风力驱动微塑料带电现象及其对大气传输机制的影响研究

【编辑推荐】本研究首次通过风洞实验揭示了风蚀微塑料(MPs)的带电特性(-1.05~6.89 pC)，建立非饱和电荷模型证明湿度与粒径决定电荷极性。发现MPs带电会显著改变其沉降速度，在沙尘暴中受电场作用可迁移更远距离，为大气MPs传输模拟提供了关键电动力学参数，填补了现有模型忽略静电力的理论空白。

　　

在全球微塑料(MPs)污染日益严重的背景下，大气传输被认为是MPs远距离迁移的主要途径。然而现有模型对土壤-空气界面MPs排放量的估算存在巨大争议，其核心问题在于传统理论仅考虑气固两相动力学，却忽略了风力作用下MPs可能产生的带电现象。这种理论缺陷直接导致对MPs在沙尘暴等极端天气中的迁移距离和沉降规律预测失准。

北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室的研究团队在《Journal of Hazardous Materials》发表突破性研究。通过改良密立根油滴实验与风洞模拟相结合的技术路线，首次定量揭示了风蚀MPs的带电规律及其对传输动力学的影响。研究发现PVC和PET材质的MPs在风力作用下可携带-1.05至6.89 pC的电荷，其电荷质量比(-2.67~20.34 μC kg^-1
)与沙粒相当但受湿度调控更显著。建立的电荷模型证明，带电MPs在100 kV m^-1
的沙尘暴电场中会产生与传统重力相当的静电力，使负电性MPs在上升电场中迁移距离增加20%以上。

关键技术包括：1) 71.1米开放式风洞模拟不同湿度(30-70%)和风速(2-45 m s^-1
)条件；2) 高速摄像与改进密立根实验装置测量239个MPs粒子(PVC/PET)的电荷；3) 建立非饱和电荷模型计算静电力对沉降速度的影响。

【Wind tunnel experiment setup】
24米实验段的风洞系统精确控制环境参数，通过轴向风速调节模拟真实沙尘暴条件，湍流强度<1%确保数据可靠性。

【Charges of Individual Microplastic Particles in Wind-Blown Sand】
对117个PVC和122个PET颗粒的测试显示，等效直径0.032-0.11 cm的MPs电荷呈对数正态分布，电荷极性取决于材料特性与粒径的交互作用。

【Conclusion】
MPs带电会使其沉降速度产生±15%的偏差，导致现有大气传输模型存在系统性误差。该发现为理解MPs在极地等偏远地区的富集机制提供了新视角。

【Environmental implication】
研究首次将电动力学参数引入MPs迁移模型，对准确评估全球MPs循环及制定防控策略具有里程碑意义。Chen Chen等提出的技术方案为后续研究MPs与云物理相互作用奠定了基础。