個暢銷品牌塑料瓶裝水中，每升水中含有11萬～37萬顆塑料顆粒，其中10%是微塑料，其余90%是更小的納米級塑料。我國飲用水檢測也發(fā)現(xiàn)了類似問題，部分水體中微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的地區(qū)，人們每年通過飲用水?dāng)z入體內(nèi)的微塑料可能在1 g以上。也有研究表明，由于微塑料無法被人體消化，可能聚集在人體內(nèi)產(chǎn)生各類危害[2]。

2 飲用水中微塑料污染問題

2.1 飲用水中微塑料污染的來源

飲用水中微塑料污染的來源主要集中于3個方面。①生活中各類塑料制品形成的小顆粒，進(jìn)入飲用水水源地后形成污染。生產(chǎn)生活中，聚乙烯、聚苯乙烯等材料使用普遍，其中相當(dāng)一部分暴露在室外環(huán)境下，可能在風(fēng)力、光照、人為處理等因素的影響下形成小顆粒，部分塑料顆粒降解需要幾十年甚至數(shù)百年，降解前這些微塑料有可能進(jìn)入水源地形成污染。由于現(xiàn)有技術(shù)難以根本清除微塑料，其污染問題也難以有效禁絕。②清洗作業(yè)如因清洗工藝、用品的特殊性產(chǎn)生污染水源的各類微塑料。研究顯示，清洗作業(yè)使用的清潔劑顯著增加了水體中微塑料的含量。此外，一件成人外衣在機(jī)械清洗過程中，脫落的纖維可能超過1 900個，也可能進(jìn)入水源地形成微塑料污染[3]。③大氣活動、徑流水為微塑料在水體中的富集、進(jìn)入水體提供了渠道，加劇了飲用水中的微塑料污染問題。例如，地表各區(qū)域的微塑料可能受到降水因素影響，隨雨水進(jìn)入河道、水源地。

2.2 飲用水中微塑料污染的危害

飲用水中微塑料污染的危害多樣，可細(xì)分為消化系統(tǒng)威脅、有毒物質(zhì)危害、內(nèi)分泌系統(tǒng)危害、細(xì)胞損傷等。

微塑料大多無法被人體消化，在人體內(nèi)持續(xù)聚集，可能影響人體的消化系統(tǒng)功能，導(dǎo)致腸胃不適、腹瀉、慢性炎癥等，也有可能產(chǎn)生絞痛。部分微塑料在其分解、進(jìn)入飲用水水源地的過程中，可能攜帶其他有害物質(zhì)，進(jìn)入人體后有可能向其他組織、器官轉(zhuǎn)移，甚至危及淋巴系統(tǒng)，影響內(nèi)分泌。大量聚集的微塑料有可能增加肥胖癥、代謝系統(tǒng)疾病（如糖尿?。┑鹊陌l(fā)生率。也有部分學(xué)者認(rèn)為，微塑料可能導(dǎo)致慢性病變，這些慢性病變有可能進(jìn)一步導(dǎo)致癌變，當(dāng)前研究尚不能明確論證此推測，但微塑料的持續(xù)聚集可以誘發(fā)免疫系統(tǒng)反應(yīng)，出現(xiàn)神經(jīng)病變和細(xì)胞死亡率升高情況。此外，一些粒徑較大的微塑料可能進(jìn)入肺部，造成呼吸系統(tǒng)病變，包括纖維化、炎癥或肺部結(jié)節(jié)等[4]。

3 飲用水中微塑料的檢測方法

3.1 光譜法

用于飲用水中微塑料檢測的光譜法主要有拉曼光譜法、傅里葉變換紅外光譜法等。

以拉曼光譜法為例，該技術(shù)利用光子與介質(zhì)原子或分子之間發(fā)生非彈性碰撞得到的散射光譜，從而研究分子或物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，以評估目標(biāo)物（飲用水）的成分，包括其微塑料質(zhì)量分?jǐn)?shù)信息。該技術(shù)的一般流程較為固定，要求首先完成電路系統(tǒng)連接，之后置入待檢測樣本，利用激光電源提供作業(yè)支持。在上述工作中，對聚光、集光、樣品架、偏振等部件進(jìn)行配置和參數(shù)調(diào)整，確定其性能無異常。之后使光源與樣品接觸，對形成的光譜圖進(jìn)行收集、分析，形成分析結(jié)果。從原理上看，拉曼光譜法以粒徑極小的單色光源對水樣進(jìn)行照射，以純凈水為對照，觀察檢測樣品拉曼效應(yīng)出現(xiàn)的變化。受到水中不同成分含量的影響，檢測過程中拉曼效應(yīng)往往出現(xiàn)變化，譜線的長度直接受到試樣內(nèi)分子振動、轉(zhuǎn)動能級的影響，可以比較敏銳地完成微塑料的分析[5]。

3.2 熱分析法

熱分析法主要強(qiáng)調(diào)控制溫度參數(shù)，借以分析水樣的理化性質(zhì)、質(zhì)量以及純度情況，是一種應(yīng)用較廣泛的成分分析方法。

以差熱分析法為例，該方法主要通過分析水樣中不同物質(zhì)吸熱能力的差異，根據(jù)不同物質(zhì)比熱容不同的特點(diǎn)進(jìn)行成分鑒定，判斷水樣成分及其具體質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況。其基本操作流程強(qiáng)調(diào)規(guī)范性，要求在檢測前做好樣本采集，并避免混入其他成分，所有操作設(shè)備均需提前測試校正，確定可用于差熱分析。之后建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在控制熱參數(shù)的過程中進(jìn)行觀測[6]。一般需要設(shè)計(jì)2組實(shí)驗(yàn)，一組為樣本實(shí)驗(yàn)，另一組為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)可選取已知質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微塑料或其他參照物，使用相同的熱環(huán)境參數(shù)，將電流接入實(shí)驗(yàn)樣本內(nèi)，并對微小的熱能變化進(jìn)行放大化處理，由于微塑料與水的比熱容不同，在放大后這一差異更趨明顯，可敏銳反映電熱補(bǔ)償?shù)臒峁β什?，用于分析樣本中微塑料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況。熱分析法可與信息技術(shù)、可視化技術(shù)聯(lián)用，通過一體化設(shè)備呈現(xiàn)差熱曲線，完成水成分快速檢測[7]。

3.3 粒度分布測量法

粒度分布測量法是利用一體化設(shè)備分析飲用水中不同物質(zhì)的粒度分布情況，根據(jù)分布差異進(jìn)行微塑料檢測的技術(shù)方法，可以細(xì)分為激光法、篩分法、電阻法等。不同粒度分布測量方法的技術(shù)原理不同，適用性也存在一定差別。

以激光法為例，該方法利用激光設(shè)備進(jìn)行樣本檢測，通過對激光參數(shù)進(jìn)行控制，利用照射后后焦平面的成像情況進(jìn)行粒度分析。飲用水中含有的微塑料顆粒會影響激光照射后的成像情況，可以根據(jù)其與純水照射后的差異進(jìn)行粒度分布情況的評估，完成微塑料顆粒檢測。該方法也需要做好基本準(zhǔn)備工作，將水樣放置在待檢測區(qū)域，之后利用激光器進(jìn)行照射，要求激光器能夠穩(wěn)定形成平行光，激光器、水樣和富氏透鏡保持平行，照射過程中同步收集后焦平面的成像信息，以信息技術(shù)設(shè)定圖像采集參數(shù)間隔，并直接保存在設(shè)備內(nèi)，再根據(jù)圖像特點(diǎn)進(jìn)行水樣中微塑料粒度分布情況分析。從原理上看，當(dāng)水樣中含有較多微塑料顆粒時(shí)，激光照射后的散射情況往往較明顯，顆粒的數(shù)目和粒徑，影響散光與軸之間的角度參數(shù)，并形成不同半徑的光環(huán)，光環(huán)組成明暗交替的光斑，即Airy斑，可直接通過接收設(shè)備形成完整的成像圖，進(jìn)行水樣中微塑料的粒度分析。

3.4 其他方法

其他可用于飲用水中微塑料檢測的方法包括智能檢測、沉降法檢測及大顆粒的目測分析等。其中，智能檢測是目前較為常見的一種技術(shù)方法，該方法主要利用一體化智能檢測設(shè)備、計(jì)算機(jī)等，利用光譜法、熱分析法原理，形成默認(rèn)工作程序，記錄關(guān)鍵的分析參數(shù)。在檢測過程中，利用一體化智能檢測設(shè)備的傳感結(jié)構(gòu)直接接觸水樣，或進(jìn)行非接觸式照射，借助傳感器采集水樣的基礎(chǔ)信息，利用內(nèi)置程序進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的采集和實(shí)時(shí)分析，直接給出飲用水中微塑料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)情況。智能檢測的效率較高，但可能存在精度不足的問題，尤其是水樣內(nèi)微塑料顆粒過多或過少時(shí)，可能無法獲取精準(zhǔn)的檢測結(jié)果[8]。

4 飲用水中微塑料的去除方式

4.1 濾膜過濾

濾膜過濾是目前較有效的微塑料處理技術(shù)，具有原理明確、作業(yè)方式簡單、適用性廣泛的優(yōu)勢，可以有效改善飲用水的品質(zhì)。一般集中建設(shè)若干處理池，利用動力設(shè)備使待處理的飲用水在池內(nèi)流動，流動過程中利用濾膜清除微塑料顆粒。該技術(shù)的工作簡圖如圖1所示。

按照圖1所示模式，首先將待處理的飲用水注入水池中，并以動力設(shè)備推動其通過濾膜，濾膜可采用微米級，其過濾孔直徑以10～100 μm為宜，水流參數(shù)不易過快，避免損傷濾膜，保持其流速在0.1～0.2 m3·min-1，經(jīng)過初步過濾的飲用水進(jìn)入另一處水池，該水池依然利用動力設(shè)備保持水的流動性，以相同工藝進(jìn)行飲用水的二次過濾，以確保微塑料的濾除效果，最后將過濾后較純凈的飲用水提供給用戶。

4.2 懸浮處理

懸浮處理可以用于凈化微塑料粒徑較大的飲用水，其主要利用氣泡上浮過程中空氣表面張力較大的特點(diǎn)，使飲用水中的微塑料顆粒吸附于氣泡外圍，在氣泡上浮的過程中，微塑料顆粒被攜帶至水面，由于大多數(shù)微塑料的密度小于水，其到達(dá)水體表面后多不會下沉，集中對水體表面進(jìn)行處理，可以去除飲用水中的微塑料顆粒，降低其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。利用懸浮處理法的過程中，可以建設(shè)規(guī)模較大的蓄水池，將待處理的飲用水注入水池中，在水池底部放置小型設(shè)施，待水池注水完成且水面平靜后，啟動設(shè)施制造氣泡，要求氣泡的直徑維持在1 mm或更小水平，并保證制造總量較大，不斷通過氣泡將微塑料顆粒裹挾到水面，以提升飲用水的凈化效果。

4.3 加熱后過濾

研究表明，加熱后過濾可以顯著降低飲用水中的微塑料顆粒總量，該方法的原理與懸浮處理法相同，在加熱飲用水的過程中，在熱量作用下水體不斷產(chǎn)生氣泡，可以將微塑料顆粒裹挾至水面，之后對水面進(jìn)行過濾即可[9]。同時(shí)，加熱過程中水分子的活躍性提升，有助于打破微塑料顆粒與水分子之間的弱相互作用力，使其分離難度降低，更易被裹挾至水面或容器邊緣，黏附于容器壁處，無須進(jìn)行額外處理即可減少飲用水中80%～90%的微塑料顆粒。加熱處理的方式也適用于居民用水、飲水的過程中，適用性較高。

5 結(jié)語

飲用水中的微塑料對人體具有一定危害，需要通過檢測了解其質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平，再以技術(shù)性方式進(jìn)行處理。當(dāng)前可以用于飲用水中微塑料檢測的方法包括光譜法、熱分析法、粒度分布測量法等，不同方法的技術(shù)原理不同，需要根據(jù)實(shí)際情況具體選擇。為去除飲用水中的微塑料，可采用濾膜過濾、懸浮處理等方式，如果處理范圍較大，應(yīng)做好處理系統(tǒng)的集中建設(shè)，并以嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)提高微塑料的處理效率，以保證飲用水質(zhì)量和用水安全。

參考文獻(xiàn)

[1]申海婭，孫文喜，李新娟，等.銀納米樹突/石墨烯/銅箔增強(qiáng)拉曼基底用于飲用水中微塑料檢測[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào)，2024，40（2）：37-42.

[2]高帥，張悅，張旭柳，等.自來水中微塑料的分布、危害及去除研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工，2024，44（4）：66-69.

[3]周冠宇，李鑫，吳其棟，等.飲用水處理廠對微塑料去除效能與機(jī)制研究進(jìn)展[J/OL].環(huán)境科學(xué)，1-14[2024-04-20].https：//doi.org/10.13227/j.hjkx.202401192.

[4]崔勝東，李永增，彭偉金，等.飲用水中的微塑料及其拉曼光譜檢測技術(shù)研究進(jìn)展[J].激光生物學(xué)報(bào)，2024，33（1）：14-23.

[5]楊昊明，吳凱.城市水環(huán)境中微塑料污染及其影響因素的研究進(jìn)展[J].四川環(huán)境，2023，42（2）：322-331.

[6]樊許娜，陳永艷，邢方瀟，等.顯微拉曼光譜法和顯微紅外光譜法檢測飲用水中微塑料的初步比較研究[J].環(huán)境衛(wèi)生學(xué)雜志，2023，13（1）：54-59.

[7]蒙岱均，王超鵬，魏鑫馨，等.飲用水中微塑料的檢測與去除技術(shù)研究進(jìn)展[J].凈水技術(shù)，2022，41（8）：8-15.

[8]肖宇，李永麗，俞洪寶，等.顯微拉曼光譜技術(shù)檢測飲用水中微塑料類污染物的研究[J].中國口岸科學(xué)技術(shù)，2021，3（12）：63-67.

[9]柴然，張秀芹，徐春生，等.青島市生活飲用水中微塑料分布特征[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2021，59（12）：58-62.