风化改变聚乙烯微塑料的沉降动力学：结合形态依赖阻力系数的数值模拟

《Environmental Pollution》：Weathering alters the settling dynamics of polyethylene microplastics: Integrating morphology-dependent drag coefficient with numerical simulations

　　

摘要

风化作用会改变微塑料的物理性质，并可能改变其在水生态系统中的输运行为，但其对沉降动力学的影响尚未得到充分量化。本研究通过结合实验室实验与数值模拟，探讨了理化风化对聚乙烯微塑料形貌和沉降行为的影响。颗粒经历了四种实验室模拟风化情景，综合了机械搅拌、紫外线辐照和过氧化氢处理。风化导致质量显著损失（约25%）并产生系统性的几何变化，表明尺寸减小并伴随部分形状规则化。基于一种自制的Maxey–Riley公式并引入依赖形貌的阻力系数的数值模型，已通过与独立实验数据对比进行验证（R² = 0.90）。模型结果显示，风化使终端沉降速度相对于原始颗粒降低了5.2–7.1%。机械搅拌通过颗粒尺寸减小和伴随的质量损失产生了最大的降低效果（6.7%），而过氧化氢则通过形状规则化部分抵消了这一降低（+1.6%）。紫外线辐照的影响可忽略不计（<0.5%）。这些次级效应与轻微的形状规则化有关，部分补偿了速度的降低。当将颗粒形状明确纳入修正的雷诺数时，沉降速度汇聚为单一标度关系（R² > 0.99）。这些发现表明，风化通过尺寸减小导致颗粒沉降变慢，而形状引起的阻力作为次要但重要的因素，有助于提高对微塑料输运的预测精度。

引言

微塑料（MPs）是公众和科学界最熟知的污染物之一，指直径在0.001至5毫米之间的塑料碎片，该术语最初由Thompson及其同事提出（Thompson et al., 2004）。自2012年以来，许多国家已禁止生产包括微珠在内的初级微塑料；然而，大型塑料及其碎片仍通过风化过程持续产生微塑料，被称为次级微塑料（Li, 2022）。当微塑料自由暴露于环境中时，可被包括哺乳类、鱼类、鸟类和爬行类在内的生物摄食（Cole et al., 2011; Set?l? et al., 2014）。沿着这样的食物链路径，微塑料可在包括人类在内的较大型生物体内积累，构成潜在风险（Najahi et al., 2025; Sridharan et al., 2021）。因此，了解微塑料的空间分布及其在水环境中的行为成为减少微塑料潜在不利影响的关键。

已有多种基于拉格朗日粒子追踪技术的模型被开发用于模拟目标环境中微塑料的分布和浓度。Cable et al. (2017) 和 Hoffman和Hittinger (2017) 利用仅考虑普林斯顿海洋模型中平流的粒子追踪模拟，研究了五大湖中微塑料丰度的变化（Cable et al., 2017; Hoffman和Hittinger, 2017）。此外，我们研究组的成员Park et al. (2024) 开发了一种准三维微塑料输运模型（MPT-Q3D），用于预测河流型湖泊中微塑料的轨迹和浓度分布（Park et al., 2024）。然而，这些研究均未明确考虑风化作用，尽管风化在水环境中普遍存在，且风化会导致颗粒尺寸和形状的改变，而这两者都是解释微塑料颗粒沉降行为的重要参数（Van Melkebeke et al., 2020）。

风化或老化赋予微塑料与其原始状态不同的物理和化学特性。光氧化是由太阳紫外（UV）辐射驱动的主要风化过程，通过链断裂、链交联和新官能团形成改变聚合物结构，促进碎片化（Andrady et al., 2022; Hebner and Maurer-Jones, 2020）。湍流中产生的机械应力，包括由小尺度涡产生的剪切应力和颗粒间碰撞，通过改变微塑料的尺寸和形状来影响其物理完整性（Akdogan et al., 2023）。这在自然河流和溪流中尤为重要，因为雷诺数通常超过$$，形成完全湍流。当光氧化和机械应力相结合时，微塑料的风化过程预期会得到增强（Hebner and Maurer-Jones, 2020）。然而，风化对微塑料颗粒沉降动力学的影响尚未明确。这一知识空白引入了不确定性，影响基于现有理论或理想情景下经验研究所得出的微塑料输运和归宿预测。

本研究旨在调查微塑料颗粒的风化过程，重点关注风化引起的颗粒几何和动力学特性变化，以及这些变化对水环境中沉降行为的影响。在四种风化情景下，使用单一尺寸参数和四种形状描述符对理化及形貌变化进行了考察。基于Maxey-Riley方程的数值模拟研究了PE颗粒的沉降行为。最后，引入了一种由形状因子扩展的无量纲参数，以更好地表征非球形PE颗粒在$$雷诺数区间的沉降行为。

各章节摘要

材料

作为微塑料模型，从Cospheric（美国）购买了尺寸为850–1,000 μm的球形PE。根据制造商的安全数据表，模型PE颗粒含有专有添加剂（<30%），这解释了其相对于标准PE（HDPE: 0.940 – 0.965 g cm^-3，LDPE: <0.930 g cm^-3）偏高的密度（1.25 g cm^-3）（Wu and Montalvo, 2021）。使用配备紫外线（UV）灯（SANYO, 16W）的专门设计装置模拟阳光照射（图。

质量

在风化实验前后测量了PE颗粒的质量。所有4种风化情景均表现出与原始组相比约23-25%的可比质量减少（表2）。结果表明，搅拌引起的机械剪切应力可能对PE颗粒的影响大于HP的氧化效应。机械剪切应力是微塑料所经历的环境应力之一，特别是在废水处理过程中。

作者贡献声明

Si-Kyung Cho：审稿与编辑、验证、监督、正式分析、概念构思。Il Won Seo：验证、监督、调查研究、资金获取。Seungjun Baek：软件、方法论、调查研究、正式分析、数据管理。Yeongmi Park：审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法论、调查研究、数据管理、概念构思。Byunguk Kim：审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证，

未引用参考文献

Liu et al., 2023; Walden Rubey, 1933.

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争经济利益或个人关系。

致谢

本研究由韩国环境产业与技术研究院（KEITI）通过微塑料管理测量与风险评估项目资助，该项目由韩国 环境部（MOE）资助（2021003110003）

Yeongmi Park|Byunguk Kim|Il Won Seo|Seungjun Baek|Si-Kyung Cho

韩国东亚大学生物与环境科学学院，京畿道高阳市一山东区东国路32号，大韩民国