聚乙烯微塑料对水和海水热性质的影响：一种新型的微塑料和纳米塑料检测方法

《Journal of Water Process Engineering》：Influence of polyethylene microplastics on thermal properties of water and seawater: A novel detection method for microplastics and nanoplastics

微塑料和纳米塑料对水环境热导率的影响及检测方法研究。通过添加不同浓度聚乙烯微塑料于水和人工海水，测定其热导率变化，结合DSC分析热分解特性，SEM观察颗粒形貌变化。结果显示温度高于40℃时，微塑料碎片化导致热导率先降后升，布朗运动起主要增导作用。提出热导率分析作为新型低成本检测方法。

　　

作者：Varadharaja Kirthika、Chanaka Galpaya、Ashan Induranga、Hasintha Wijesekara、Kaveenga Koswattage

斯里兰卡萨巴拉加穆瓦大学研究生院，Belihuloya，70140，斯里兰卡

摘要

近年来，水体中微塑料和纳米塑料的积累量不断增加。为了降低风险，需要检测并清除水环境中的这些塑料。目前主要使用传统的检测方法来识别微塑料和纳米塑料，但这些方法存在一定的局限性和挑战。热导率分析是一种新型且低成本的技术，可用于识别水环境中的微塑料和纳米塑料。本研究探讨了聚乙烯（PE）微塑料对水和人工海水的热性能的影响。实验测量了不同浓度（40、80、120和160 mg/L）的PE微塑料添加水及人工海水中的热导率，并通过差示扫描量热法（DSC）分析了PE微塑料的热分解过程。扫描电子显微镜（SEM）用于观察热导率测量过程中PE微塑料的粒径和表面变化。结果显示：在40°C以下，水的热导率降低；而在40°C以上，热导率反而升高。SEM分析证实，PE微塑料在40°C以上发生破碎。DSC分析在41°C和58°C处分别观察到吸热和放热峰。由于40°C以上PE微塑料的破碎，它们可能参与布朗运动，从而增加水的热导率。因此，热导率分析可作为检测微塑料和纳米塑料的新方法，尤其是因为微塑料具有隔热特性，而纳米塑料则通过布朗运动影响热导率。

引言

由于人类的大量使用，塑料在环境中不断积累。这些塑料垃圾容易受到物理、化学和微生物作用的影响，不断分解成微塑料和纳米塑料[1][2]。通常认为，微塑料的尺寸小于5毫米[3][4][5]，而纳米塑料的尺寸小于1000纳米[6][7][8]。微塑料和纳米塑料存在于陆地、水体和大气等多种环境中[9]。在水体中，微塑料和纳米塑料的积累尤为严重。它们通过食物链对生物体构成潜在威胁，会传递多环芳烃（PAHs）和多氯联苯（PCBs）等有害物质，这些物质已被证实是微塑料的载体[10]，并破坏生态过程[11]。微塑料和纳米塑料会产生多种不良影响，包括对人体健康的危害[12]、阻塞小型脊椎动物的肠道[6]、对水生生物造成氧化损伤和内分泌紊乱[13]、缩短小型生物（如浮游动物）的寿命和繁殖能力[14]，以及干扰水生环境中的捕食行为[15]。因此，必须检测并清除水环境中的微塑料和纳米塑料。

目前有多种传统方法用于检测水环境中的微塑料和纳米塑料，包括视觉检测方法和热分析方法（如热解-气相色谱-质谱法[Pyr-GC–MS][16]、热萃取-脱附-气相色谱-质谱法[TED-GC–MS][17]、差示扫描量热法[DSC][18][19]）、光谱分析方法（如拉曼光谱[20]、傅里叶变换红外光谱[FTIR][21]），以及电化学检测方法（如电阻脉冲传感器[23]、阻抗光谱[24]和单微粒电极[25]）。尽管大多数检测方法速度快、准确度高且常规使用，但每种方法都有其优缺点。此外，目前尚缺乏同时检测水环境中微塑料和纳米塑料的方法。热导率测量法常用于陆地环境中的微塑料检测[26]。因此，热导率分析有可能成为检测水环境中微塑料和纳米塑料的新方法。此外，人工智能辅助的比色传感器阵列在复杂样品中实现了高效的视觉检测；而热导率分析同样具有创新性，且操作简单，是一种能同时检测微塑料和纳米塑料的聚合物特异性方法[27][28]。由于存在高灵敏度的近红外（NIR）比率荧光探针可用于检测次氯酸（一种现代水环境检测技术），尽管其设备复杂且成本较高，但热导率分析提供了一种简单、低成本的水样检测方法[29]。同样，气相色谱-质谱法（GC–MS）结合顶空固相微萃取（HS-SPME）预处理技术可用于检测饮用水中的微量异味化合物[30]，但该技术需要昂贵设备且操作复杂，而热导率检测方法设备简单、成本低，适用于广泛的水体微塑料和纳米塑料筛查。

热导率是指流体传导热量的能力[31]。在流体力学中，颗粒的均匀分散能改善流体的热性能。含有微米/纳米级颗粒的悬浮液稳定性较差[32]。少量纳米级颗粒的加入可以显著提高流体的热导率[33]。这类流体（称为纳米流体）在多种应用中作为冷却剂时，能提升基液的热传递能力[34]。这种现象可通过多种机制解释，包括布朗运动、纳米颗粒聚集和热层化[31]。纳米颗粒的相对表面积较大，可显著增强热传递能力并提高悬浮液的稳定性[35][36]。研究表明，极少量的纳米颗粒即可显著提高热导率[37][38][39]。多项研究和实验表明，纳米流体的热导率明显优于基液[37][38][39]。研究人员采用多种方法（如瞬态热线法、稳态平行板法和温度振荡法[40][41]）对纳米流体的热导率进行了实验研究。其中，瞬态热线法因测量时间较短而受到广泛使用[37][38][39][41][42]。

利用瞬态热线法分析热导率，可以检测水介质中的微塑料和纳米塑料。这种方法基于微塑料和纳米塑料的热行为进行检测，是一种新颖的技术。微塑料和纳米塑料的热行为可用布朗运动来解释。布朗运动可解释它们在基液中的随机运动[43]。与其他机制相比，布朗运动显著影响热导率。微塑料的隔热特性会导致水的热导率降低[26]，而较小尺寸的微塑料和纳米塑料则可能因布朗运动而提高热导率。

本研究探讨了聚乙烯（PE）微塑料对水和人工海水热导率的影响。通过对添加了PE微塑料的水和人工海水进行热分析，展示了这种新型检测技术在水环境中的应用潜力。该方法在成本、效率和效果方面可能优于传统方法。差示扫描量热法（DSC）分析了PE微塑料的热分解对水和人工海水热导率的影响，SEM分析了热导率测量过程中PE微塑料的表面变化。

材料

纯PE微塑料（粒径约100 μm，品牌MicroScrub?）购自美国纽约州塔里敦的MicroPowders, Inc.。氯化钠、氯化镁、硫酸钠、氯化钙、氯化钾、碳酸氢钠、溴化钾、硼酸、氯化锶和氟化钠购自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich公司。

实验设计

根据ASTMD 1141-98标准制备了人工海水。将纯PE微塑料加入40 mL水中...

DSC分析

DSC分析是一种用于识别聚合物的热分析方法[44]。在化学和物理过程中，通常会发生热量交换，包括放热过程（产生热量）和吸热过程（消耗热量）[19]。DSC通过分析微塑料的热转变特性来快速表征和量化它们[45][46]。该方法可用于区分半结晶态和非晶态聚合物。

结论

本研究通过DSC分析了添加了40 mg/L、80 mg/L、120 mg/L和160 mg/L浓度PE微塑料的蒸馏水和人工海水的热导率，以及40°C以上温度下PE微塑料的热行为。结果显示，在28°C至90°C范围内发生了吸热和放热反应，相应的焓变分别为2.3442 mJ和-3.192 mJ。ΔH值为正值...

参与和发表同意书

所有参与者均已签署书面同意书，同意参与研究并公开个人详细信息。

作者贡献声明

Varadharaja Kirthika：撰写初稿、方法论设计、数据分析、概念构建。 Chanaka Galpaya：撰写、审稿与编辑、监督、方法论设计、数据分析、概念构建。 Ashan Induranga：方法论设计、数据分析、概念构建。 Hasintha Wijesekara：撰写、审稿与编辑、监督、方法论设计、数据分析、概念构建。 Kaveenga Koswattage：撰写、审稿与编辑、监督、资金筹措、数据分析。

伦理批准

不适用。

代码可用性

不适用。

资助

本研究由斯里兰卡教育部资助的科学技术人力资源发展项目实施，该项目得到了亚洲开发银行的资助（资助编号：CRG-R2-SB-1）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢斯里兰卡教育部资助的科学技术人力资源发展项目的支持，该项目得到了亚洲开发银行的资助（资助编号：CRG-R2-SB-1）。