1.杭州电子科技大学材料与环境工程学院;
2.佛山科学技术学院环境与化学工程学院;
3.美国麻省大学阿默斯特分校自然资源与环境学院;
4.中国科学院城市环境研究所
5.浙江工业大学环境学院
纺织品洗涤过程中脱落的微塑料纤维(MPF)是水环境中微塑料的重要来源之一。目前国内外开展了大量关于纺织品在洗衣机洗涤过程中MPF释放特征的研究。然而,传统的手洗方式在世界上的许多地区仍然非常普遍。到目前为止,人们对传统手洗纺织品条件下MPF的释放特征及其影响机制仍然缺乏了解。近日,杭州电子科技大学、佛山科学技术学院、美国麻省大学阿默斯特分校、中国科学院城市环境研究所以及浙江工业大学的科研人员一起合作,对比研究了传统手洗和机洗纺织品过程中MPF的释放特征及其影响机制。相关研究成果以“Microplastic Fiber Release by Laundry: A Comparative Study of Hand-Washing and Machine-Washing”为题在环境领域国际期刊ACS ES&T Water上发表(2023年1月4日)。
实验结果表明:手洗后MPF的平均纤维长度(258 μm)比机洗后的更长(155 μm);手洗和机洗中释放的MPF平均数量分别为1853和23723 颗/件(15cm×15cm 100% polyester fabric),相应MPF的平均质量分别为37.84和222.84 mg/kg。此外,随着洗涤次数的增加,MPF的数量和质量开始下降,之后逐渐趋于稳定。在影响机制方面,我们发现温度、洗涤剂类型、洗涤时间和用水体积(仅在手洗试验中开展)对MPF的释放没有显著影响,而洗涤剂的浓度(< 1.5g/L)、洗涤之前的纺织品浸泡时间(< 2 h)以及搓衣板的使用(仅在手洗试验中开展)显著影响MPF的释放。
研究背景
微塑料一般是指尺寸小于5mm、具有不同形状的非均质塑料的混合物,易于吸附有毒污染物。它们可在环境中保留数十年甚至数百年,是当前全球环境领域研究的焦点之一。目前人们在环境各介质、食品、饮用水和人体中均发现了微塑料。一般而言,微塑料主要来源于人工合成纺织品的洗涤、人工合成橡胶轮胎的路面磨损以及大型塑料垃圾的风化等等。其中,微塑料纤维洗涤合成纺织品产生的MPF是微塑料的主要来源之一,据相关机构估算其约占全球排放到海洋中微塑料总量的35%。近年来,越来越多的研究人员开展了纺织品在洗衣机洗涤过程中MPF释放特征的研究,并通过测试洗涤过程中的各种控制因素揭示了其释放机制。大多数研究表明,MPF的释放量随着洗涤次数的增加而减少,但有时会在第四次和第五次洗涤次数之间达到峰值;也有研究表明,随着洗涤次数的增加,MPF的释放量保持相对稳定。此外,添加洗涤剂会显著增加MPF的释放量,但有一些研究表明洗涤剂对MPF的释放没有显著影响。Kelly等人(2019)发现,增加水量可显著增加MPF的释放量。此外,相关研究还对温度、洗涤时间和机械应力等因素进行了测试,结果显示这些因素对MPF的释放均没有显著影响。
当前的相关研究主要集中在洗衣机洗涤纺织品过程中MPF释放特征的研究,而关于手洗纺织品释放微塑料纤维的报道相对缺乏。最近的一项研究表明,机洗条件下的MPF释放量远高于手洗条件下MPF的释放量;然而,手洗洗涤过程中各种因素对纺织品释放MPF的影响尚没有得到充分了解。目前,手洗纺织品方式在世界上许多发展中国家(例如印度、中国等)仍然非常普遍,因此,开展对传统手洗过程中MPF的释放特征及其影响机制的研究显得较为迫切。此外,目前国内外对纺织品洗涤过程中释放MPF总量的估算主要是基于机洗数据,因此在估算精度方面可能存在较大的不确定性。再者,当前也迫切需要提出更加“绿色”的纺织品洗涤方案,其主要目的在于减少MPF的排放量,从而缓解当前环境中微塑料不断增加的趋势。
材料与方法
本研究旨在量化手洗过程中MPF的释放量,同时,测试洗涤过程中各种因素对MPF释放量的影响,这些因素包括洗涤剂、温度、水体积、浸泡时间、洗涤时间、洗涤周期和搓衣板的使用。此外,进一步比较机洗和手洗条件下MPF的释放差异。本研究选择了两种合成纤维织物(100%涤纶和95%涤纶-5%氨纶)作为实验材料。本研究将试验过程分为以下五个步骤(图1):试验样品制备、控制条件下的织物洗涤、利用0.45 μm孔径的滤膜(直径50 mm)过滤样品、利用高像素相机对滤膜进行成像、用ImageJ(版本1.8.0.112;可自动计数纤维数量和测量纤维长度)进行软件分析。
(1)试验样品制备:
在所有测试中,都分别使用黑色100%涤纶织物和95%涤纶-5%氨纶织物进行模拟洗涤试验。试验材料的纤维直径和密度分别为10 μm和1.33 g/cm3。纱线由长丝组成。使用激光切割机(Golden Laser,JMCCJG-160300 LD)将所有织物样本切割成15 cm × 15 cm的样本来密封边缘,以避免试验过程中MPF从织物边缘释放,从而影响试验结果。此外,所有试验样品在开展洗涤试验之前需用去离子水漂洗所有织物5分钟。
(2)手洗试验:
常规对照试验:在含有1 L去离子水和1.5 g洗涤剂的5 L不锈钢盆中进行手洗试验,使用恒温器将水温控制在25 ± 2 ℃。然后,使用搓衣板擦洗纺织品18次/分钟,持续5分钟。然后用手拧干纺织品,直到没有水滴滴落,然后冲洗,直到纺织品不产生泡沫为止。洗完后的搓衣板也用漂洗水洗涤,然后合并所有洗涤废水。上述过程是一个完整的洗涤过程,每个洗涤试验重复三次。在洗涤试验期间,织物样品被悬挂在保护盒内的线上过夜以完全风干,然后单独储存在透明白色塑料袋中。
控制因素试验:在上述常规试验的基础上,我们对洗涤过程中的潜在影响因素进行了测试试验,这些因素包括纺织品针织类型(100% 涤纶或 95%涤纶/5% 氨纶)、洗涤剂类型(粉末或液体)、洗涤剂用量(0、1.5 或 6 g·L-1)、水温(25、40 或 60℃)、水量(0.5、1 或 2 L)、洗涤时间(5、10 或 24 分钟)、浸泡时间(5、20、120 或 360 分钟)、洗衣板(使用或不使用)和洗涤周期数(1、2、4、6、8 或 10),以确定手洗纺织品过程中MPF释放的主控因素。
(3)机洗实验:
为了与洗手试验结果进行比较,本研究加入了机洗试验,利用1.0 kg顶开式洗衣机进行洗涤试验。在每个洗涤循环中,将一片织物样品浸泡在含有洗涤剂的去离子水中20分钟。之后,在“快速洗涤”模式下进行洗涤5分钟,然后再用去离子水漂洗两次。上述过程是一个完整的洗涤循环,每个洗涤实验重复三次。此外,机洗试验中也加入了控制因素测试试验,这些因素包括针织类型(100%涤纶或 95%涤纶/5% 氨纶)、洗涤剂类型(粉末或液体)、洗涤剂用量(0、1.5 或 6 g·L-1)、水温(25、40 或 60℃)、洗涤时间(5、10 或 24 分钟)、浸泡时间(5、20、120 或 360 分钟)和洗涤周期数(1、2、4、6 , 8, 或 10)。
小结
(1)手洗的 MPF 的平均纤维长度通常比机洗的更长(图2);从重复洗涤次数中的 MPF 释放来看,在前六个洗涤周期(100% 涤纶纺织品)或前四个洗涤次数(95%涤纶- 5%氨纶混纺织物)中观察到的手洗试验中MPF的平均长度呈现递减趋势,但之后又出现回升。在机洗条件下,随着洗涤次数的增加,纺织品释放的MPF平均长度呈现小幅度波动。
(2)手洗过程中释放的MPF的平均重量和数量显著小于机洗过程中释放的MPF(图3);从不同洗涤周期的 MPF释放量来看,手洗和机洗过程中释放的MPF的重量和数量先下降,然后趋于稳定,但总体上机洗过程中的变动幅度较大。
(3)洗涤水温度、洗涤剂类型、洗涤时间以及用水体积(仅在手洗试验中开展)对洗涤过程中MPF的释放没有显著影响,而洗涤剂的浓度(< 1.5g/L)、洗涤之前的纺织品浸泡时间(< 2 h)以及搓衣板的使用(仅在手洗试验中开展)显著影响MPF的释放(图4)。
重要意义
通过本项研究表明,不同的洗涤方式(手洗和机洗)会产生不同大小和形态的MPF,这可能会影响它们在水生环境中的生态效应。本次研究的结果不仅有助于人们在洗涤纺织品时采用更加“绿色”的洗涤方案,更有助于在未来开展纺织品洗涤过程中MPF释放的定量化研究时提供基础数据。
此外,本研究的主要作者前期已在Journal of Hazardous Materials发表了题为“Environmental source, fate, and toxicity of microplastics”的综述论文,本研究是在前期对环境微塑料相关研究内容总结基础上开展的一项基础性探索工作。
致谢:本研究获得国家自然科学基金(41801066,41977017)和浙江省自然科学基金(LY23D010004)等项目的资助。
综述链接:
https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124357
原文链接:
ACS EST Water 2023.
https://doi.org/10.1021/acsestwater.2c00462
投稿:杭州电子科技大学王春辉。投稿、合作、转载、进群,请添加小编微信Environmentor2020!环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号,拥有13W+活跃读者。由于微信修改了推送规则,请大家将环境人Environmentor加为星标,或每次看完后点击页面下端的“在看”,这样可以第一时间收到我们每日的推文!环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个,欢迎大家加小编微信Environmentor2020,我们会尽快拉您进入对应的群。
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