一种新型磁性材料可快速去除水环境中的微纳塑料

 

从河流到湖泊，从大江到海洋，有着“白色污染”之称的塑料垃圾对人们的生活环境造成了严重的污染，而微纳尺度的塑料作为一种新兴的污染物更是对环境和人体健康具有潜在的危险性。

面对这些潜在威胁，开发出高效去除水环境中微纳塑料的技术迫在眉睫。广西科学院生态环境研究所环境新型污染物综合治理与生态修复创新团队李婉赫研究实习员、黄慨研究员、王俊教授等开发了一种新型磁性材料，可对水环境中的微纳塑料进行快速去除，该项研究成果近日发表在国际期刊《整体环境科学》上。

“团队开发的这种新型磁性材料主要针对安全饮水领域，尤其是纳米级塑料颗粒的处理。”黄慨说。

新型磁性材料具有亲水和疏水特性

作为一种人造材料，塑料被广泛应用于国民经济各个行业，在工业、农业、交通运输等多个领域发挥着不可替代的作用，但也带来了严重的环境问题。

“微纳塑料在水生环境中广泛分布已是不争的事实，它会对人类健康构成潜在威胁。”黄慨表示，由于微纳塑料体积小，很容易被水生生物吸收，最终进入食物链而对终端消费者人类产生危害。同时微塑料在水中还会从周围环境中吸附其他有毒污染物（比如重金属和永久性有毒物质），这会造成微纳塑料的毒性成几何倍数放大。

因此，如何解决水环境微塑料的污染问题，探索有效去除水中微塑料的策略势在必行。

“塑料颗粒纳米化后，其在水体中的分散作用更强，疏水性变弱，常规的吸附材料难以在水体中有效地吸附纳米级塑料颗粒。”黄慨说。

为此，团队设计并研制了一种具亲水和疏水特性的双亲性吸附材料，该材料既能在水体自由分散又能寻找并吸附塑料微粒，从而实现高效去除和实现生态环境修复的目标。

李婉赫介绍，双亲性磁性材料是一种具有化学不对称性的磁性粒子，其表面具有两种或两种以上性质相反的化合物。这种不对称赋予了粒子独特的特性，使材料表面同时具备亲水/疏水、极性/非极性等特点。

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双亲性磁性janus粒子结构示意图，表明它具有两种亲水疏水基团结构。受访者供图

“团队开发的这种新型双亲性磁性材料，以磁性微球为原料，通过皮克林乳液定向控制和磷酸基高分子定向表面修饰，得到的一种单侧花状结构的双亲性磁性粒子。这种粒子具有适宜的电动电势（Zeta电位）和接触角，亲水侧有利于在水环境中充分分散与其他粒子接触，疏水侧则表现出较强的吸附带负电荷塑料粒子的能力。在磁场中，这种双亲性磁性粒子能够实现快速分离，从而完成对水环境中微米级/纳米级塑料微粒的富集与分离。”李婉赫说。

未来能广泛应用于水环境中的吸附治理

与其他吸附材料相比，此次合成的这种新型磁性材料用于吸附微纳塑料有何优势？

“这种新型磁性材料的优势在于对低浓度高度纳米化的微纳塑料具有更显著的吸附能力，亲水侧有利于充分分散接触，疏水侧有利于吸附目标物，在磁场作用下能快速聚集分离。目前从吸附动力学和热力学研究上看，它吸附聚苯乙烯（PS）微粒的吸附速率为每分钟0.759，吸附容量达到每克能吸附2.72克聚苯乙烯微粒，而它吸附聚乙烯（PE）微粒的吸附速率为每分钟0.539，吸附容量达到每克吸附2.42克聚乙烯微粒，这些吸附能力数据比非双亲性吸附材料都要高，因此它在处理聚苯乙烯和聚乙烯两种微纳塑料方面具有更强的竞争优势。”李婉赫说。

作为该团队的最新研究成果，该新型双亲性磁性材料在许多领域具有实用价值。

“我们开发的新型双亲性磁性材料，不仅可以应用于水环境中微纳塑料颗粒的吸附治理，未来也能应用于水环境中抗生素和其他永久性有机污染物的吸附治理，团队正逐步对相关应用领域开展研究工作。”黄慨说。

该团队经过研究还发现，此次研究开发的新型吸附材料，对聚苯乙烯和聚乙烯两类带负电荷塑料微粒表现出强的吸附效果，而对于其他带正电荷塑料微粒的吸附效果不明显，比如吸附带正电荷（MR）的能力就很弱。

“相关的甄别研究工作是下一步研究的重点。”黄慨表示，未来，团队将会设计强化亲水侧作用的吸附材料，同时完善材料甄别更多目标物的吸附能力，掌握更丰富的吸附数据，构建各类型塑料微粒的吸附数据库。同时团队与自来水厂合作开展集成设计去除塑料微粒的装置模块，为今后大规模工程化应用研究提供基础数据。