廢舊塑料處置地土壤中多溴聯苯醚污染特征分析

王玉婷，劉 崗，朱興達

（杭州科運環境技術有限公司，浙江 杭州 310015）

由于多溴聯苯醚（PBDEs）具有跨區域傳輸、能夠在生物體內累積等特點，已被列入持久污染物名單。現階段，該化合物主要作為阻燃劑用于產品加工中，其中塑料制品所含的PBDEs需要與聚合物進行機械混合，由于機械混合不會形成對應的化學鍵，因而該化合物極易脫離產品釋放到外界環境中，導致環境受到不同程度的污染。近幾年，各國學者均將目光聚焦于PBDEs，希望能準確掌握該化合物的污染特點，從而對其加以抑制。

1 研究背景

眾所周知，塑料雖然能夠為人們的生活提供便利，卻也會對環境造成危害。在工業水平持續提高的當下，塑料開始被頻繁用于各個行業，使廢舊塑料的總量隨之增加。研究表明，平均每1萬t的廢舊塑料就要侵占667 m2的土地，因而圍繞廢舊塑料所帶來影響的展開討論已成為大勢所趨[1]。目前，國內處理塑料主要用焚燒和填埋法，焚燒法會污染空氣，填埋法則會浪費土地并影響環境，這是因為目前沒有消化、分解塑料的酶和細菌，因而塑料無法被降解，且隨著塑料填埋量的增多，土壤特質、地下水源均會受到影響。為解決該問題，各行各業選擇對廢舊塑料進行二次利用，雖然能夠實現塑料價值的最大化，避免土地浪費，但也會生成污染環境的物質，其中，最具有代表性的就是PBDEs。

2 多溴聯苯醚(PBDEs)介紹

2.1 理化性質

作為溴代阻燃劑，PBDEs已在日用品、電子產品和建筑等領域得到廣泛運用，其理化性質如下：其一，PBDEs具有穩定的物化性質，在室溫環境下，可表現出極強的親脂性，能夠聚集在食物鏈生物體內。其二，PBDEs水溶性相對較低，其水體容積與溴原子數量的關系為負相關。其三，PBDEs的沸點在310～1425 ℃間，且蒸汽壓偏低。其四，PBDEs具有極為穩定的化學結構，這也決定了該化合物能夠長期存在于環境中，并且在對其進行燃燒或熱分解期間，將會產生大量的PBDFs以及PBDDs。

2.2 毒性

PBDEs具有以下毒性：生殖毒性。該化合物與黃體、雄性或雌性激素受體相遇后，將產生毒性，縮短懷孕周期，影響嬰兒運動神經的發育；發育神經毒性。該化合物會對兒童及幼年生物產生嚴重影響，導致生物體神經發育滯后[2]；分泌干擾毒性。該化合物會干擾甲狀腺系統的正常運行，引起相應的疾病；該化合物還存在一定累及生物體免疫系統、肝臟及腎臟器官的概率。

2.3 使用情況

PBDEs具有極為突出的優點，具體包括：市場單價較低，對材料性能產生的影響可以忽略不計，具有良好的熱穩定性與阻燃性，且使用量相對較少。現階段，諸多領域都能夠看到PBDEs的身影，雖然該化合物的同系物多達209種，但僅有三類使用頻率較高，首先是十溴二苯醚，該物質多用于塑料、橡膠行業，例如合成產品所需纖維、聚苯乙烯或ABS樹脂。其次是八溴二苯醚，該物質已成為汽車零件、電話等電子產品不可或缺的原料。最后是五溴二苯醚，該物質主要用于紡織品、保溫材料的加工。

3 前期準備

3.1 實驗試劑

實驗開始前，先要準備內標物，多溴聯苯醚單標，色譜純二氯甲烷，色譜純正己烷，分析純硅膠、銅片、無水硫酸鈉及氧化鋁，其中，硅膠及氧化鋁的參數為75～150 μm[3]。

3.2 實驗儀器

本項目需要用到下列儀器：由科璽公司生產的超聲清洗儀，清洗頻率是40 kHz，運行功率能夠達到360 W；亞榮儀器廠生產的旋轉蒸發儀；奧盛公司生產的氮吹儀。

3.3 實驗條件

3.3.1 質譜

儀器離子源是NCl，其溫度是150 ℃，反應氣是濃度為99.9%以上的甲烷。儀器搭載四級桿的溫度同樣是150 ℃，連接傳輸線的溫度是280 ℃。測量溶劑延遲能夠控制在6 min左右，掃描范圍為50～900 amu。

3.3.2 色譜

儀器色譜柱材質為彈性石英，載氣以氦氣為主，氦氣濃度能夠達到99.9%以上，柱流量可恒定在1 mL/min，儀器進樣溫度是250 ℃。實驗開始前，先將PBDEs分成兩組，其中，高溴組采取分流進樣，低溴組采取不分流進樣法。初始溫度是80 ℃，0.75 min后升溫，升溫速度為10 ℃/min，溫度達到240 ℃后，升溫速度改為20 ℃/min，待溫度達到290 ℃，等待10 min再降溫[4]。

4 實驗方法

為了全面掌握PBDEs特性及其對環境的影響，研究人員研究了塑料的處置地，根據土地功能定位采樣，以明確不同類型土壤的污染程度，為日后開展評估環境風險等工作提供依據。

4.1 制備層析柱

（1）氧化鋁：先用甲醇對氧化鋁進行30 min的超聲萃取，再改為二氯甲烷進行30 min的萃取。隨后，將萃取后的物質轉移到馬弗爐內，并將馬弗爐的溫度調至250 ℃，進行為期12 h的活化，并盡快加入質量分數為3%的超純水進行去活化，最后將制備所得物質充分搖勻，并轉移到干燥器內備用。

（2）堿性硅膠：準確稱取適量的中性硅膠，按照1：3的質量比，向中性硅膠內加入適量的堿性硅膠（堿性硅膠濃度為1 mol/L），充分混合后，將混合物質轉移到干燥器內備用[5]。

（3）中性硅膠：制備步驟如下：第一步，用甲醇對層析所需的中性硅膠進行30 min的超聲萃取。第二步，用二氯甲烷進行二次萃取，萃取時長同樣控制在30 min。第三步，將萃取物轉移到通風櫥中，風干后放入馬弗爐內，將馬弗爐溫度調至180 ℃，進行為期12 h的活化。第四步，加入質量分數為3%的超純水，達到去活化的目的。第五步，充分搖勻并轉移到干燥器內備用。

（4）酸性硅膠：稱取一定量的中性硅膠，按照56:44的質量比，向中性硅膠內加入適量酸性硅膠，將不同類型硅膠充分搖勻后，轉移到干燥器內備用。

（5）活化銅片：將銅片完全浸入20%濃度的HCl溶液內，等30 min將其取出，用超純水進行初步清洗，再用丙酮、正己烷徹底清洗。隨后將其轉移到通風櫥中，確保銅片能夠徹底風干。

（6）無水硫酸鈉：將該物質放入馬弗爐內，將馬弗爐調至450 ℃，進行4 h的烘烤。隨后將經過烘烤的無水硫酸鈉轉移到干燥器內。

（7）制備復合柱：利用干法裝填層析柱（層析柱表面有篩孔，長度為35 cm，內徑為1 cm），裝填物質自下而上分別是①中性氧化鋁②中性硅膠③堿性硅膠④中性硅膠⑤酸性硅膠⑥無水硫酸鈉，裝填高度依次為6 cm/2 cm/5 cm/2 cm/8 cm/2 cm（如圖1所示）。層析柱所裝填無水硫酸鈉需先用馬弗爐進行4 h的烘烤（烘烤溫度為450 ℃），待經過烘烤的物質完全干燥，方可將其轉移到干燥器內備用。

圖1 層析柱

4.2 采集樣品

本項目以某處理廢舊塑料的區域為研究對象，該地所處理的塑料多為生活塑料，夾雜少量的電子塑料，其環境特征如下：現場以河流堆積地貌為主，冬季的主導風向為北風，而夏季的主導風向為南風，其他季節并沒有固定的主導風向。考慮到該地存在大量作坊，各作坊通過道路連接，研究人員決定分別在作坊內、作坊附近2 km處和連接各作坊的道路上布設采樣點（如圖2所示），收集10 cm的表層土壤，將4個樣品混為1組，通過四分法除去無用樣品，最終得到30組樣品。在現場布設采樣點時，應保證采樣點附近不存在翻新土、回填土，以免影響測定結果。在獲得實驗所需的自然原土后，先去除土壤內混入的金屬碎屑、塑料，再將其轉移到已用的經有機試劑清潔后的鋁箔紙上，仔細包好樣品，將全部樣品放入隨身攜帶的保溫箱內。到達實驗室后，盡快取出樣品，將其放在20 ℃以下的環境下風干，待樣品完全風干，再使用粉碎機將其粉碎，用篩孔直徑為0.25 mm的60目篩反復過濾樣品，最后將經過處理的樣品倒入磨口樣品瓶內，并將樣品瓶放到-20 ℃的環境下保存備用。

圖2 采樣點

4.3 處理樣品

研究人員雖然對所采集樣品進行了提取，但仍無法保證樣品不含有腐殖酸等干擾測量結果的物質，要想避免該情況出現，關鍵是要對所提取樣品進行深度凈化，確保其所含大分子等物質能夠被盡數去除。以往，研究人員普遍選擇利用亞硫酸鹽、活化銅對土壤所含硫化物、沉積物進行去除，上述方法均存在較為明顯的不足，其中，亞硫酸鹽需要進行反復地萃取和過濾，因而提高了實驗的難度，而活化銅會影響十溴二苯醚的濃度，導致分析結果與實際情況存在較大出入。

本項目所采用的處理方法如下：精準稱取10 g已充分磨碎的樣品，并將樣品轉移到提前準備好的離心管內（離心管容量為50 mL），按照1:1的比例混合二氯甲烷、正己烷，并對30 mL混合所得的溶液進行15 min的超聲提取，及時收集提取液，隨后，再次向容器內注入混合液，并進行20 min的超聲提取。將兩次所收集提取液進行合并，先利用無水硫酸鈉進行干燥，再利用銅片進行脫硫，上述工作結束后，再對合并提取液進行旋轉蒸發，待提取液蒸發到3 mL左右時，便可將其轉移到層析柱中，淋洗5 mL的正己烷，利用70 mL預制混合液對其進行洗脫，再將洗脫液統一收入指定容器中，并通過旋轉蒸發的方式獲得1 mL旋蒸液。最后，將旋蒸液轉移到玻璃材質的離心管內，并向管內注入適量的微弱氮氣，待管內的物質被定容到0.2 mL時，便可以加入特定標的物，從而完成測定。該方法能夠有效避免傳統方法存在的不足，并在保證樣品質量的前提下，還能夠提升處理速度，以便為后續的操作預留更加充足的時間。

4.4 注意事項

本項目研究過程中應注意以下事項：其一，利用BDE進行定性，把實驗對象分成兩組，分別對高溴組、低溴組進行定量，并通過內標法繪制標準曲線。其二，在研究過程中，要酌情引入加標空白以及方法空白，以保證分析質量，并基于空白樣判斷容器的潔凈程度及試劑的有效性。

5 研究結果

5.1 PBDEs組成

研究樣品含有21類同系物，不同溴原子生成化合物的占比存在顯著差異，其中，占比最大的化合物為10-BDEs，占比最小的化合物為3-BDEs。

5.2 污染程度

處置地有大量庭院作坊，不同作坊內的土壤污染程度有所不同，按照污染嚴重程度排序，由高到低依次為作坊內土壤、道路土壤、附近土壤，由此可見，雖然道路緊靠作坊，但受車輛運輸、土壤硬化程度的影響，其PBDEs累積速度明顯低于作坊內的土壤。

5.3 PBDEs的來源

PBDEs主要源于工業品，為全面了解處置地PBDEs的來源，研究人員對土壤的成分進行了分析，其中，PC1高載荷同系物主要來源于十溴聯苯醚，低溴代物主要來源于該類工業品的降解物。PC2相似載荷同系物主要源于五溴聯苯醚、十溴聯苯醚，由于國內五溴聯苯醚的用量較少，故推測土壤中所含有的該化合物主要源自進口塑料。PC3相似載荷同系物則源于八溴聯苯醚。

5.4 各區域對比

對比處置地和其他區域可知，本項目所研究處置地PBDEs的污染程度基本與生產聚氨酯泡沫、拆解電子垃圾的區域相同。其中，拆解電子垃圾區域的PBDEs主要源于電器外殼、內部線路板，上述產品往往含有大量的PBDEs，電路板所含的PBDEs濃度能夠達到約11000 μg/g。國內大多使用濃酸、焚燒或破碎的方式拆解電子垃圾并提取其中的金屬，常規拆解方法極易造成PBDEs的大量釋放，污染土壤。

本項目所研究區域，主要負責處理塑料瓶和其他生活、生產塑料，塑料PBDEs的濃度遠低于電子產品。以玩具為例，市面上常見玩具所含的PBDEs濃度往往不會超過5340 μg/g，加之處置塑料的方式相對環保，通常為清洗、破碎、造粒及加工成型，無形中降低了PBDEs對土壤造成的影響，但即便如此，該地PBDEs的濃度仍明顯高于城市土壤。

通過分析可知，處置地PBDEs的成分和處置電子廢物的地區存在明顯差異，該地區土壤所含的十溴聯苯醚濃度高，這是因為該地區的處置對象是以環氧樹脂、聚乙烯和ABS樹脂為主，以上物質均含有大量的十溴聯苯醚，僅有少數電子產品會用到該類物質。另外，處置地所含的八溴聯苯醚濃度偏低，原因是該物質多存在于熱固塑料及聚碳酸酯內，主要用于制作電子產品的后蓋和外殼。而該區地五溴聯苯醚濃度低的原因是該物質往往聚集在纖維、環氧樹脂和聚酯內，塑料制品通常不需要用到這些物質。

6 結論

現將研究所得結論歸納如下：首先，本項目所研究處置地的PBDEs污染較為嚴重，但低于拆解電子垃圾的地區，各區域污染程度存在明顯差異。其次，該地區含十溴聯苯醚濃度較高。最后，該地區土壤已累積大量PBDEs，應引起有關部門的重視，并盡快采取恰當手段降低污染，以免對附近居民及生物健康造成不良影響。