纺织产品全生命周期纤维微塑料的释放因素研究

武美良, 刘广敏, 宁 琳, 刘 红

(1.青岛大学 纺织服装学院,青岛 266071; 2.青岛海尔洗衣机有限公司,青岛 266100)

微塑料广泛存在于水体、大气、土壤等环境介质中,对生态系统和人类健康具有潜在危害,在世界范围内引起了广泛关注。2004年,英国学者在《Science》杂志上发表了关于海水中堆积的塑料碎片的论文,首次提出微塑料的概念——直径小于5 mm的各种形状的塑料碎片[1]。微塑料在世界各地的海洋和沉积物中积累,最大浓度可达100万粒/m3[2],在人口稠密地区,微塑料的污染程度更高[3]。研究发现,室内和室外的大气沉降物中均能观察到微塑料[4],并且微塑料可以通过大气运输,到达偏远地区[5]。

微塑料是聚合物和添加剂的混合物[6],其自身独特的孔隙结构可以吸附环境中的有机污染物、金属和病原体,从而增加对生物体的毒性[7]。研究表明,双壳类动物暴露于微塑料环境8 d后,其胆碱酯酶活性显著降低,并产生毒性效应[8]。微塑料会造成斑马鱼和秀丽隐杆线虫肠道损伤,出现氧化应激,降低其存活率[9]。在食盐、饮用水和空气中检测到微塑料,被人体摄入,对人类的呼吸和消化系统构成威胁[10]。人体免疫系统由于无法去除微塑料,会引起慢性炎症,增加罹患肿瘤形成的风险[11]。

纤维微塑料约占水环境和沉积物中微塑料总量的40%～90%[12-13],是环境中微塑料的重要组成部分。Liu等[14]采集了上海6个监测点的悬浮大气微塑料,分析得出纤维微塑料在悬浮大气微塑料中占比高达67%,表明合成纺织产品是空气中微塑料的主要来源。有研究者调查了中国武汉市汉江和长江20个城市的湖泊和城市河段地表水中的微塑料含量,发现纤维状是微塑料中最常见的形状[15]。纤维微塑料已广泛存在于环境中,去除、回收或降解微塑料的技术还不足以完全消除纤维微塑料。同时,随着人口数量及纺织品使用数量的增加,纤维微塑料的污染问题迫切需要解决。因此,本文以纤维微塑料为研究对象,系统概述纤维微塑料的概念和来源、释放因素和机制及削减措施,重点以纺织产品全生命周期环节,即生产、使用和废弃为分类依据,分析纤维微塑料形成的因素和释放的机制,以期为缓解纺织行业微塑料的污染问题提供参考思路。

1 纤维微塑料的概念与来源

微塑料是具有各种形状的塑料碎片,包括颗粒、碎片、纤维等形状[16]。Mishra等[17]提出纤维微塑料是指在聚酯、尼龙、丙烯酸和其他合成纺织品中脱落的直径小于10 μm的细小碎片,但并没有全面系统地定义纤维微塑料。环境署科学专家组2019年发布了报告,提出了较为广泛的定义,即“纤维微塑料主要指尺寸小于5 mm并且具有高长径比的纤维状塑料碎片”[18]。

微塑料根据来源可分为初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料是指粒径小于5 mm的塑料颗粒[19],包括应用于化妆品和个人护理品中的塑料微珠[20];次生微塑料主要来源于大块塑料碎片的破裂或降解[21],这些碎片来自渔网或纺织品,以及可降解塑料的颗粒或聚合物碎片[22],其中洗涤释放的纤维微塑料是环境中微塑料的主要来源。Peng等[23]采样了长江口53个沉积物点的微塑料,通过密度分离提取沉积物中的微塑料,发现聚酯和丙烯酸是长江口微塑料含量最多的类型,表明长江口微塑料的主要来源是洗涤衣物产生的纤维微塑料。伴随着纤维微塑料研究的不断深入,研究者发现合成纺织品除了洗涤阶段,其他阶段由于不同因素的影响也会释放一定数量的纤维微塑料(图1)。如纺织品生产和加工过程中产生的印染废水中[24];残留在纺织品内的浮游纤维微塑料[25];合成纤维纺织品的烘干和使用过程中[26]。

图1 纺织品全生命周期纤维微塑料的释放

2 纺织产品全生命周期纤维微塑料释放的影响因素

2.1 生产阶段纤维微塑料释放的影响因素

2.1.1 纺纱阶段

纺纱方式影响纤维微塑料的释放量。Cai等[27]使用超声提取方法,对生产过程中的纤维进行提取,结果显示,转杯纺纱中纤维微塑料的提取量高于喷气纺纱和环锭纺纱。其原因在于,转杯纺纱在成纱过程中纤维更容易发生断裂形成毛羽,伸出纱体的毛羽越多,纤维微塑料释放的可能性越大。

2.1.2 湿加工阶段

染整主要分为三个阶段,分别为预处理、印染和后整理。预处理过程的烧毛、退浆和漂白工序等均会对纤维微塑料的释放造成一定程度的影响。在印花之前,合成纤维织物会在高温下汽蒸、皂洗、反复漂洗[28]。皂洗和漂洗与家庭洗涤过程中纤维微塑料释放的基本原理相同,纤维微塑料的产生归因于织物的拉伸、溶胀或磨擦。但在一定程度上,皂洗、漂洗过程中机械力施加的强度比家庭洗涤更高[29],所以会释放更多的纤维微塑料。

染色和印花是生产过程中重要的织物处理方法之一,这一过程会导致纤维微塑料的释放。染色过程需要添加化学添试剂(如染料、颜料)来改变纤维的特性[30],并通过水洗保持织物染色均匀。水洗过程中,水流的冲击力使附着在织物上松散的浮游纤维微塑料脱落,水洗设备不停地转动导致织物扭转加剧,从而增加织物间的摩擦力造成纤维微塑料的释放。此外,不同纤维因结构不同会影响染料分子进入纤维内部,导致其在相同温度下的着色率不同。为了达到纤维最好的染色效果,部分纤维往往需要高温染色[31],但高温会对织物造成一定的损伤,导致纤维不同程度的松动,加速了水洗过程中纤维微塑料的释放。

后整理是影响织物释放纤维微塑料的关键因素之一。后整理是通过物理或化学方法来改善织物性能,包括硬挺整理、柔软整理、轧光或起绒等工艺。整理后纤维和织物的性能变化是导致纤维微塑料释放量变化的主要因素之一,Zambrano等[32]发现硅软化剂会降低纤维与纤维、纱线与纱线之间的摩擦系数,织物会释放较长的纤维微塑料,而防皱和防水整理降低了织物的耐磨性、拉伸强度和撕裂强度,有利于释放更短的纤维微塑料。后整理后具有更高摩擦系数和表面毛羽较少的织物,纤维微塑料释放量相对较少。

2.1.3 剪裁阶段

织物剪裁过程中切割方式不同,经过水洗后纤维微塑料的释放量存在较大差异[33]。Cai等[34]通过洗涤2种不同切割方式的纺织品发现,传统剪刀切割织物释放的纤维微塑料量比激光切割织物高3～21倍。剪刀切割会对织物产生额外损伤,使得纱线末端打开,导致内部存在的纤维微塑料从织物中脱落;而激光切割是利用激光束释放的热量使织物熔化,切割边缘毛羽较少,脱落的纤维微塑料相应较少。

2.2 使用阶段纤维微塑料释放的影响因素

2.2.1 洗涤阶段

2.2.1.1 洗衣机类型

滚筒洗衣机与波轮洗衣机由于结构不同,纤维微塑料的释放量差异较大。Hartline等[35]分析了滚筒洗衣机与波轮洗衣机洗涤过程中纤维微塑料的释放量发现,波轮洗衣机释放的纤维微塑料大约是滚筒洗衣机的7倍。Yang等[36]同样发现,在相同的洗涤条件下,波轮洗衣机对纤维微塑料的释放量影响更大,其纤维微塑料的释放量是滚筒洗衣机的1.08～2.13倍,如表1所示。由于波轮洗衣机的总用水量大概是滚筒洗衣机的两倍[37],在一定程度上,波轮洗衣机依靠波轮的高速运转所产生的水流冲击力比滚筒洗衣机离心运动带来的冲击力更大,织物在波轮洗衣机内受到的洗涤机械力更大,因此波轮洗涤释放的纤维微塑料更多。

表1 不同洗涤条件下合成纤维织物释放出的纤维微塑料数量

2.2.1.2 水 量

较高的水量和织物比值会促使纤维微塑料的释放。Kelly等[38]发现,聚酯织物在第一次洗涤中,高水量洗涤比低水量洗涤多释放约80万根纤维微塑料,由于水流穿过织物的表面和间隙,纤维受到极大的黏滞力,同时水流的冲击力削弱了纤维的附着能力,导致更多松散的纤维微塑料从纱线上掉落,促使纤维微塑料释放。避免高水量洗涤、选择合适的洗涤负荷量会大大减少洗涤过程中纤维微塑料的释放。

2.2.1.3 洗涤次数

在一定的洗涤周期内,纤维微塑料的释放量随洗涤次数增加而减少[39]。Pirc等[40]对深红色羊毛毯织物进行了10次洗涤,发现第一次洗涤释放的纤维微塑料数量最多,随着洗涤次数的增加,纤维微塑料的释放量总体呈下降趋势,且从第八次洗涤开始释放量达到相对稳定状态(表2)。原因在于,织物生产和加工过程中各种机械力破坏和切割纤维,形成的纤维微塑料嵌入织物中,在重复洗涤时其附着能力减弱,在洗涤机械力较强时就会大量释放。

表2 无添加剂、使用洗涤剂和使用洗涤剂与柔软剂的聚酯毛毯的10次连续洗涤/干燥实验

2.2.1.4 洗涤剂

研究者关于“洗涤剂的使用和洗涤剂的类型是否对纤维微塑料的释放产生显著影响?”存在许多的争议。一部分研究者认为洗涤剂的使用对纤维微塑料释放量产生一定的影响。Hernande等[41]模拟家庭洗涤,统计分析了从纺织品中释放的纤维微塑料数量,发现洗涤剂的使用与否对纤维微塑料释放量影响较大,但洗涤剂类型和洗涤剂添加量对纤维微塑料释放没有显著影响。Falco等[42]通过分析聚酯织物洗涤后纤维微塑料的释放量,发现在不添加洗涤剂的情况下,每克织物产生(162±52)根纤维微塑料,而使用液体洗涤剂纤维微塑料释放量增加到(1 273±177)根,使用粉末洗涤剂纤维微塑料释放量增加到(3 538±664)根。Falco的研究认为,由于粉末洗涤剂含有不溶于水的无机化合物,如沸石,在洗涤时很容易与织物间摩擦,产生纤维微塑料,因此粉末洗涤剂比液体洗涤剂更有利于纤维微塑料释放。两篇研究均发现使用洗涤剂会促进纤维微塑料的释放,洗涤剂中的表面活性剂削弱了纤维之间的抱合力,织物在洗涤机械力的进一步影响下,加速了纤维微塑料的释放。

一部分研究者认为洗涤剂的使用对纤维微塑料释放量产生的影响较小。Bishop等[43]研究表明,虽然洗涤时洗涤剂产生的泡沫,对织物起到润湿作用,减少了纤维之间的摩擦,但它们在洗涤过程中大部分被吸附和洗掉,洗涤剂一般不会引起纤维和织物性能的改变,所以纤维微塑料的释放与是否使用洗涤产品无关。实验方法、洗涤剂成分、洗涤参数和织物性能的不同,很可能是导致不同研究者研究结果存在差异的原因,还需进一步深入的研究。

2.2.2 烘干阶段

纺织产品烘干是纤维微塑料排放到环境中的另一个主要方式。O’brien等[44]以家用通风干燥器为研究对象,对房间内聚酯羊毛毯释放的纤维微塑料进行了取样,发现在房间中纤维微塑料的平均值为(6.4±9.2)根,干燥机中为(8.8±8.5)根,样品中为(58±60)根,证实了烘干织物会产生纤维微塑料。此外,虽然干燥器的内置过滤系统会捕获部分纤维微塑料,但仍有一部分纤维微塑料释放到周围空气中。干燥过程影响纤维微塑料的释放规律与洗涤过程有相似之处,例如,短纤维相对于长丝纤维更容易在干燥中脱落;纤维容易从结构宽松的织物中断裂;在连续干燥过程中,纤维微塑料排放量随着干燥次数的增加呈下降趋势[45]。Pirc等[40]对聚酯羊毛毯在滚筒干燥过程中释放的纤维微塑料进行分析,研究发现,10次连续的干燥循环中纤维微塑料排放量均呈下降趋势。家庭干燥大多在室内进行,这些纤维微塑料会漂浮在空气或积聚在灰尘中,在人类接触含有灰尘或空气沉积物的食物后[46],对人体健康产生不利的影响。

2.2.3 日常穿着使用阶段

合成纤维纺织品在日常使用中也会释放一定数量的纤维微塑料,如日常穿着中的摩擦、外出时或洗涤后日晒等。研究人员用Martindale测试仪对由聚酯制成的起绒和双罗纹织物进行磨损实验,结果显示,经过磨损的织物释放纤维微塑料的数量是未磨损织物的5～30倍[47]。摩擦后织物表面分裂出细小的纤维是纤维微塑料释放量增加的原因。Yang等[48]用Martindale测试仪对12种不同的聚酯织物进行了纺织品磨损测试,结果显示,纺织品在5 000次摩擦后释放的纤维微塑料是洗涤的10倍以上,主要由于在连续摩擦力的影响下,纤维到达疲劳点,纤维受损断裂并释放出纤维微塑料。Pinlova等[49]将4种不同结构的聚酯织物放入风化室,并使用Q滤光片模拟自然光照射织物2个月,通过洗涤提取纤维微塑料,结果表明,织物在风化期间释放的纤维微塑料量是洗涤期间释放量的20～40倍。原因在于风化后,织物表面出现裂纹和凹坑,织物老化导致其脆性增加,并且洗涤时洗涤机械力使得纤维碎裂,形成纤维微塑料。

2.3 废弃过程中纤维微塑料释放的影响因素

随着消费者丢弃褪色或废旧服装的数量增加,纺织品所占填埋废弃物的比例越来越大,而大多数合成纤维纺织品在填埋[50]或焚烧[51]后仍会产生纤维微塑料。在印度,大约3/4的废弃衣物最终被填埋,只有少部分的废弃衣物被回收,制成其他纺织品[52]。标准的垃圾填埋场周围设置栅栏,以减少风力作用对纤维微塑料释放的影响,但废弃服装在运输或掩埋时不可避免地产生纤维微塑料,在风力作用的影响下释放到环境中并进行持续的积累[53]。焚烧后的底灰中存在纤维微塑料,并通过对其再利用或倾倒而被运输到环境中[54],对环境产生不利影响。除此之外,废弃衣物在被回收重新制造过程中释放的纤维微塑料也会对环境造成负面影响[55]。较旧的废弃服装将会释放更多的纤维微塑料。Hartline等[35]对夹克和毛衣进行了24 h连续洗涤发现,较旧的服装相比于未穿着的服装释放更多的纤维微塑料,推测是由于旧衣物的织物结构松动,纱线捻度下降,耐磨性下降,在各种机械应力的作用下毛羽增加,进而释放更多的纤维微塑料。

3 减少纤维微塑料的措施

3.1 提升污水去除和降解效率

未处理污水中的纤维微塑料含量较高,虽然初级沉降中大部分纤维微塑料被去除[56-57],但仍有部分纤维微塑料残留在污水中。有研究表明,过滤在纤维微塑料去除中起着重要作用。Lares等[58]采集了芬兰米凯利一城市污水处理厂的废水和污泥,分别经过常规活性污泥工艺和膜生物反应器过滤,结果显示,先进的膜生物反应器(99.4%)对废水中的微塑料的去除率略好于常规活性污泥(98.3%)。因此,建议使用膜生物反应器作为首选过滤技术。Mintenig等[59]研究调查了德国萨克森州12个污水处理厂废水中的微塑料,发现污水处理厂额外安装后过滤装置,可有效提高纤维微塑料的截留率,微塑料排放量减少了97%。Baresel等[60]经过验证发现膜生物反应器、超滤和颗粒活性炭的组合可将废水中纤维微塑料的浓度降至低于检测限度。该组合提供了更高的资源利用率和安全性,可满足当前和未来城市污水处理需求,是最具有可持续性的解决方案之一。虽然上述方法可以很大程度上去除纤维微塑料,但主要是对纤维微塑料的吸附和捕集,要彻底降解和去除,还需化学与生物法联用。

电化学技术在废水处理中广泛应用,如电絮凝、电沉积和电浮选,利用电机作用于废水中的污染物,使其发生氧化还原反应,提供了不依赖于化学试剂或微生物的低成本污水处理方案。其中,电絮凝具有无化学添加、成本效益高、污泥最小化且高度自动化的优势[61],是去除污水中纤维微塑料的有效解决方法。Chen等[62]创新了一种简单并且可重复的两菌种全细胞固定化系统,用于污水处理,该系统使用生物降解,使得许多不溶性微塑料得以快速去除,真正意义上减少了污水中纤维微塑料的含量。即使是最先进的污水处理厂,纤维微塑料去除率也无法达到100%,但如果采用多方法联用,制定统一的污水处理标准,可有效提高污水处理厂纤维微塑料去除率,为今后污水处理设施的改进提供参考。

3.2 洗衣机优化

调整洗衣机的洗涤参数可以减少纤维微塑料的释放。减少衣物的洗涤频率、水的体积等对延长服装寿命、减少纤维微塑料释放产生积极影响[63]。选择合适的洗衣机类型也可以减少纤维微塑料的释放,近几年北美开发的高效波轮洗衣机比老式波轮洗衣机释放更少的纤维微塑料,聚酯摇粒绒纤维微塑料释放量减少69.7%,聚酯T恤纤维微塑料释放量减少37.4%[64]。

要进一步减少废水中纤维微塑料的含量,还需要从洗衣机的过滤器入手。Napper等[65]收集了分别装有6种不同的过滤器和无过滤装置洗衣机的洗涤废水中的纤维微塑料,经过对比实验数据发现,6种过滤器过滤范围为21%～78%,其中XFiltra过滤器效率最高,可达到78%,建议制造商更多地生产携带该过滤器的洗衣机。过滤器的孔径直接影响进入洗涤废水中的纤维微塑料数量。Browne等[66]通过模拟家庭洗衣机洗涤聚酯织物,并量化了洗涤后释放的废水中的纤维微塑料,结果发现,微米级过滤器过滤效率比毫米级过滤效率高9%。此外,过滤器的安装位置对纤维微塑料释放也会产生影响,安装在流出管处的过滤器比安装在洗衣机内部的过滤器捕获更多的纤维微塑料[67]。过滤器过滤效率受织物性能的影响具有不确定性,建议制定统一的洗涤标准并结合织物性能进一步研究过滤装置对纤维微塑料释放的影响。

3.3 规范废弃纺织产品的处理

风化作用导致垃圾填埋场产生纤维微塑料,因此需加强对垃圾填埋场的管理,尤其是对非正规垃圾填埋场的管理。垃圾填埋场必须严格执行填埋的操作标准,通过土壤覆盖和底部衬垫将垃圾与周围环境隔离,防止垃圾渗滤液中的纤维微塑料迁移到下层土壤和地下水中。堆填区的渗滤液须经收集后妥善处理,以减少纤维微塑料的释放[68-69]。研究表明,提高焚烧处理效率对于减少纤维微塑料至关重要[70]。等离子体热解被认为是比焚烧更好的技术,形成的灰烬中的纤维微塑料可减少95%[71]。Kwon等[72]利用催化热解来处理废旧纺织品,使用CO2作为热解的原材料,采用环保工艺的同时减少了纤维微塑料和有害物质的释放。消除微塑料的方法(如焚烧、填埋)成本高昂,不可持续,并且给环境带来更多的负面影响。因此,研究者更多地把重点放在了微生物降解微塑料的潜力上。一些放线菌、藻类、细菌和真菌及酶已被证明可以降解微塑料并将它们转化为环保型碳化合物,其中细菌和真菌发挥着重要作用[73]。此外,制定政策和法规来规范各部门对于废旧纺织品的处理,以最大限度地减少废旧纺织品释放纤维微塑料[74]。

4 结 论

研究发现纺织品全生命周期的各个阶段都会释放一定数量的纤维微塑料,通过深入分析织物生产过程中不同工艺对纤维微塑料释放的影响,洗涤和烘干参数对纤维微塑料脱落的影响,归纳得出机械力的施加程度是影响纤维微塑料释放量变化的关键性因素。虽然关于纤维微塑料释放因素研究取得了一定的成效,但仍有大量问题需要解决,主要如下:

1) 相比于纺织品全生命周期的其他阶段,洗涤过程中释放更多的纤维微塑料,大多数研究侧重于洗涤参数对纤维微塑料释放的研究,但对生产过程中的其他工艺及日常穿着使用中释放的纤维微塑料研究较少,作用机理不够明确,仍需进一步深入研究。

2) 洗衣机类型、水量、洗涤时间、洗涤剂都会造成纤维微塑料的脱落,但是在日常的洗涤过程中,不同的洗涤参数存在交互作用,对于不同参数下纤维微塑料的释放量最小化和洗涤效率最优化缺乏统一的洗涤标准,消费者在洗涤过程中无法获得科学的洗涤建议,不利于缓解纤维微塑料污染现状,因此这一问题是研究人员需要解决的难题。

3) 尽管从多方面采取措施可以很大程度上去除环境中的纤维微塑料,但由于去除成本高、工艺繁琐、监管力度不够等原因,仍有纤维微塑料存在于环境中。今后可基于发展先进技术、开发新型材料等方面开展深入系统的探索。

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