导言:全球水系统中的微塑性危机

微塑料已成为现代水循环中最普遍的污染物之一,这些小于5毫米的塑料碎片源于更大的塑料碎片、工业块、合成纺织纤维和个人护理产品的降解,现在在海洋、河流、地下水、自来水甚至瓶装水中检测到这些塑料,水生生物的摄入导致生物累积,人类则面临通过饮用水和食物长期接触的潜在风险。常规水处理厂努力捕捉最小的微塑料颗粒,推动对先进氧化过程的寻找。其中 分解已成为消毒和微塑料补救的一种有希望的技术。

微塑料是什么,为什么它们是一个关注?

小学与中学

初级微塑料是小型的,化妆品或工业用碎屑中微小的,次级微塑料是大型塑料物品,如袋、瓶和渔网的风化和碎裂造成的,这两类塑料在环境中持续了几个世纪,吸食有毒化学品,并成为病原体的载体。

健康和生态风险

研究将微塑性接触氧化应激、炎症和海洋生物代谢干扰联系起来。 人类可能通过海鲜、饮用水甚至空气中的尘埃摄入颗粒。 尽管最终的健康数据仍在出现,但预防原则要求采用积极的清除技术。 有效的治疗必须针对纳米至毫米范围内的颗粒。

微塑料的常规水处理方法

标准的饮用水和废水处理列车包括凝固,浮流,沉积,沙过滤,以及微滤和超滤等膜过程,这些方法可以去除相当一部分较大的微塑性,但小于10微米的颗粒的去除效率下降,此外,化学添加剂和表面涂层也会阻碍去除. 臭氧分解通常不仅用于消毒,而且可以提高下游物理分离的性能.

理解臭氧是水处理技术

水中的臭氧化学

臭氧(O3)是一种由氧的冕气排放或紫外线辐照产生的高反应性分子,注入水时,它迅速分解成羟基( ⁇ OH),甚至更强的氧化剂,非选择性地攻击有机污染物和无机污染物,臭氧在水中的半衰期依pH值,温度和有机负荷不同,从几分钟到几个小时不等,这种瞬间性质可以确保不产生持久性化学残留物.

现有臭氧应用

臭氧在城市水处理中已经使用了一个多世纪,用于消毒、色和味控制以及清除药品和杀虫剂等微污染物。 臭氧还被用于工业废水处理、水产养殖和瓶装水生产。 它分解复杂有机分子的能力使它成为解决新兴污染物,包括微塑料的候选产品。

微塑料去除的臭氧机制

虽然臭氧不进行物理过滤,但它通过后续过程改进微塑性能,从而改进消除这些微塑性能。

  • 表面添加剂和粘合剂的氧化:[ 许多微塑性物质有有机涂层(表面活性剂,稳定剂,染料). 臭氧攻击这些层,改变表面电荷和疏水性.
  • 增强的浮和凝: 氧化微塑表面变得更适合与凝固剂(如铝或铁盐)结合,形成更大的,可调节的浮质.
  • 聚氨酯背骨的局部降解: 虽然臭氧并没有完全使聚乙烯或聚丙烯等顽抗聚合物矿化,但能切开表面链,降低分子重量,使颗粒更加脆,在以后的过滤过程中更容易断裂.
  • 破坏附着生物膜和毒素: 臭氧在微塑面上杀死微生物,并降解诸如双酚A(BPA)或邻苯二甲酸盐等吸附污染物,从而降低总体毒性.

微塑性补救的光化优势

臭氧分解可提供显著的好处,补充物理清除方法:

  • 无化学残留物: 臭氧分解为氧,与氯或高锰酸盐不同,避免了副产品的消毒.
  • 与现有处理列车的协同:[ 臭氧化可以改造砂滤波器或膜单元的上游,推动整体清除,而无需进行重大重新设计.
  • 广谱活动: 它同时消毒,去除颜色和气味,并降解痕量有机污染物.
  • 可扩展性:现场臭氧发电机可以处理从试点规模到大型市政工厂的流量.
  • 微塑毒性的减少: 即使粒子没有完全清除,通过分解危险添加剂,振荡降低其化学风险。

臭氧的局限性和挑战

尽管有希望,但分区化并不是消除微塑性的一个独立解决办法。

  • 不完整的矿物化: 光是臭氧无法完全降解散装聚乙烯或聚丙烯,往往会产生较小的碎片,可能通过过滤器。
  • 能源与成本密集度: 臭氧生产需要大量的电力;对于发展中区域或小型公用事业来说,成本可能令人望而却步。
  • 副产品配制: 水中溴氧化物产生溴酸盐,一种疑似致癌物,需要先进的控制或随后的过滤。
  • 程序优化要求: 功效取决于臭氧剂量、接触时间、pH值和粒子特性,不存在适用于所有微塑性类型的通用食谱。
  • 磁效应:[] 臭氧作用可能会使较大的颗粒受到腐蚀,如果不与有效的固体去除作用相结合,则会产生新的较小的微塑性.

将臭氧处理与其他治疗相结合,以达到最高效率

臭氧+凝固/填充(臭氧+多氟碳)

预测波能通过破坏稳定的微塑性能增强溶解空气浮流(DAF)和沙滤波的性能. 研究表明,在凝固之后的短暂臭氧接触时间可以比单凝固化使聚乙烯微球的清除率翻倍.

臭氧+过氧化氢(先进氧化工艺-AOP)

臭氧和过氧化氢的结合产生更高效的羟基,加速了有机添加剂的氧化,并部分降解聚合物表面. 这种AOP对逃避常规滤波器的纳米塑性碎片特别有效.

臭氧+膜生物反应器(MBR)

在废水处理中,MBR之前的缩写可以控制微塑性生物膜引起的膜污,同时降低吸附污染物的含量。 膜随后保留了最小的颗粒。

臭氧+光催化(紫外/二氧化二氮)

新兴的研究伴侣用紫外光和二氧化钛催化剂进行振荡,以产生更多的激进物种。 这种混合方法显示出在控制条件下某些微塑型完全矿化的前景。

目前的研究和个案研究

2021年,巴斯大学的研究人员证明,在进行排污后,沙过滤从合成废水中清除了95%以上的微塑料颗粒(10-500微米 ) 。 在水研究 中的一项2023年的研究发现,在2-5毫克/升剂量下进行的排污将试点的MBR工厂的聚酯纤维从70%提高到92%。 荷兰的试点试验将排污与快速沙滤波器相结合,处理高速公路径流中微塑料负载。

来自权威来源的外部参考证实了日益增长的兴趣:世界卫生组织审查微塑料清除技术,美国化学学会[发表关于微塑料先进氧化的研究,美国EPA和学术机构继续完善特定聚合物类型的分解参数。

未来方向和创新

光催化光解

臭氧与光催化剂在可见光下结合的目的是以较低的能源成本实现微塑料的近乎完全的降解,催化剂的发展重点是无毒的、富含地球的物质,如二聚苯乙烯蒸发剂。

等离子体半导体

非热等离子体技术可在水中直接产生臭氧和其他反应物种,减少质量转移限制,并促成分散处理的远程操作。

绿色氧化剂和工艺强化

水中产生臭氧(电解)可提供一种需求低的、背面的替代方法,与生物碳过滤相结合,可以为农村社区创造可持续、低成本的系统。

传感器控制适应臭氧

实时监测微塑性浓度(通过荧光或Raman光谱)可以使臭氧剂量和接触时间得到动态调整,在优化去除的同时尽量减少能量使用和副产品形成。

结论:臭氧消耗作为多障碍方法的一部分

光是臭氧作用并不能消除水中的所有微塑性,但是它能够改变粒子表面、增强浮流和降解相关化学品,使其成为现代处理火车的宝贵组成部分。 随着研究澄清了各种聚合物类型和尺寸的最佳条件,随着节能臭氧生成技术的成熟,臭氧作用很可能成为防止塑料污染的标准工具。 清洁水的未来取决于将多种障碍 — — 物理、化学和生物-和振荡连接在消毒和颗粒清除之间的关键差距。