电化学-酶促混合工艺在塑料回收设施中有效去除微塑料和纳米塑料

《Journal of Water Process Engineering》：Electrochemical-enzymatic hybrid process achieves effective removal of micro- and nanoplastic in plastic recycling facilities

微塑料和纳米塑料在塑料回收过程中产生，现有污水处理技术难以有效去除。本研究开发了一组合成系统，通过连续式电化学沉淀反应器实现99%微塑料和84%纳米塑料去除，并利用Novozym?51032酶解回收对苯二甲酸，构建了从污染控制到资源回收的闭环体系，纳米透镜增强拉曼光谱为量化分析提供了新方法。

　　这项研究聚焦于塑料回收过程中微塑料和纳米塑料（MNPs）的排放问题，提出了一种集成电化学捕获与酶解降解的混合系统，以有效防止这些微小塑料颗粒进入环境。随着塑料在日常生活和工业中的广泛应用，其产生的废弃物也日益增加，这不仅对自然生态系统造成威胁，也对人类健康构成潜在风险。因此，开发高效的回收和处理技术显得尤为重要。

塑料回收作为减少塑料污染的重要手段，近年来得到了广泛应用。然而，这一过程本身却成为微塑料和纳米塑料的主要来源。传统的回收方法，如破碎、清洗和造粒，虽然能够实现塑料的再利用，但同时也导致大量微塑料和纳米塑料的产生。这些微小颗粒由于体积极小，能够吸附多种污染物，甚至穿透生物细胞和组织，从而对生态环境和人体健康造成严重影响。目前，对于MNPs的检测和定量分析仍面临诸多挑战，尤其是在工业废水处理领域，常规的分析技术难以准确识别和量化这些微小颗粒。

面对这一问题，研究团队设计并开发了一种新型的电化学捕获（EC）反应器，以提高对MNPs的捕获效率。传统的捕获方法，如过滤和化学凝聚，虽然在一定程度上能够去除微塑料，但存在诸多局限。例如，过滤过程容易因滤膜堵塞而降低效率，且对更小尺寸的颗粒去除能力有限。而化学凝聚虽然可以弥补过滤的不足，但可能导致处理后的水体浊度增加，并产生大量污泥。因此，研究团队选择电化学捕获技术作为主要的捕获手段，因为它不仅能够高效捕获亚微米颗粒，还能减少化学品的使用，从而降低对环境的影响。

为了进一步提高系统的性能，研究团队对EC反应器进行了多项技术改进。这些改进包括反应器的连续设计、电极布局的优化以及流体流动的控制，以减少非反应区域，提高捕获效率。此外，为了更准确地检测和分析纳米塑料，研究团队引入了先进的分析方法，如纳米透镜增强的拉曼光谱技术，以及冻融放大技术。这些方法显著提升了纳米塑料的检测精度和成分分析能力，为后续的处理和降解提供了可靠的数据支持。

在实际应用中，研究团队首先对EC反应器的性能进行了评估，重点考察其对微塑料的去除效率。结果显示，该反应器在单阶段处理中能够实现超过99%的微塑料去除率，对纳米塑料的去除率也达到了84%。这一结果表明，EC反应器在捕获MNPs方面具有显著优势，能够有效应对传统方法的不足。接下来，研究团队对捕获的MNPs进行了酶解降解处理，使用市售的脂肪酶Novozym? 51032将其转化为低分子量有机物。这种处理方式不仅能够防止MNPs的环境释放，还能实现对特定化学物质，如对苯二甲酸（TPA）的资源回收，从而推动循环经济的发展。

此外，研究团队还强调了这种混合系统在环境管理和资源回收方面的潜力。通过结合电化学捕获和酶解降解两种机制，该系统能够在塑料回收过程中有效去除MNPs，同时实现对TPA等有价值物质的回收。这一成果不仅有助于减少塑料污染，还能提高资源利用效率，符合可持续发展的理念。研究团队指出，尽管目前在工业废水处理领域对MNPs的研究仍处于初步阶段，但随着技术的不断优化和多阶段验证的进行，有望实现MNPs的近零排放。

研究团队还提到，他们此前的研究表明，在机械回收过程中，洗水中产生的MNPs中，纳米塑料的生成量明显高于微塑料。这进一步突显了纳米塑料在环境中的潜在危害。由于其体积小、表面积大，纳米塑料更容易吸附有害物质，并在环境中长期存在，对生态系统和人类健康构成持续威胁。因此，开发高效的纳米塑料捕获和降解技术具有重要意义。

在实验过程中，研究团队采用了多种先进的分析技术，以确保对MNPs的准确检测和定量分析。这些技术包括使用纳米透镜增强的拉曼光谱和冻融放大技术，这些方法不仅提高了检测的灵敏度，还能提供更详细的成分信息。通过这些技术，研究团队能够全面评估EC反应器的性能，并为后续的处理和降解提供可靠的数据支持。

研究团队还提到，传统的MNPs处理方式，如焚烧和填埋，虽然能够去除这些微小颗粒，但可能导致其通过空气排放或渗滤液重新进入环境。因此，开发一种能够将MNPs转化为无害物质的处理技术显得尤为重要。研究团队提出的酶解降解技术，不仅能够有效分解聚合物结构，还能实现对特定化学物质的回收，从而减少对环境的负面影响。

此外，研究团队还强调了该混合系统在实际应用中的可行性。通过技术改进和优化，该系统能够适应商业塑料回收设施的需求，实现高效的MNPs去除和资源回收。研究团队认为，这种系统不仅能够解决当前塑料回收过程中MNPs的排放问题，还能为未来的环保技术发展提供新的思路和方向。

在研究过程中，研究团队采用了多种实验手段，以确保结果的准确性和可靠性。这些手段包括对EC反应器的连续设计，以提高其处理效率；对电极布局的优化，以减少非反应区域；以及对流体流动的控制，以确保MNPs能够均匀分布并有效捕获。这些改进显著提升了EC反应器的性能，使其能够满足工业废水处理的需求。

研究团队还对纳米塑料的检测和分析进行了深入探讨。他们指出，纳米塑料由于体积极小，传统的分析技术难以准确识别和量化其含量。为了克服这一问题，研究团队引入了先进的分析方法，如纳米透镜增强的拉曼光谱和冻融放大技术。这些方法不仅提高了检测的精度，还能提供更详细的成分信息，为后续的处理和降解提供了可靠的数据支持。

在实际应用中，研究团队对捕获的MNPs进行了酶解降解处理。他们使用市售的脂肪酶Novozym? 51032，这是一种高效的酶制剂，能够有效分解聚合物结构。通过这种处理方式，MNPs被转化为低 molecular weight organics，从而减少其对环境的潜在危害。同时，研究团队还发现，这种处理方式能够实现对特定化学物质，如对苯二甲酸（TPA）的资源回收，为循环经济的发展提供了新的可能性。

研究团队还提到，这种混合系统在实际应用中具有显著优势。首先，它能够有效捕获MNPs，减少其对环境的污染；其次，它能够实现对特定化学物质的资源回收，提高资源利用效率；最后，它能够通过多种先进的分析技术，提供更详细的成分信息，为后续的处理和降解提供科学依据。这些优势使得该系统在工业废水处理领域具有广阔的应用前景。

此外，研究团队还对系统的能量效率进行了评估。他们指出，该混合系统在捕获和降解MNPs的过程中，能够实现较高的能量效率，从而降低运行成本。这一结果表明，该系统不仅在环保方面具有优势，还能在经济性方面得到优化。研究团队认为，这种系统的推广和应用，将有助于减少塑料污染，提高资源利用效率，并推动环保技术的发展。

在研究过程中，研究团队还对纳米塑料的来源和分布进行了探讨。他们指出，纳米塑料主要来源于机械回收过程中的破碎、清洗和造粒等步骤。由于这些步骤会产生大量微小颗粒，纳米塑料的生成量远高于微塑料。因此，开发高效的纳米塑料捕获和降解技术，对于减少塑料污染具有重要意义。研究团队认为，这种技术的推广和应用，将有助于解决当前塑料回收过程中MNPs的排放问题，并为未来的环保技术发展提供新的思路和方向。

总之，这项研究通过开发一种集成电化学捕获与酶解降解的混合系统，有效解决了塑料回收过程中MNPs的排放问题。该系统不仅能够高效捕获MNPs，还能实现对特定化学物质的资源回收，从而推动循环经济的发展。研究团队认为，这种系统的推广和应用，将有助于减少塑料污染，提高资源利用效率，并推动环保技术的发展。未来，随着技术的不断优化和多阶段验证的进行，有望实现MNPs的近零排放，为可持续发展提供新的解决方案。