作者：石畅（物理化学博士）
监制：中国科普博览
编者按：为了解前沿科技动态，科普中国前沿科技项目推出“带你读懂科学顶刊”系列文章，精选权威期刊的优秀论文，第一时间用通俗语言进行解读。让我们透过顶刊之窗，拓宽科学视野，享受科学乐趣。
淡水是人类赖以生存的宝贵资源，滋养着万物生长，维系着生态系统的平衡。然而，随着人口的增长、工业的飞速发展以及受到气候变化的影响，淡水资源短缺已成为全球面临的严峻挑战之一。
饮用水
（图片来源：veer图库）
在淡水资源短缺的同时，一种名为微塑料的污染物悄然“登场”。微塑料不仅难以被传统的污水处理系统拦截，还能轻易穿透土壤颗粒，对地下水资源造成严重的污染。在淡水资源短缺和微塑料污染的双重作用下，淡水资源的“保卫战”已经打响。
什么是微塑料，来源有哪些？
微塑料的概念可以追溯到2004年，英国普利茅斯大学的科研人员在《科学》杂志上发表了一篇关于海洋水体和沉积物中塑料碎片的文章，首次提出了微塑料的概念。
微塑料是指直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒，具有形状多样、非均匀的特点，并且难以通过肉眼分辨。微塑料在水中大量富集，被形象地称为“海中的PM2.5”。
海水中的塑料碎片
（图片来源：veer图库）
微塑料在环境中广泛存在，2018年，研究人员在马里亚纳海沟发现微塑料碎片。2019年，珠穆朗玛峰顶峰附近的积雪中又出现了微塑料的身影。可见微塑料的“入侵”能力极强，大量微塑料的存在对生态环境和人体健康带来了很大的威胁。
微塑料根据不同来源，分为初生微塑料和次生微塑料。
初生微塑料主要作为工业原料或添加剂，如化妆品中含有的微塑料颗粒（微珠），以及作为工业原料的塑料颗粒和树脂颗粒。此外，洗衣时衣物纤维的脱落、塑料包装材料的分解等也会产生微塑料。
（图片来源：veer图库）
次生微塑料则是由于大型塑料废弃物在环境中经过物理、化学和生物过程逐渐破碎形成的。这些过程包括磨损、紫外线辐射、冻融循环以及生物降解等，这些微塑料通过废水处理厂的排放、河流的运输等途径进入自然环境，对人类的健康造成威胁。
微塑料处理都有哪些方法？
目前，针对微塑料的处理技术主要有物理分离、化学降解和生物降解等方法。
物理分离主要通过筛分、过滤等方式将微塑料与其他物质分离，常用于污水、海水等水体中的微塑料处理。物理分离技术能够迅速将微塑料从水体中分离出来，操作简便，易于实施。但是该方法去除效率低，难以去除纳米级别的微塑料。
化学降解则利用化学试剂在特定的条件下将微塑料进一步分解为小分子，常用于固体废弃物的废水中的微塑料处理。这种方法能够将微塑料完全分解为小分子，适用于多种类型的微塑料处理。但是化学药剂的使用成本较高，并且使用不当可能会对环境造成二次污染。
生物降解是一种环境友好的处理方法，利用微生物将微塑料降解成气体、水和对生物体无害的物质，在土壤和水体中的微塑料处理应用较多。生物降解法在微塑料的分解过程中对环境的影响较小，但是降解速度相对较慢，并且降解过程受环境因素影响较大，难以精确控制。
物理粉碎塑料
（图片来源：veer图库）
“一石二鸟”：生产淡水的同时清除微塑料
2024年7月19日，中国科学家在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上发表了一项通过高效界面太阳能蒸发平台（ISEP）去除水中微塑料的研究成果。该蒸发平台在生产淡水的同时还能去除水中的微塑料。
研究成果发表于《自然-通讯》杂志
（图片来源：《自然-通讯》杂志）
高效水蒸发平台
水蒸发平台是生产淡水的基础，它将光能转化为热能，促进水的蒸发，达到降低水中离子浓度的效果。
研究者在实验过程中使用商业碳毡作为基础材料，制备了水蒸发平台。碳毡是一种具有高光热转换效率和亲水多孔结构的三维材料，该材料能够将吸收的太阳能转化为热能，其多孔结构有助于水分的快速传输和蒸发，大大提高了淡水的生产效率。
实验结果表明，三维太阳能蒸发平台（3D-ISEP）在1个太阳光照强度下，蒸发速率为2.10千克每平方米每小时，是纯水蒸发速率的4.5倍，并且在不同溶液（不同pH值、微塑料浓度和尺寸）中均表现出稳定的蒸发性能。
（图片来源：参考文献1）
强大的微塑料去除能力
研究者通过“嫁接”的方法，将聚乙烯亚胺（PEI）负载在碳毡的表面，制备了“碳毡-聚乙烯亚胺（CP-PEI）”复合材料。聚乙烯亚胺中含有丰富的氨基基团（对微塑料具有良好的吸附能力），赋予了该复合材料去除水中微塑料的能力。
实验结果表明，利用“碳毡-聚乙烯亚胺（CP-PEI）”复合材料搭建的水蒸发平台在1个太阳光照强度下，经过6小时，微塑料的去除率达到100%。即使在黑暗的环境中，该水蒸发平台仍然具有18%的微塑料去除率。
- 紫外可见光谱图；b. 太阳能蒸发平台去除微塑料机理图；c. COMSOL模拟的微塑料去除率；d. 不同浓度的微塑料与去除率的关系图；e. 不同pH值的微塑料与去除率的关系图；f. 不同类型的微塑料与去除率的关系图；g. 水溶液中微塑料在不同时间的显微图像.
（图片来源：参考文献1）
蒸发平台生产的淡水可直接饮用
针对目前面临的淡水资源短缺和水资源被微塑料污染的双重问题，研究者设计的太阳能水蒸发平台提供了“双赢”的解决方案。
在真实海水环境中，太阳能蒸发平台不仅能够有效去除海水中的微塑料和颗粒物，还能显著降低离子浓度，其制备的冷凝水达到世界相关饮用水标准。
结语
微塑料已经成为国际广泛关注的四大新污染物之一，其在水中的富集不仅对环境造成极大的污染，还在慢慢地毒害着我们的身体。水中微塑料的去除已经迫在眉睫，让我们从生活中的点滴做起，借助科技的力量战胜淡水资源短缺和水资源污染的挑战。
参考文献：
- Yu, Z., Li, Y., Zhang, Y. et al. Microplastic detection and remediation through efficient interfacial solar evaporation for immaculate water production[J]. Nature Communications, 2024.
- Richard C. Thompson et al. Lost at Sea: Where Is All the Plastic[J]? Science, 2004.
- 周倩,章海波,李远,等.海岸环境中微塑料污染及其生态效应研究进展[J].科学通报, 2015.
- 孙晓霞.海洋微塑料生态风险研究进展与展望[J].地球科学进展, 2016.