可重复使用口罩在洗涤与紫外老化作用下的微塑料释放及形态演变研究

《Environmental Science: Advances》：Effects of washing and UV weathering on microplastic release and morphological changes in reusable face masksOpen Access

　　

： 公众日益重视个人防护，导致口罩在日常生活中的使用量显著增加。尽管口罩在保护人类健康方面发挥着至关重要的作用，但其环境足迹依然不容忽视。特别是，口罩在使用和废弃过程中均可能造成环境污染。本研究在受控实验室条件下模拟了可重复使用口罩的使用与废弃过程，并系统评估了其性能与环境行为。与一次性口罩的对比实验表明，可重复使用口罩不仅织物结构更为稳定，而且在水生环境中的微塑料污染贡献更低。即使经过100次洗涤循环，可重复使用口罩的表面织物未见明显损伤，而内层织物仅出现轻微起球但无断裂。经过10天紫外辐照后，口罩仍保持基本形态。在相同条件下，一次性口罩在100次洗涤后表现出明显的表面损伤和起球现象。一次性口罩的表面纺织品在紫外辐照5天后即出现老化并变得脆弱，10天后已无法维持原有形态并完全碎裂成碎片。上述结果表明，在材料耐久性和微塑料释放方面，可重复使用口罩较一次性口罩是更为有利的替代选择。

论文解读

一、研究背景与科学问题

全球范围内口罩的巨量使用与废弃已成为微塑料污染的重要潜在来源。据估计，全球每日废弃口罩超过30亿只，其中约20%被不当处置，每日产生的塑料口罩废弃物超过160万吨。口罩材料在环境中可降解为小于5毫米的微小颗粒，构成微塑料污染源。微塑料暴露会释放有害化学物质，并吸附环境污染物，增强在水生生物体内的生物累积效应，进而通过食物链放大作用最终影响人类健康。

可重复使用口罩因其可反复佩戴和洗涤的特性，被视为减少一次性塑料制品的更安全、更环保的选择。然而，可重复使用口罩通常由聚酯（PET）、聚丙烯（PP）或聚酰胺等合成纤维制成，在反复穿戴、机械摩擦和多次洗涤条件下，纤维结构容易发生降解和断裂，释放微米级甚至纳米级塑料纤维。已有研究表明，合成纺织品洗涤过程中释放的微纤维是微塑料的重要来源。此外，废弃口罩在紫外辐射、机械破碎和环境风化作用下会进一步降解，成为环境中次生微塑料的重要来源。

尽管已有研究分别探讨了口罩洗涤过程中的微纤维释放或废弃口罩的环境风化，但这些过程通常被分开研究。关于反复使用过程中累积的损伤如何影响可重复使用口罩后续风化及微塑料释放行为的信息十分有限。因此，本研究系统考察了重复洗涤与后续紫外老化和机械磨损对可重复使用口罩的序贯影响，并将表面化学和纤维形态变化与微塑料释放行为相关联，同时与一次性口罩在可比老化条件下进行比较，以评估可重复使用口罩在减少微塑料释放方面是否具有实际优势。

二、研究内容与主要结论

研究人员在受控实验室条件下模拟了可重复使用口罩的使用与废弃过程，系统评估了洗涤循环和紫外老化对口罩材料性能及微塑料释放行为的影响。实验采用etr?ma?可重复使用口罩和一次性口罩（由Fr?tt Solutions提供），以直径2毫米的玻璃珠作为惰性且可重复的磨损介质，模拟废弃口罩在波浪作用、径流或潮汐运动下与沙粒或沉积物的反复接触。洗涤实验采用家用前装式洗衣机在40°C条件下洗涤30分钟（无洗涤剂），随后在60°C条件下烘干30分钟，循环重复。紫外老化实验在紫外箱中进行，辐照波长为302 nm，功率为20 mW cm^?2，暴露时间0至10天。紫外辐照后，将口罩样品置于含玻璃珠的去离子水中，在300 rpm、25°C条件下振荡24小时，以考察物理磨损对颗粒释放的影响。

研究结果表明，可重复使用口罩在100次洗涤循环后表面织物未见明显损伤，内层织物仅出现轻微起球但无断裂；经过10天紫外辐照后仍保持基本形态。相比之下，一次性口罩在100次洗涤后出现明显表面损伤和起球，紫外辐照5天后表面纺织品即老化变脆，10天后完全碎裂。在微塑料释放方面，可重复使用口罩的释放量总体低于一次性口罩，但紫外老化显著增加了微塑料释放，且与先前洗涤损伤存在协同效应。

三、关键技术方法

本研究采用了以下主要技术方法：衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）用于分析口罩样品在不同洗涤循环和紫外辐照时长下的化学组成变化；扫描电子显微镜（SEM）用于观察织物表面的微观形态变化；激光原位散射与透射分析仪（LISST-200X）用于检测水样中1–500 μm粒径范围内颗粒物的粒径分布（PSD）和体积浓度；玻璃珠辅助振动法用于模拟废弃口罩在自然环境中的物理磨损过程；单因素方差分析（ANOVA）和最小显著性差异检验用于比较不同处理组之间的差异。

四、研究结果

3.1 可重复使用口罩洗涤后的化学组成与形态特征变化

傅里叶变换红外光谱分析显示，可重复使用口罩正面织物在0至100次洗涤循环后保持典型聚酯吸收峰，主链结构未被破坏，但C═O吸收带随洗涤次数增加逐渐减弱并略微变宽，表明表面酯键微环境受到轻微扰动。背面织物的光谱变化更为明显，C–H伸缩区峰形逐渐加深变锐，表明纤维表面暴露的烃链增加，与织物表面磨损相关。扫描电子显微镜观察显示，纤维从初始的紧密排列、表面光滑，逐步发展为松散、轻度损伤和显著磨损。100次洗涤后纤维进一步松散、弯曲程度增加，表面粗糙度显著提高。

3.2 洗涤后口罩在水环境中的微塑料释放

粒径分布和热图分析表明，不同洗涤循环下可重复使用口罩释放的微塑料浓度和粒径分布未呈现显著的线性或累积增加趋势，而是表现出离散波动。初始洗涤阶段微塑料释放主要来源于纺织品制造过程中已存在的松散纤维和表面缺陷；中间阶段反复机械磨损诱导纤维断裂，导致较小粒径（尤其<30 μm）微塑料释放增加。这种非单调趋势可能反映了颗粒产生、保留和去除之间的动态平衡。

3.3 不同类型口罩样品洗涤后的质量损失

质量损失实验表明，可重复使用口罩在100次洗涤后的质量损失低于一次性口罩，其中T型可重复使用口罩表现最佳。照片记录显示，一次性口罩在洗涤后完全变形，表面出现明显起毛起球；可重复使用口罩即使经过100次洗涤仍保持物理形态，A型口罩仅背面出现起球，T型口罩正反两面均无显著损伤。

3.4 紫外老化下口罩的化学组成与形态特征变化

紫外老化实验表明，可重复使用口罩正面织物在5–10天紫外辐照后C═O吸收带显著增强，3200–3600 cm^?1宽吸收带加强，表明表面氧化和吸水增加。背面聚丙烯织物在5–10天出现新的C═O吸收带，表明发生早期光氧化。一次性口罩在紫外辐照5天后出现1715–1735 cm^?1区域的新吸收带，10天后更加明显，表明表面层发生氧化。扫描电子显微镜观察显示，可重复使用口罩在5天紫外辐照后两面纤维均出现断裂、破碎并覆盖大量细颗粒；一次性口罩在5天紫外辐照后几乎所有纤维严重断裂。

3.5 紫外辐照后口罩在水环境中的微塑料释放

未经洗涤的可重复使用口罩在紫外辐照下微塑料释放随暴露时间增加而增加，主要集中在20–80 μm粒径范围，10天组释放量显著高于0天和5天组。经过100次洗涤的口罩在紫外辐照后微塑料释放总体水平显著高于未洗涤口罩，10天紫外辐照后在20–150 μm范围释放显著增加，表明洗涤老化和紫外老化存在明显协同效应。一次性口罩在10天紫外辐照后释放水平显著增加，30–80 μm范围增长最为剧烈，≥100 μm大颗粒范围也出现显著持续增加。对比分析表明，一次性口罩对紫外辐照更为敏感，不仅释放量更大，且更易产生较大粒径的微塑料。

五、讨论与结论

研究结果表明，紫外辐照不仅独立增强微塑料释放，而且在高频洗涤与长期紫外暴露场景下构成特别突出的环境风险。若在环境风险评估或生命周期评估中忽略紫外老化和洗涤老化的耦合效应，可重复使用口罩在实际使用阶段对水生微塑料污染的潜在贡献可能被系统性低估。研究同时指出，受控紫外辐照和玻璃珠磨损处理虽能确保不同处理组之间的一致比较，但无法完全复现自然风化条件，研究结果应理解为受控加速条件下的相对颗粒释放潜力。

研究结论部分指出，实验结果表明经过多次洗涤和紫外老化后，可重复使用口罩保持结构完整性，释放的微塑料总体少于一次性口罩。洗涤主要造成物理磨损，而紫外暴露增加释放并与先前洗涤产生协同作用。这些结果支持可重复使用口罩作为低排放选项，同时强调在环境风险和生命周期评估中需纳入长期老化因素。