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电镜-拉曼联用应用于环保领域科研领域--自然环境下风化微塑料研究

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发表时间:2020-06-17 11:53

中国地质大学(武汉)环境学院罗泽娇教授课题组联合地球科学学院佘振兵教授课题组发表了一篇利用电镜、能谱、拉曼和红外研究自然界中风化微塑料的新成果。


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论文链接https://authors.elsevier.com/a/1bDSeB8ccoGi1(50天内免费)

数据库链接http://dx.doi.org/10.17632/kpygrf9fg6.2


自2004年,英国普利茅斯大学的汤普森等人在《科学》杂志上发表了关于海洋水体和沉积物中塑料碎片的论文,首次提出了“微塑料”的概念,指的是直径小于5毫米的塑料碎片和颗粒。实际上,微塑料的粒径范围从几微米到几毫米,是形状多样的非均匀塑料颗粒混合体,肉眼往往难以分辨。


微塑料的危害是成为了制造环境污染的主要载体。微塑料由于体积小,意味着更高的比表面积(比表面积指多孔固体物质单位质量所具有的表面积),比表面积越大,吸附的污染物的能力越强。环境中已经存在大量的多氯联苯、双酚A等有机污染物(这些有机污染物往往是疏水的,就是说它们不太容易溶解在水中,也容易被水体稀释),但微塑料一旦和这些污染物相遇,正好聚集形成一个有机污染球体。微塑料相当于成为污染物的坐骑,二者可以在环境中到处游荡。


与一般的“白色污染”不可降解塑料相比,微塑料对于环境的危害程度更深,因此被形象地称为“海中的PM2.5”。


一般认为老化或风化会增强微塑料吸附有机污染物和重金属的能力,以往关于老化或风化的塑料表面变化的研究大多是在实验室中通过模拟光氧化或化学氧化进行的,但自然环境中风化的微塑料的降解过程比实验室模拟中的降解过程更为复杂。所以研究自然界风化的微塑料的表面变化对于了解微塑料污染的持久性和小型微塑料的起源具有重要意义。


罗泽娇老师的课题组的董明潭同学运用了扫描电镜、能谱、拉曼和红外光谱综合分析了风化微塑料的光谱特征与表面变化


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图 1: 环境中风化微塑料的SEM图像(a~d为PE,e~h为PP)


相比于标准塑料的光滑表面(图见论文补充材料),风化后塑料的表面是粗糙且不规则的,有裂纹、破裂、缺口、凹坑等,PP比PE具有更多的裂口。上图的c~d显示了塑料的表面层状剥落过程,提示风化过程会产生更多更微小的微塑料甚至纳米塑料。


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图 2:(a)二次电子图像;(b)碳元素EDS面分布;(c)氧元素EDS面分布图(d)线扫描


微塑料的SEM图像反映了内外层的形貌的明显差异,EDS分析发现风化的外表面氧元素含量较高,碳元素含量低;而与之相反,光滑的内表面,氧元素(含量较低,碳元素含量高, 风化的外表面的O / C比约为0.1-0.5,无风化的内表面的O / C比为0.01-0.03。互补的C和O元素图表明,O/C比是判断氧化程度的潜在指标。EDS还揭示了PET和PVC表面上的钛,这与用作阻光剂的二氧化钛有关。


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图 3: PE微塑料碎片的拉曼光谱(左)和 ATR-FTIR光谱(右)


研究发现拉曼光谱在鉴定环境微塑料中具有巨大潜力,而光谱和元素分析相结合可用于破译自然条件下的微塑料降解过程,并且初步建立了包括124个风化微塑料拉曼光谱的风化微塑料拉曼光谱数据库(RDWP),以用于准确识别自然环境中的微塑料,并且向所有用户开放。

自2014年 TESCAN 正式推出扫描电镜和拉曼联用系统—RISE显微镜,这是第一台真正实现实用化的扫描电镜-拉曼光谱联用设备,因为它独特的功能和应用创新,在国内和国际上都已经有了很多重量级用户,它的科研和分析价值已经被越来越多的人认可和发现。


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TESCAN RISE 电镜-拉曼一体化系统



 
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