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技術(shù)文章

掃描電鏡在塑料回收處理中的應(yīng)用

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塑料污染已成為全球性環(huán)境問題,而塑料在環(huán)境中的降解會(huì)產(chǎn)生微塑料和納米塑料。納米塑料(NPs,尺寸小于100納米)因其更小的尺寸、更高的表面能和更強(qiáng)的反應(yīng)性,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成潛在威脅。廢水處理廠作為塑料廢棄物的主要匯集點(diǎn),在攔截和處理納米塑料方面發(fā)揮了重要作用。





納米塑料的來源

Part1

掃描電鏡在塑料回收處理中的應(yīng)用

圖1 污水處理廠處理污水過程示意圖

在自然環(huán)境或廢水系統(tǒng)中,塑料廢棄物通過紫外線輻射、機(jī)械磨損和微生物降解分解為較小顆粒,最終形成納米塑料。常見來源包括塑料袋、包裝材料、化妝品(如磨砂膏)和紡織品釋放的纖維。

廢水處理廠的收集過程:化妝品、清潔劑和合成紡織品在洗滌過程中釋放納米塑料;制造業(yè)排放的塑料顆粒和微粒;帶入環(huán)境中已存在的微塑料顆粒。

在污水處理過程中,由于機(jī)械攪拌、剪切力以及化學(xué)處理(如氧化劑和消毒劑),大顆粒微塑料進(jìn)一步破碎形成納米塑料;生物處理(如活性污泥)可能釋放酶促反應(yīng),加速微塑料降解為更小的顆粒。





納米塑料的危害

Part2

納米塑料粒徑小,易通過廢水處理排放到地表水、地下水和海洋中,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成持續(xù)威脅;納米塑料表面高比表面積和親脂性使其能吸附重金屬、持久性有機(jī)污染物(POPs)等毒性物質(zhì),形成二次污染;納米塑料可被浮游生物、魚類等誤食,進(jìn)入食物鏈,干擾生物的生理和代謝功能。

納米塑料通過皮膚、呼吸道和消化道進(jìn)入人體后,可引發(fā)炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激和免疫失調(diào);某些研究表明,納米塑料可能通過細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞核,影響DNA復(fù)制,誘導(dǎo)基因突變;納米塑料具有生物累積性,可能引發(fā)慢性病。

納米塑料可能干擾污泥消化過程,降低厭氧消化效率;高濃度納米塑料會(huì)造成膜污染,增加處理成本和維護(hù)難度。





掃描電鏡分析納米塑料產(chǎn)生機(jī)制

Part3

irajum Monira等人模擬了污水處理廠處理大小為250微米和106微米的聚乙烯(PE)和聚苯乙烯(PS)微塑料的碎片機(jī)制。研究表明,水下剪切力范圍為32至100千焦/升的風(fēng)化PS和PE顆粒進(jìn)一步解體為納米大小的顆粒。同時(shí)利用SEM(FEI Quanta 200)進(jìn)行表征。

掃描電鏡在塑料回收處理中的應(yīng)用

圖2  PE和PS塑料顆粒的SEM圖像(平均尺寸250微米)

(a)塑料表面形成小顆粒(b)由于塑料表面的機(jī)械應(yīng)力可見裂縫

(c)粗糙和損壞的表面(d)碎片過程后在塑料表面形成孔隙和空心




SEM分析揭示了PS和PE碎片化后顆粒的形態(tài)變化(例如表面、大小和形狀)。顆粒表現(xiàn)出粗糙、被損壞、多孔、不規(guī)則形狀、微裂紋和邊緣斷裂。值得注意的是,雖然這些特征可以增強(qiáng)抗生素和有毒污染物的吸附,但由于去除效率低下,導(dǎo)致它們通過污水處理廠在水環(huán)境中的傳播。

在SEM圖中,觀察到細(xì)小的塑料顆粒從裂縫以及損壞和粗糙的表面中脫落,為微顆粒和納米顆粒在廢水處理過程中的形成和釋放提供了證據(jù)。這些裂縫是由機(jī)械斷裂引起的,這種過程原子鍵或分子鍵的分離增加了材料的脆性,促進(jìn)了進(jìn)一步分解成更小的顆粒,包括NPs。在這種情況下,驅(qū)動(dòng)MP碎片形成的主要機(jī)制是機(jī)械誘導(dǎo)的水剪力,這些力在各種污水處理過程中有效,如篩選、去除砂、沉積、混合、泵送和起泡。





賽默飛Apreo 2分析塑料樣品優(yōu)勢(shì)

Part4

對(duì)于塑料或是其他非導(dǎo)電材料來說,使用高電壓拍攝往往會(huì)導(dǎo)致樣品荷電或產(chǎn)生電子束損傷,干擾拍攝,因此低電壓分辨率成為拍攝該類材料重要的參考指標(biāo)。賽默飛超高分辨場發(fā)射掃描電鏡Apreo 2在1KV下?lián)碛行∮?nm的分辨率,兼具高質(zhì)量成像和多功能分析性能于一體,采用雙引擎技術(shù),超低電壓下可直接分析不導(dǎo)電樣品,尤其適用于PP、PE和PS等高分子塑料類樣品,并且無需做噴鍍處理,不會(huì)對(duì)樣品造成任何損傷。

如下圖所示,在500V低電壓下,直接將截面的PE塑料置于Apreo 2電鏡中,不會(huì)產(chǎn)生任何荷電和損傷,同時(shí)只需移動(dòng)幾次鼠標(biāo),就可完成必要的合軸對(duì)中、消像散和圖像聚焦校正,即使電鏡初學(xué)者也能充分發(fā)揮Apreo 2的最佳性能。通過電鏡結(jié)果,可以輕松觀察10W倍下PE截面顆粒大小及其分布。

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圖3 PE截面100倍形貌圖

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圖4:PE截面10W形貌圖





參考資料:

[1] Microplastic fragmentation into nanoplastics by water shear forces during wastewater treatment: mechanical insights and theoretical analysis




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