基于生物启发的可重复使用聚丙烯（PP）絮料的绿色生产方法，用于有效去除水中的微塑料

《Sustainable Materials and Technologies》：Green production of bioinspired reusable PP fluff for true-to-life microplastics removal from water

提出一种基于海草Egagropiles结构的3D聚丙烯絮状纤维溶剂-free制备方法，通过熔纺和涡旋场生成仿生纤维。从真实消费者PP面包装袋经加速老化（紫外线/蒸汽）和机械破碎制备典型微塑料，结合流体动力学模型分析其沉降行为，证实絮状纤维对微塑料（尤其>19.8μm）去除效率>99%，并经过10次循环使用性能稳定。

　　微塑料污染已成为全球关注的环境问题之一。尽管已有许多研究探讨其影响，但如何准确预测其在自然环境中的行为以及如何高效去除这些微塑料仍面临挑战。为此，研究团队提出了一种创新的、无需溶剂的方法，用于生产可重复使用的三维纤维状材料，旨在从水中去除微塑料。这种材料的结构灵感来源于一种自然界的植物——地中海特有的海草 *Posidonia Oceanica* 的 Egagropiles（EGs），因为它们具有捕获水体中微塑料的能力。通过结合熔融纺丝工艺和在蒸馏水中产生的涡旋运动场，成功制备出具有类自然结构的聚丙烯（PP）纤维状材料。这种材料不仅模仿了 EGs 的物理特性，还通过实验验证了其在去除微塑料方面的高效性，特别是在处理较大颗粒方面表现出色。

为了更准确地模拟真实环境中的微塑料，研究团队从日常使用的 PP 面粉袋中提取材料，并通过加速老化实验模拟自然环境中的紫外线照射、氧化作用和机械应力。这种处理方式使微塑料在化学和物理特性上与现实中的微塑料非常接近。通过这种模拟，团队能够更深入地研究微塑料在水中的沉降行为，从而为去除策略提供理论支持。研究还采用了流体动力学建模，分析微塑料在沉降过程中的变化，并结合实际实验数据进行对比。

研究团队通过多种技术手段对微塑料的形态、尺寸分布和化学特性进行了详细分析。使用扫描电子显微镜（SEM）和图像处理软件 ImageJ 对微塑料的尺寸分布进行了评估。结果表明，微塑料的尺寸范围广泛，从亚微米级到毫米级，且其分布呈现出不对称性，意味着微塑料具有多样的颗粒群体。此外，团队还通过动态光散射（DLS）技术评估了微塑料在水中的行为，并结合不同搅拌速度（950 rpm 和 2800 rpm）分析了其尺寸变化。研究发现，搅拌速度越高，微塑料的尺寸分布向较大颗粒偏移，这与流体动力学模型的预测一致，表明湍流条件下的微塑料更容易被捕捉。

在去除实验中，团队设计了一种基于无针注射器和注射泵的过滤系统，其流速为 90 ml/h。通过该系统，团队将微塑料悬浮液通过 PP 纤维材料进行过滤，并通过称重和图像分析评估其去除效率。结果表明，PP 纤维材料在多次使用后仍能保持较高的去除效率，达到 99.9% 的质量去除率。此外，团队还通过数值分析评估了微塑料的数量去除效率，发现较小颗粒的去除率相对较低，但这种分析有助于更全面地理解材料在不同颗粒尺寸下的表现。

在材料的结构和性能方面，团队对 PP 纤维材料进行了形态学分析，发现其纤维直径约为 30.2 μm，与 EGs 的纤维直径（约 36.7 μm）相近。这表明所制备的材料在结构上成功模拟了自然界的 EGs。同时，团队还对材料的密度、润湿性和机械性能进行了评估，发现经过加速老化处理后，PP 材料的密度增加，润湿性改善，这使得其在水中的沉降行为发生变化。这些特性对于理解微塑料的去除机制至关重要。

在化学分析方面，团队使用傅里叶变换红外光谱（FTIR/ATR）技术对 PP 材料和微塑料的化学变化进行了研究。结果表明，加速老化过程显著增加了微塑料中含氧基团和羟基的含量，这与微塑料在自然环境中的氧化和降解过程相符。此外，通过微ATR（μATR）技术对微塑料的化学特征进行了进一步验证，确保了其与实际环境中微塑料的相似性。

在去除效率的评估中，团队采用了两种方法：质量去除率和数量去除率。质量去除率反映了材料实际去除微塑料的能力，而数量去除率则考虑了颗粒尺寸的影响。结果显示，质量去除率始终很高，而数量去除率则因颗粒尺寸不同而有所差异。这种双重评估方式为材料的优化提供了依据，也揭示了在微塑料去除过程中，颗粒尺寸是一个关键因素。

通过多次过滤实验，团队验证了 PP 纤维材料的可重复使用性。在每轮过滤后，材料会经过 1 小时的超声波清洗，以确保其在下一轮过滤中仍能保持良好性能。结果显示，即使经过 10 次过滤循环，材料的去除效率仍然保持在 99% 以上，表明其具有良好的稳定性和重复使用潜力。这种特性在自然界的 EGs 中并不具备，因此 PP 纤维材料在工业应用中更具优势。

此外，团队还对其他材料在去除微塑料方面的性能进行了比较。结果显示，PP 纤维材料在质量去除率上优于其他许多聚合物材料，特别是在处理聚烯烃类微塑料（如聚乙烯和聚丙烯）方面表现出色。这可能与材料的三维纤维结构以及其与微塑料的相似性有关，这种结构有助于提高微塑料与材料的相互作用，从而提升去除效率。

研究还强调了微塑料在环境中的复杂行为。微塑料的沉降和悬浮特性受多种因素影响，包括流体动力学条件、颗粒密度以及颗粒尺寸。因此，理解这些因素对去除效率的影响对于开发更有效的微塑料去除技术至关重要。通过本研究，团队不仅成功模拟了微塑料的行为，还提出了一个可持续的解决方案，即利用生物启发的材料去除微塑料，同时避免使用有害溶剂。

综上所述，本研究为微塑料污染治理提供了一种创新的方法。通过模仿自然界的 EGs，团队开发出了一种无需溶剂、可重复使用的三维纤维材料，成功实现了对微塑料的高效去除。这种材料不仅在结构上与 EGs 相似，还在化学和物理特性上表现出高度一致性。通过综合考虑微塑料的尺寸、密度和流体动力学行为，团队进一步优化了去除策略，并为未来微塑料去除技术的发展提供了新的思路。研究还指出，微塑料的去除不仅需要关注其物理特性，还应结合化学特性进行综合分析，以更全面地理解其在环境中的行为和影响。