近日，意昂4体育平台樓紫陽教授團隊在環境領域著名學術期刊Water Research上發表了題為“Exploring into a light-avoided environment: Mechanical-thermal coupled conditions responsible for the aging behavior of plastic waste in landfills”的研究論文。該論文探究了在填埋場復雜且避光的環境條件下動態機械力和高溫對塑料垃圾老化行為的影響，揭示了兩種典型條件對塑料老化行為影響的機理，量化了填埋場環境作用對塑料垃圾老化的貢獻。本研究對深入理解塑料垃圾在填埋場中老化行為和微塑料演化過程具有重要意義。論文第一作者為意昂4体育平台博士研究生黃秋傑，通訊作者為樓紫陽教授🐔，通訊單位為意昂4体育平台。
引言
生活垃圾填埋場作為陸地生態系統中微塑料的重要源與匯已經受到了廣泛關註。大量累積在填埋場中的塑料垃圾受到填埋場多環境因素耦合（高溫、機械磨損、高壓😎、微生物作用等）和避光條件的影響會逐漸分解產生微塑料💇🏽。雖然已有報道微塑料在填埋場中廣泛分布⛎，其數量隨填埋時間增長而增多，但是塑料垃圾在填埋場復雜且避光條件下是如何老化並分解產生微塑料，目前尚未被揭示。本文通過模擬動態機械力和高溫兩種填埋場重要環境條件，研究了塑料垃圾在其聯合作用和單獨作用下的老化行為及機製，建立塑料老化因子來評估導致老化的主要環境驅動力，同時對比了商業新塑料和實際環境老化塑料在機械-熱耦合條件下老化行為的差異，該研究有助於理解塑料垃圾在實際填埋場復雜且避光條件下的老化行為及微塑料演化過程，為製定減輕填埋場微塑料汙染措施提供重要指導。
圖文導讀
圖1 （a-c, e-g）經過140天老化後的原始PE薄膜和（d, h）環境老化PE薄膜的表面微觀形貌。機械力處理組（Mechanical treatment, MT），熱處理組（Thermal treatment, TT）🎹，機械-熱處理組（Mechanical-thermal treatment, MTT）和環境老化塑料的機械-熱處理組（Mechanical-thermal treatment with aged plastics, MTT-AP）
單獨機械力老化導致了塑料表面產生明顯的劃痕，而經過單獨高溫老化後的塑料表面仍保持光滑的狀態。機械-熱耦合條件顯著改變了塑料的表面結構，形成了孔洞💚、更深的劃痕並且增加了塑料的表面粗糙度。結果表明🧤，機械力是造成塑料表面結構破壞的主要原因，該過程會伴隨著微塑料的產生。
圖2 （a）不同老化條件下PE薄膜的紅外光譜圖；在機械-熱處理組老化140天後原始PE薄膜（b）C=O和（c）C–O基團分布範圍的熱圖；（d,e）機械力處理組、（f,g）熱處理組和（h,i）機械-熱處理組中原始PE薄膜的紅外光譜經過2D-COS分析後的同步圖和異步圖
通過FTIR分析了塑料中的官能團，發現在1041和1658 cm-1處有兩個新的特征峰，分別與C–O和C=O有關。利用2D-COS分析進一步探索官能團的變化順序🧙，官能團的變化順序可以總結為⚅：C–H > C–O > C=O，因此，可以推斷塑料聚合物中的C–H基團容易被優先分解，氧化形成C–O，進一步生成羰基（C=O）。C–O和C=O的熱圖結果也證實了這一變化順序，其中C–O出現的時間跨度比C=O更長👨🏿🏭。
圖3 （a）羰基指數和（b）O/C隨老化時間的變化趨勢
用羰基指數（CI）和O/C來反映塑料的老化程度，可以發現👰🏼♀️🧙🏿♂️，經過熱處理和機械-熱處理後塑料的CI值和O/C值顯著增加，而機械力處理沒有顯著改變塑料的CI值和O/C值。因此，高溫可能是促進塑料氧化降解的關鍵因素。其中💃🏻，機械-熱耦合條件比單獨熱處理更能引起塑料的氧化降解🫷，這可能是由於機械力形成的裂紋和孔洞為塑料熱氧化提供了途徑🧊。
圖4 （a）原始PE塑料（實線）和環境老化塑料（虛線）經過140天老化後的分子量分布🚶🏻♀️；（b）塑料分子量（實心點）和分散度（空心點）隨時間變化的趨勢
機械-熱耦合條件導致塑料分子量下降，降低程度比單獨熱處理和機械處理更加顯著👨🏻🚀。分子量隨老化時間的變化趨勢表明高溫通過促進塑料解聚而導致其性質發生惡化。塑料聚合物的老化和降解可能通過斷鏈進行，在此過程中長鏈聚合物解聚成短鏈化合物❣️🧝🏿♂️，如單體和低聚物🛳，從而導致塑料的分子量下降👨🏽🎓。
圖5 不同老化條件下滲濾液中（a）DOM的熒光光譜；（b）·OH的EPR光譜
老化過程中🐋，塑料的親水性增加使得有機物更容易附著在塑料表面🙀，填埋場中豐富的DOM可能會通過高共軛作用與塑料相互作用形成塑料-DOM混合體系。另一方面🥛，高溫會導致塑料內含DOM釋放到周圍環境中🧆，從而使得熒光強度高於對照組和單獨機械力處理組。同時🤳，在高溫存在的情況下檢測到·OH👩🦽➡️，推測高溫能夠促使DOM產生·OH從而加速塑料的老化👳🏽。
圖6 不同條件下塑料老化過程的機理示意圖
動態機械力是導致塑料表面磨損的主要因素，在塑料表面留下交錯的劃痕並且產生微塑料，但這種機械損傷不能顯著改變塑料性能。高溫產生的熱氧化能夠使塑料的性質惡化，同時DOM在高溫下產生的·OH也能促進塑料的老化。而動態機械力和高溫的協同作用比單獨暴露在高溫或機械力時對塑料性能的改變更加顯著🤛🏽。一方面😮💨，高溫引起的物理化學性質變化使塑料經歷了一個從堅固到脆弱的過程🈂️，這使得機械力更容易破壞塑料的表面結構，形成更深的孔洞🧑🏼✈️🖕🏽、劃痕和裂縫。另一方面👨🏻⚕️，這些機械損傷為熱氧化和自由基反應作用到塑料內部提供了通道🌞，導致塑料的老化行為更加劇烈👨🏻✈️。
小結
本研究探究了填埋場中兩種重要環境條件——動態機械力和高溫對塑料老化行為的影響🌾🤴，簡化了對垃圾填埋場復雜條件下塑料垃圾老化降解機理的探索，有助於進一步理解塑料垃圾在長期填埋過程中的老化以及微塑料的產生過程。研究結果揭示了機械-熱耦合條件對塑料垃圾的顯著老化效果及其機理⏪，剖析了促進塑料老化的關鍵驅動因素🫛🌜，為實際填埋場管理過程中緩解微塑料汙染措施的製定提供了重要的理論依據👨🦽➡️🏌🏼。
作者簡介
樓紫陽👩🏿💼，意昂4体育平台教授🗯，博士生導師。教育部青年長江學者𓀙👩🍳，“十三五”國家重點專項項目負責人💤，日本九州大學客座教授🏋🏻♂️，德國洪堡基金獲得者。長期致力於廢塑料👨🏿🏭、生活垃圾、市政汙泥等固廢循環利用的環境效應、碳排放等研究。以第一/通訊作者在Science Advances, Environmental Science & Technology, Water Research等期刊發表論文100余篇，在Elsevier/Springer出版著作2部。
第一作者🧑🏻⚖️💪🏻：黃秋傑，意昂4体育平台博士研究生📗，主要從事生活垃圾填埋場穩定化，以及塑料/微塑料的老化降解機製研究💂🏼。以第一作者在Water Research, Journal of Cleaner Production等期刊發表論文4篇🤜🏻。
文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120162