饮用水配水系统中 PVC 管道微塑料的产生：老化与流动条件的影响

《Journal of Environmental Management》：Microplastics generation from PVC pipes in drinking water distribution systems: Effects of aging and flow conditions

　　

摘要

饮用水中的微塑料（MPs）污染引发了日益严重的健康担忧，然而对于不同老化和流动条件对塑料管道中 MPs 释放的贡献，目前仍了解不足。本研究考察了外部光老化、内部氯老化及其组合作用在静水和流动条件下对聚氯乙烯（PVC）管道 MPs 释放的影响。在静水中，外部光老化对 PVC 管道内部 MPs 的释放没有显著影响。相比之下，内部氯老化和组合老化显著增加了 MPs 的释放，两者之间没有统计学差异，表明内部氯老化是 MPs 释放的主要驱动因素。在 1.7 mg/L 作为 Cl₂的内部氯老化 9、27、54 和 81 天后，静水中释放的 MPs 数量从 134 ± 10 增加到 314 ± 59 个颗粒。在流水中（5.5 L/min），MPs 释放量大幅增加，81 天后达到 949 ± 102 个颗粒，其中 MPs 主要在 <10 μm 尺寸范围内（30–214 个颗粒，40–62%）。尽管所有老化场景下羰基指数（CI）均随老化时间延长而增加，但在内部氯老化下增幅最小，这表明 CI 与 MPs 释放没有直接联系。扫描电子显微镜显示，由于氯的侵蚀，PVC 内表面逐渐形成孔洞。观察到孔洞密度与 MPs 释放之间呈正相关，表明氯氧化导致的物理变形是与 MPs 释放相关的关键因素。

引言

微塑料（MPs）被定义为小于 5 毫米的塑料颗粒（Thompson et al., 2004），根据来源可分为初级和次级 MPs（Andrady, 2011）。初级 MPs 是特意生产的小的原生塑料颗粒，次级 MPs 是指较大塑料通过物理、化学和生物风化过程分解后产生的较小碎片（Amelia et al., 2021）。近年来，越来越多的证据表明，人类暴露于 MPs 是一种新兴的健康风险，因为已在人类肝脏、肠道、淋巴系统、血液、子宫甚至大脑组织中发现了 MPs（Dzier?yński et al., 2025; Huang et al., 2025; Lee et al., 2024; Nihart et al., 2025）。MPs 已在全球的河流、水库和湖泊中被检测到（Anderson et al., 2017; Dris et al., 2015; Lebreton et al., 2017; Leslie et al., 2017）。供水中的 MPs 主要来源于塑料部件，尤其是塑料管道（Zhang et al., 2022a; Zhou et al., 2023）。

聚氯乙烯（PVC）管是水处理厂和饮用水分配网络中使用最广泛的塑料管道之一（?wietlik and Magnucka, 2025）。供水应用约占全球 PVC 管道使用量的 39–42%，这得益于其诸多优势，包括安装方便、成本低以及比传统金属管道更耐腐蚀（Emergen Research, 2024; Beyond Plastics, 2023）。尽管有这些优势，PVC 对紫外线辐射相对敏感，容易发生光降解（Gewert et al., 2015）。如果 PVC 管道安装在室外，预计外部表面会发生光老化，这在亚洲连接屋顶水箱到客户水龙头的入户管道系统中很常见（图 S1）。PVC 长时间暴露在阳光下会引发脱氯，导致 C-Cl、C-C 和 C-H 键断裂（Gewert et al., 2015; Ito and Nagai, 2007; Ouyang et al., 2022; Wang et al., 2020），并促进 C=O 和 C=C 键的形成，导致烯烃、聚烯烃、羰基和羟基官能团的产生（He et al., 2023; Majeed et al., 2020; Wang et al., 2023）。除了化学性质的变化外，之前的研究表明，PVC 表面在光老化后也会出现裂纹和孔洞（Miranda et al., 2021; Ouyang et al., 2022）。外部光老化是否会影响管道的完整性并导致内部管道表面释放 MPs 尚不清楚。

氯化广泛用于水处理中，以灭活微生物并保障人类健康（Sobsey, 1989）。分配系统中保持余氯以抑制微生物再生（AWWA, 2011）。然而，氯也会氧化内部 PVC 管道表面，导致 MPs 释放（He et al., 2023; Ji et al., 2025; Khan et al., 2022; Liu et al., 2022, 2023）。

表 S1 展示了全球饮用水中 MPs 存在的情况。MPs 浓度差异很大，范围从 0 到 1693 MP/L。不同国家识别出的聚合物类型不同，可能反映了水处理厂和分配系统中使用的独特塑料成分（Muhib et al., 2023; Tong et al., 2020）。 水流条件对 MPs 释放的影响未得到专门调查。已有充分文献记录表明，流水可提供剪切力，导致金属管道系统中腐蚀产物释放增加（Cartier et al., 2012; Peng et al., 2022; Xie and Giammar, 2011）。

在我们最近的研究中，我们证明加速氯化、臭氧化、加热可增加 PVC 管道中 MPs 的释放，并强调了化学降解在促进 MPs 生成中的重要性（Ji et al., 2025）。然而，仍存在几个关键的知识空白。在真实的饮用水分配系统中，PVC 管道可能因阳光照射而发生外部光老化，同时由于消毒剂残留而发生内部氯老化。内部氯老化是否与外部光老化具有协同作用，导致结构强度进一步减弱和更显著的 MPs 释放，从未被调查过。此外，水力条件的影响，特别是流水对 MPs 脱落的作用未得到检验。了解水力影响可以为真实分配系统中 MPs 的释放提供更多见解。

因此，本研究旨在调查在静水和流动条件下，外部光老化、内部氯老化以及外部光老化和内部氯老化的组合对 PVC 管道 MPs 释放的影响。研究了外部光老化和内部氯老化在加速 MPs 释放方面的潜在协同作用。在静水和流水下研究了水力条件对 MPs 释放的影响。最后，检验了老化后 PVC 管道表面的物理和化学变化，并探讨了它们与 MPs 释放的关系。

章节摘要

化学试剂和试剂

直径 22 mm、厚度 1 mm、长度 1 m 的 PVC 管道（南亚塑胶，台湾）购自当地商店。PVC 管道被切割成 25 cm 长，并用去离子水彻底清洗，用于 MPs 释放实验。老化实验后，制备了尺寸为 10 mm × 10 mm × 1 mm 的单独样品用于扫描电子显微镜（SEM）分析。丙酮（CH₃COCH₃，≥ 99.5%）、乙醇（C₂H₅OH，≥ 99.8%）和硫酸（H₂SO₄，95–97%）购自

静水中外部光老化的影响

为了调查外部光老化对 PVC 管道内部 MPs 释放的影响，检验了外部光老化后 MPs 的数量和尺寸分布，如图 1 所示。在外部光老化 9、27、54 和 81 天后，释放的 MPs 平均数量分别为 74 ± 13、74 ± 9、69 ± 14 和 67 ± 10（图 1(a)）。ANOVA 分析未发现这些结果之间存在显著差异（p > 0.05），表明没有明显的增加

结论

本研究提供了在外部光老化、内部氯老化以及外部光老化和内部氯老化组合作用下，PVC 管道内部 MPs 释放的深入见解。单独的外部光老化对 MPs 释放没有显著影响，而内部氯老化（1.7 mg/L 作为 Cl₂）是主要驱动因素，使 9 到 81 天老化期间静水中释放的 MPs 数量从 134 ± 10 增加到 314 ± 59 个颗粒。CI 与 MPs 之间的弱关系

CRediT 作者贡献声明

廖玉明：写作 – 初稿，方法论，调查，正式分析。 Bishwatma Biswas：写作 – 审查和编辑，可视化，正式分析。 Jenyuk Lohwacharin：写作 – 审查和编辑。 林邑品：写作 – 审查和编辑，监督，资金获取，概念化。

手稿准备过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术声明

在本工作的准备过程中，作者使用了 ChatGPT 来改进手稿的语言。使用此工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容承担全部责任。

竞争利益声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢

这项工作得到了 国家科学技术委员会，台湾（NSTC 112-2221-E-002-060-MY3; NSTC 115-2221-E-002-156-MY3），NTU 未来地球研究中心来自 高等教育深耕计划特色领域研究中心计划（113L901002）以及 台湾大学 来自卓越研究计划 - 核心联盟（NTU-CC-115L891301）在 教育部 (MOE) 台湾高等教育深耕计划框架内的支持。

廖玉明|Bishwatma Biswas|Jenyuk Lohwacharin|林邑品

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