定制的分析方法评估纺织品洗涤过程中微塑料纤维和纳米颗粒的释放

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Tailored Analytical Approaches to Assess Microplastic Fibers and Nanoparticles Release from Textiles During Washing

　　

合成纺织品洗涤是微塑料纤维（MPFs）和纳米颗粒（NSPs）进入淡水环境的主要来源，然而由于其广泛的尺寸范围、异质组成以及有机和无机组分的共释放，对其进行全面表征在分析上仍具有挑战性。本研究提出了一种集成的多技术分析框架，用于评估由原生聚对苯二甲酸乙二醇酯（Standard PET）及其可持续替代品（回收PET和聚乳酸（PLA））制成的纺织品在洗涤过程中MPFs、NSPs、聚合物质量及相关元素的释放。研究人员采用了一种分层分析方法，以捕获从微米到纳米尺度颗粒尺寸范围内的纺织品排放。应用光学显微镜和扫描电子显微镜进行MPF定量和形态评估，而动态光散射和纳米颗粒追踪分析（NTA）则提供了亚微米级NSPs的尺寸分布和数量浓度的补充信息。原子力显微镜对单个NSPs进行了高分辨率成像，给出了颗粒形状和表面形态的详细信息。利用热裂解-气相色谱/质谱法（Py-GC/MS）对MPF组分中的聚合物特异性质量释放进行了定量，并辅以总有机碳分析，同时使用傅里叶变换红外光谱评估洗涤后纺织品化学成分的变化。此外，采用电感耦合等离子体质谱评估与纺织材料相关的无机组分和痕量金属的释放。通过这种分层分析方法，释放的MPFs长度范围为455至843 μm，平均直径为11至23 μm。洗涤测试中释放的NSPs范围为25至100 nm。PLA纺织品释放的MPFs（2.28×10⁵ 颗粒/kg）高于Standard PET（1.40×10⁵ 颗粒/kg）和Recycled PET（1.32×10⁵ 颗粒/kg）。NTA显示PLA释放的NSPs浓度最高（1.97×10¹⁰ 颗粒/mL），其次是Recycled PET（1.37×10¹⁰ 颗粒/mL）和Standard PET（8.77×10⁹ 颗粒/mL）。Py-GC/MS显示PLA的聚合物质量释放量（0.36 ± 0.07 mg/L）高于Standard PET（0.25 ± 0.03 mg/L）和Recycled PET（0.21 ± 0.03 mg/L）。此外，检测到洗涤水中⁵⁶Fe（19.14 μg/L）和¹²¹Sb（28.26 μg/L）的可测量浸出。总体而言，本研究突显了互补分析技术的战略组合如何能够全面评估纺织品洗涤过程中源自纺织品的MPFs、NSPs和金属排放，并揭示了传统合成纺织品与生物基纺织品之间的差异，为环境风险评估提供了新见解。

**论文解读文章：纺织品洗涤过程中微塑料纤维与纳米颗粒释放的定制化分析方法研究**

**研究背景与意义**
微塑料（MPs，1μm-5mm）已在全球废水、湖泊、河流、海洋和空气中被广泛报道，其中纤维是淡水及海洋环境中MPs的主要成分，平均占采集样品的71%。合成纺织品洗涤是微塑料纤维（MPFs）进入水生环境的重要途径，但现有研究多集中于传统石油基纺织品（如聚对苯二甲酸乙二醇酯PET），对回收PET和生物基聚乳酸（PLA）等可持续替代品的比较评估有限。同时，纳米级颗粒（NSPs）的释放因尺寸小、检测难度大而研究不足，其环境迁移性、生物摄取和潜在毒性更受关注。目前，不同分析技术仅能捕获特定组分，导致释放量估计差异显著。因此，本研究旨在通过定制化、多技术整合的分析框架，系统比较标准PET、回收PET和PLA纺织品在洗涤过程中MPFs、NSPs、聚合物质量及伴生元素的释放特征，为环境风险评估和可持续材料选择提供基础数据。该论文发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。

**研究内容与结论**
研究人员采用分层分析方法，结合多种技术对纺织品洗涤水进行表征。主要结论包括：PLA纺织品释放的MPFs数量（2.28×10⁵ 颗粒/kg）和NSPs浓度（1.97×10¹⁰ 颗粒/mL）均显著高于标准PET（1.40×10⁵ 颗粒/kg；8.77×10⁹ 颗粒/mL）和回收PET（1.32×10⁵ 颗粒/kg；1.37×10¹⁰ 颗粒/mL）；Py-GC/MS定量显示PLA聚合物质量释放（0.36±0.07 mg/L）高于标准PET（0.25±0.03 mg/L）和回收PET（0.21±0.03 mg/L）；同时检测到洗涤水中⁵⁶Fe（19.14 μg/L）和¹²¹Sb（28.26 μg/L）的浸出。该研究强调了生物基聚合物不一定比传统合成纤维释放更少颗粒物，并突显了多技术整合对全面评估纺织品释放行为的重要性，为制定标准化方法和缓解策略提供了关键依据。

**主要关键技术方法**
本研究采用的主要关键技术包括：光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）用于MPF的定量计数与形态分析；动态光散射（DLS）和纳米颗粒追踪分析（NTA）用于NSPs的尺寸分布与数量浓度测定；原子力显微镜（AFM）用于NSPs的高分辨率形貌成像；热裂解-气相色谱/质谱法（Py-GC/MS）用于聚合物种类特异性定量；总有机碳（TOC）分析用于碳释放量估算；傅里叶变换红外光谱（FTIR）用于纺织品化学结构变化评估；电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）用于无机元素和痕量金属分析。纺织品样本（标准PET、回收PET、PLA）由Korteks（土耳其）提供，均为未涂层白色针织物。

**研究结果**
**3.1 洗涤对纺织品样品的影响**
通过质量损失测量和TOC分析发现，PLA纺织品质量损失最高（0.99%），其溶解碳分数（约51%）远高于标准PET和回收PET（约25%），表明PLA在洗涤过程中发生水解降解，释放水溶性有机化合物（如乳酸和低聚物），而PET则以物理碎裂为主。ATR-FTIR光谱证实洗涤后所有聚合物的化学结构未发生改变，仅表面杂质被去除。

**3.2 洗涤过程中微纤维的释放**
**3.2.1 光学显微镜分析**
光学显微镜计数显示，PLA释放的MPFs数量（2.28×10⁵ 颗粒/kg）高于标准PET（1.40×10⁵ 颗粒/kg）和回收PET（1.32×10⁵ 颗粒/kg）。MPFs平均长度266–843 μm，直径11–23 μm，空白样品中亦检测到背景污染（平均1730颗粒/L），需通过Py-GC/MS等聚合物特异性方法排除。

**3.2.2 扫描电子显微镜分析**
SEM图像显示，标准PET洗涤水中纤维聚集明显，回收PET中出现纤维分叉和磨损迹象，PLA样品中则观察到不规则形状颗粒，表明洗涤过程中纤维发生机械碎裂和原纤化。

**3.2.3 热裂解-气相色谱/质谱分析**
Py-GC/MS定量结果显示，PLA释放的聚合物质量浓度（0.36±0.07 mg/L）显著高于标准PET（0.25±0.03 mg/L）和回收PET（0.21±0.03 mg/L）（p<0.05），与质量损失和TOC趋势一致，验证了PLA在机械应力下因脆性断裂而释放更多碎片。

**3.3 洗涤过程中纳米级颗粒的释放**
**3.3.1 动态光散射分析**
DLS测量显示，过滤后纺织品洗涤液中NSPs的流体动力学直径集中在121–142 nm，PDI<0.195，表明粒径分布较窄。空白样品中存在较大颗粒，需严格质控。

**3.3.2 纳米颗粒追踪分析**
NTA定量表明，PLA释放的NSPs数量浓度（1.79×10¹⁰ 颗粒/mL）最高，回收PET（1.19×10¹⁰ 颗粒/mL）次之，标准PET最低（7.01×10⁹ 颗粒/mL），与MPFs释放趋势一致。NSPs平均粒径约90–93 nm，小于空白样品（120 nm）。

**3.3.3 原子力显微镜分析**
AFM成像显示，标准PET和回收PET释放的NSPs呈圆形，直径50–100 nm，高度5–20 nm；PLA释放的NSPs呈高长宽比形态，直径25–40 nm，高度<2 nm。回收PET释放的NSPs数量多于标准PET，与NTA结果一致。

**3.4 洗涤过程中化学物质的释放**
**3.4.1 电感耦合等离子体质谱分析**
ICP-MS检测到PET纺织品洗涤水中⁵⁶Fe（19.1 μg/L）、⁶³Cu（2.4–2.6 μg/L）和¹²¹Sb（24.2–28.3 μg/L）浓度高于空白，证实这些元素从纺织品迁移至水相。Sb来源于PET生产中的催化剂，Fe和Cu源于纺织品本身或不锈钢容器污染。

**讨论与结论**
**讨论总结**
研究人员通过整合质量损失、TOC、显微镜和Py-GC/MS数据，发现不同方法估算的聚合物浓度存在差异：质量损失法最高，TOC次之，Py-GC/MS和显微镜法较低且相互吻合，表明TOC捕获了溶解有机物和添加剂，而Py-GC/MS和显微镜主要反映颗粒态聚合物。多技术整合可避免单一方法导致的过估或低估。NSPs分析中，DLS和NTA提供了粒径和数量信息，但无法化学确认聚合物身份，AFM提供形态却通量低，因此本研究中的NSPs应视为尺寸基颗粒分数而非确证纳米塑料。此外，实验室条件（单次洗涤、纯水、40°C）与现实场景（多次洗涤、洗涤剂、老化）存在差异，所得释放量为基线数据，用于对比聚合物特异性释放机制，未来需开展多周期洗涤和老化实验。

**研究结论翻译**
本研究通过定制化的分析方法，对传统合成纺织品（标准PET）和可持续纺织品（回收PET和PLA）洗涤过程中MPFs、NSPs及重金属的排放进行了全面表征。此处报告的NSPs代表基于尺寸的颗粒分数，其聚合物身份未得到化学确认，因此不应被解释为确证纳米塑料。本研究的发现对评估纺织品来源的环境排放具有重要启示。首先，PLA纺织品释放大量MPFs和NSPs，表明生物基聚合物不应自动被认为比传统合成纤维释放更少的颗粒物，这凸显了基于实际释放行为评估替代纺织材料的重要性，而非仅依据其可再生来源。其次，质量损失、TOC、显微镜和Py-GC/MS估算值之间的显著差异强调了量化纺织品颗粒排放的挑战，依赖单一技术可能导致过估或低估，而互补分析技术的组合能更全面地理解释放的颗粒和溶解组分。最后，结果强调了标准化方法的必要性，聚合物特异性技术与颗粒计数和尺寸测量方法的整合可提高研究间的可比性，并支持更准确的环境暴露评估。此外，在未洗涤纺织品中检测到的Fe和Sb也出现在洗涤水中，表明其从纺织品迁移至水相。通过结合多种分析技术，研究人员获得了不同分析途径的互补证据，各技术间一致的排放趋势支持了整体结论。总之，对释放的微塑料和NSPs的评估突显了洗涤对环境污染的潜在贡献，尽管结果不能直接外推至现实条件，但为理解聚合物特异性释放机制和开发预测模型提供了关键基线数据。未来工作应扩展至全球尺度排放估算，本研究的发现为纺织行业提供了宝贵见解，强调在生命周期评估框架中考虑回收和生物基材料的重要性。