紡織產品全生命周期纖維微塑料的釋放因素研究

武美良, 劉廣敏, 寧 琳, 劉 紅

(1.青島大學 紡織服裝學院,青島 266071; 2.青島海爾洗衣機有限公司,青島 266100)

微塑料廣泛存在于水體、大氣、土壤等環境介質中,對生態系統和人類健康具有潛在危害,在世界范圍內引起了廣泛關注。2004年,英國學者在《Science》雜志上發表了關于海水中堆積的塑料碎片的論文,首次提出微塑料的概念——直徑小于5 mm的各種形狀的塑料碎片[1]。微塑料在世界各地的海洋和沉積物中積累,最大濃度可達100萬粒/m3[2],在人口稠密地區,微塑料的污染程度更高[3]。研究發現,室內和室外的大氣沉降物中均能觀察到微塑料[4],并且微塑料可以通過大氣運輸,到達偏遠地區[5]。

微塑料是聚合物和添加劑的混合物[6],其自身獨特的孔隙結構可以吸附環境中的有機污染物、金屬和病原體,從而增加對生物體的毒性[7]。研究表明,雙殼類動物暴露于微塑料環境8 d后,其膽堿酯酶活性顯著降低,并產生毒性效應[8]。微塑料會造成斑馬魚和秀麗隱桿線蟲腸道損傷,出現氧化應激,降低其存活率[9]。在食鹽、飲用水和空氣中檢測到微塑料,被人體攝入,對人類的呼吸和消化系統構成威脅[10]。人體免疫系統由于無法去除微塑料,會引起慢性炎癥,增加罹患腫瘤形成的風險[11]。

纖維微塑料約占水環境和沉積物中微塑料總量的40%～90%[12-13],是環境中微塑料的重要組成部分。Liu等[14]采集了上海6個監測點的懸浮大氣微塑料,分析得出纖維微塑料在懸浮大氣微塑料中占比高達67%,表明合成紡織產品是空氣中微塑料的主要來源。有研究者調查了中國武漢市漢江和長江20個城市的湖泊和城市河段地表水中的微塑料含量,發現纖維狀是微塑料中最常見的形狀[15]。纖維微塑料已廣泛存在于環境中,去除、回收或降解微塑料的技術還不足以完全消除纖維微塑料。同時,隨著人口數量及紡織品使用數量的增加,纖維微塑料的污染問題迫切需要解決。因此,本文以纖維微塑料為研究對象,系統概述纖維微塑料的概念和來源、釋放因素和機制及削減措施,重點以紡織產品全生命周期環節,即生產、使用和廢棄為分類依據,分析纖維微塑料形成的因素和釋放的機制,以期為緩解紡織行業微塑料的污染問題提供參考思路。

1 纖維微塑料的概念與來源

微塑料是具有各種形狀的塑料碎片,包括顆粒、碎片、纖維等形狀[16]。Mishra等[17]提出纖維微塑料是指在聚酯、尼龍、丙烯酸和其他合成紡織品中脫落的直徑小于10 μm的細小碎片,但并沒有全面系統地定義纖維微塑料。環境署科學專家組2019年發布了報告,提出了較為廣泛的定義,即“纖維微塑料主要指尺寸小于5 mm并且具有高長徑比的纖維狀塑料碎片”[18]。

微塑料根據來源可分為初生微塑料和次生微塑料。初生微塑料是指粒徑小于5 mm的塑料顆粒[19],包括應用于化妝品和個人護理品中的塑料微珠[20];次生微塑料主要來源于大塊塑料碎片的破裂或降解[21],這些碎片來自漁網或紡織品,以及可降解塑料的顆粒或聚合物碎片[22],其中洗滌釋放的纖維微塑料是環境中微塑料的主要來源。Peng等[23]采樣了長江口53個沉積物點的微塑料,通過密度分離提取沉積物中的微塑料,發現聚酯和丙烯酸是長江口微塑料含量最多的類型,表明長江口微塑料的主要來源是洗滌衣物產生的纖維微塑料。伴隨著纖維微塑料研究的不斷深入,研究者發現合成紡織品除了洗滌階段,其他階段由于不同因素的影響也會釋放一定數量的纖維微塑料(圖1)。如紡織品生產和加工過程中產生的印染廢水中[24];殘留在紡織品內的浮游纖維微塑料[25];合成纖維紡織品的烘干和使用過程中[26]。

圖1 紡織品全生命周期纖維微塑料的釋放

2 紡織產品全生命周期纖維微塑料釋放的影響因素

2.1 生產階段纖維微塑料釋放的影響因素

2.1.1 紡紗階段

紡紗方式影響纖維微塑料的釋放量。Cai等[27]使用超聲提取方法,對生產過程中的纖維進行提取,結果顯示,轉杯紡紗中纖維微塑料的提取量高于噴氣紡紗和環錠紡紗。其原因在于,轉杯紡紗在成紗過程中纖維更容易發生斷裂形成毛羽,伸出紗體的毛羽越多,纖維微塑料釋放的可能性越大。

2.1.2 濕加工階段

染整主要分為三個階段,分別為預處理、印染和后整理。預處理過程的燒毛、退漿和漂白工序等均會對纖維微塑料的釋放造成一定程度的影響。在印花之前,合成纖維織物會在高溫下汽蒸、皂洗、反復漂洗[28]。皂洗和漂洗與家庭洗滌過程中纖維微塑料釋放的基本原理相同,纖維微塑料的產生歸因于織物的拉伸、溶脹或磨擦。但在一定程度上,皂洗、漂洗過程中機械力施加的強度比家庭洗滌更高[29],所以會釋放更多的纖維微塑料。

染色和印花是生產過程中重要的織物處理方法之一,這一過程會導致纖維微塑料的釋放。染色過程需要添加化學添試劑(如染料、顏料)來改變纖維的特性[30],并通過水洗保持織物染色均勻。水洗過程中,水流的沖擊力使附著在織物上松散的浮游纖維微塑料脫落,水洗設備不停地轉動導致織物扭轉加劇,從而增加織物間的摩擦力造成纖維微塑料的釋放。此外,不同纖維因結構不同會影響染料分子進入纖維內部,導致其在相同溫度下的著色率不同。為了達到纖維最好的染色效果,部分纖維往往需要高溫染色[31],但高溫會對織物造成一定的損傷,導致纖維不同程度的松動,加速了水洗過程中纖維微塑料的釋放。

后整理是影響織物釋放纖維微塑料的關鍵因素之一。后整理是通過物理或化學方法來改善織物性能,包括硬挺整理、柔軟整理、軋光或起絨等工藝。整理后纖維和織物的性能變化是導致纖維微塑料釋放量變化的主要因素之一,Zambrano等[32]發現硅軟化劑會降低纖維與纖維、紗線與紗線之間的摩擦系數,織物會釋放較長的纖維微塑料,而防皺和防水整理降低了織物的耐磨性、拉伸強度和撕裂強度,有利于釋放更短的纖維微塑料。后整理后具有更高摩擦系數和表面毛羽較少的織物,纖維微塑料釋放量相對較少。

2.1.3 剪裁階段

織物剪裁過程中切割方式不同,經過水洗后纖維微塑料的釋放量存在較大差異[33]。Cai等[34]通過洗滌2種不同切割方式的紡織品發現,傳統剪刀切割織物釋放的纖維微塑料量比激光切割織物高3～21倍。剪刀切割會對織物產生額外損傷,使得紗線末端打開,導致內部存在的纖維微塑料從織物中脫落;而激光切割是利用激光束釋放的熱量使織物熔化,切割邊緣毛羽較少,脫落的纖維微塑料相應較少。

2.2 使用階段纖維微塑料釋放的影響因素

2.2.1 洗滌階段

2.2.1.1 洗衣機類型

滾筒洗衣機與波輪洗衣機由于結構不同,纖維微塑料的釋放量差異較大。Hartline等[35]分析了滾筒洗衣機與波輪洗衣機洗滌過程中纖維微塑料的釋放量發現,波輪洗衣機釋放的纖維微塑料大約是滾筒洗衣機的7倍。Yang等[36]同樣發現,在相同的洗滌條件下,波輪洗衣機對纖維微塑料的釋放量影響更大,其纖維微塑料的釋放量是滾筒洗衣機的1.08～2.13倍,如表1所示。由于波輪洗衣機的總用水量大概是滾筒洗衣機的兩倍[37],在一定程度上,波輪洗衣機依靠波輪的高速運轉所產生的水流沖擊力比滾筒洗衣機離心運動帶來的沖擊力更大,織物在波輪洗衣機內受到的洗滌機械力更大,因此波輪洗滌釋放的纖維微塑料更多。

表1 不同洗滌條件下合成纖維織物釋放出的纖維微塑料數量

2.2.1.2 水 量

較高的水量和織物比值會促使纖維微塑料的釋放。Kelly等[38]發現,聚酯織物在第一次洗滌中,高水量洗滌比低水量洗滌多釋放約80萬根纖維微塑料,由于水流穿過織物的表面和間隙,纖維受到極大的黏滯力,同時水流的沖擊力削弱了纖維的附著能力,導致更多松散的纖維微塑料從紗線上掉落,促使纖維微塑料釋放。避免高水量洗滌、選擇合適的洗滌負荷量會大大減少洗滌過程中纖維微塑料的釋放。

2.2.1.3 洗滌次數

在一定的洗滌周期內,纖維微塑料的釋放量隨洗滌次數增加而減少[39]。Pirc等[40]對深紅色羊毛毯織物進行了10次洗滌,發現第一次洗滌釋放的纖維微塑料數量最多,隨著洗滌次數的增加,纖維微塑料的釋放量總體呈下降趨勢,且從第八次洗滌開始釋放量達到相對穩定狀態(表2)。原因在于,織物生產和加工過程中各種機械力破壞和切割纖維,形成的纖維微塑料嵌入織物中,在重復洗滌時其附著能力減弱,在洗滌機械力較強時就會大量釋放。

表2 無添加劑、使用洗滌劑和使用洗滌劑與柔軟劑的聚酯毛毯的10次連續洗滌/干燥實驗

2.2.1.4 洗滌劑

研究者關于“洗滌劑的使用和洗滌劑的類型是否對纖維微塑料的釋放產生顯著影響?”存在許多的爭議。一部分研究者認為洗滌劑的使用對纖維微塑料釋放量產生一定的影響。Hernande等[41]模擬家庭洗滌,統計分析了從紡織品中釋放的纖維微塑料數量,發現洗滌劑的使用與否對纖維微塑料釋放量影響較大,但洗滌劑類型和洗滌劑添加量對纖維微塑料釋放沒有顯著影響。Falco等[42]通過分析聚酯織物洗滌后纖維微塑料的釋放量,發現在不添加洗滌劑的情況下,每克織物產生(162±52)根纖維微塑料,而使用液體洗滌劑纖維微塑料釋放量增加到(1 273±177)根,使用粉末洗滌劑纖維微塑料釋放量增加到(3 538±664)根。Falco的研究認為,由于粉末洗滌劑含有不溶于水的無機化合物,如沸石,在洗滌時很容易與織物間摩擦,產生纖維微塑料,因此粉末洗滌劑比液體洗滌劑更有利于纖維微塑料釋放。兩篇研究均發現使用洗滌劑會促進纖維微塑料的釋放,洗滌劑中的表面活性劑削弱了纖維之間的抱合力,織物在洗滌機械力的進一步影響下,加速了纖維微塑料的釋放。

一部分研究者認為洗滌劑的使用對纖維微塑料釋放量產生的影響較小。Bishop等[43]研究表明,雖然洗滌時洗滌劑產生的泡沫,對織物起到潤濕作用,減少了纖維之間的摩擦,但它們在洗滌過程中大部分被吸附和洗掉,洗滌劑一般不會引起纖維和織物性能的改變,所以纖維微塑料的釋放與是否使用洗滌產品無關。實驗方法、洗滌劑成分、洗滌參數和織物性能的不同,很可能是導致不同研究者研究結果存在差異的原因,還需進一步深入的研究。

2.2.2 烘干階段

紡織產品烘干是纖維微塑料排放到環境中的另一個主要方式。O’brien等[44]以家用通風干燥器為研究對象,對房間內聚酯羊毛毯釋放的纖維微塑料進行了取樣,發現在房間中纖維微塑料的平均值為(6.4±9.2)根,干燥機中為(8.8±8.5)根,樣品中為(58±60)根,證實了烘干織物會產生纖維微塑料。此外,雖然干燥器的內置過濾系統會捕獲部分纖維微塑料,但仍有一部分纖維微塑料釋放到周圍空氣中。干燥過程影響纖維微塑料的釋放規律與洗滌過程有相似之處,例如,短纖維相對于長絲纖維更容易在干燥中脫落;纖維容易從結構寬松的織物中斷裂;在連續干燥過程中,纖維微塑料排放量隨著干燥次數的增加呈下降趨勢[45]。Pirc等[40]對聚酯羊毛毯在滾筒干燥過程中釋放的纖維微塑料進行分析,研究發現,10次連續的干燥循環中纖維微塑料排放量均呈下降趨勢。家庭干燥大多在室內進行,這些纖維微塑料會漂浮在空氣或積聚在灰塵中,在人類接觸含有灰塵或空氣沉積物的食物后[46],對人體健康產生不利的影響。

2.2.3 日常穿著使用階段

合成纖維紡織品在日常使用中也會釋放一定數量的纖維微塑料,如日常穿著中的摩擦、外出時或洗滌后日曬等。研究人員用Martindale測試儀對由聚酯制成的起絨和雙羅紋織物進行磨損實驗,結果顯示,經過磨損的織物釋放纖維微塑料的數量是未磨損織物的5～30倍[47]。摩擦后織物表面分裂出細小的纖維是纖維微塑料釋放量增加的原因。Yang等[48]用Martindale測試儀對12種不同的聚酯織物進行了紡織品磨損測試,結果顯示,紡織品在5 000次摩擦后釋放的纖維微塑料是洗滌的10倍以上,主要由于在連續摩擦力的影響下,纖維到達疲勞點,纖維受損斷裂并釋放出纖維微塑料。Pinlova等[49]將4種不同結構的聚酯織物放入風化室,并使用Q濾光片模擬自然光照射織物2個月,通過洗滌提取纖維微塑料,結果表明,織物在風化期間釋放的纖維微塑料量是洗滌期間釋放量的20～40倍。原因在于風化后,織物表面出現裂紋和凹坑,織物老化導致其脆性增加,并且洗滌時洗滌機械力使得纖維碎裂,形成纖維微塑料。

2.3 廢棄過程中纖維微塑料釋放的影響因素

隨著消費者丟棄褪色或廢舊服裝的數量增加,紡織品所占填埋廢棄物的比例越來越大,而大多數合成纖維紡織品在填埋[50]或焚燒[51]后仍會產生纖維微塑料。在印度,大約3/4的廢棄衣物最終被填埋,只有少部分的廢棄衣物被回收,制成其他紡織品[52]。標準的垃圾填埋場周圍設置柵欄,以減少風力作用對纖維微塑料釋放的影響,但廢棄服裝在運輸或掩埋時不可避免地產生纖維微塑料,在風力作用的影響下釋放到環境中并進行持續的積累[53]。焚燒后的底灰中存在纖維微塑料,并通過對其再利用或傾倒而被運輸到環境中[54],對環境產生不利影響。除此之外,廢棄衣物在被回收重新制造過程中釋放的纖維微塑料也會對環境造成負面影響[55]。較舊的廢棄服裝將會釋放更多的纖維微塑料。Hartline等[35]對夾克和毛衣進行了24 h連續洗滌發現,較舊的服裝相比于未穿著的服裝釋放更多的纖維微塑料,推測是由于舊衣物的織物結構松動,紗線捻度下降,耐磨性下降,在各種機械應力的作用下毛羽增加,進而釋放更多的纖維微塑料。

3 減少纖維微塑料的措施

3.1 提升污水去除和降解效率

未處理污水中的纖維微塑料含量較高,雖然初級沉降中大部分纖維微塑料被去除[56-57],但仍有部分纖維微塑料殘留在污水中。有研究表明,過濾在纖維微塑料去除中起著重要作用。Lares等[58]采集了芬蘭米凱利一城市污水處理廠的廢水和污泥,分別經過常規活性污泥工藝和膜生物反應器過濾,結果顯示,先進的膜生物反應器(99.4%)對廢水中的微塑料的去除率略好于常規活性污泥(98.3%)。因此,建議使用膜生物反應器作為首選過濾技術。Mintenig等[59]研究調查了德國薩克森州12個污水處理廠廢水中的微塑料,發現污水處理廠額外安裝后過濾裝置,可有效提高纖維微塑料的截留率,微塑料排放量減少了97%。Baresel等[60]經過驗證發現膜生物反應器、超濾和顆粒活性炭的組合可將廢水中纖維微塑料的濃度降至低于檢測限度。該組合提供了更高的資源利用率和安全性,可滿足當前和未來城市污水處理需求,是最具有可持續性的解決方案之一。雖然上述方法可以很大程度上去除纖維微塑料,但主要是對纖維微塑料的吸附和捕集,要徹底降解和去除,還需化學與生物法聯用。

電化學技術在廢水處理中廣泛應用,如電絮凝、電沉積和電浮選,利用電機作用于廢水中的污染物,使其發生氧化還原反應,提供了不依賴于化學試劑或微生物的低成本污水處理方案。其中,電絮凝具有無化學添加、成本效益高、污泥最小化且高度自動化的優勢[61],是去除污水中纖維微塑料的有效解決方法。Chen等[62]創新了一種簡單并且可重復的兩菌種全細胞固定化系統,用于污水處理,該系統使用生物降解,使得許多不溶性微塑料得以快速去除,真正意義上減少了污水中纖維微塑料的含量。即使是最先進的污水處理廠,纖維微塑料去除率也無法達到100%,但如果采用多方法聯用,制定統一的污水處理標準,可有效提高污水處理廠纖維微塑料去除率,為今后污水處理設施的改進提供參考。

3.2 洗衣機優化

調整洗衣機的洗滌參數可以減少纖維微塑料的釋放。減少衣物的洗滌頻率、水的體積等對延長服裝壽命、減少纖維微塑料釋放產生積極影響[63]。選擇合適的洗衣機類型也可以減少纖維微塑料的釋放,近幾年北美開發的高效波輪洗衣機比老式波輪洗衣機釋放更少的纖維微塑料,聚酯搖粒絨纖維微塑料釋放量減少69.7%,聚酯T恤纖維微塑料釋放量減少37.4%[64]。

要進一步減少廢水中纖維微塑料的含量,還需要從洗衣機的過濾器入手。Napper等[65]收集了分別裝有6種不同的過濾器和無過濾裝置洗衣機的洗滌廢水中的纖維微塑料,經過對比實驗數據發現,6種過濾器過濾范圍為21%～78%,其中XFiltra過濾器效率最高,可達到78%,建議制造商更多地生產攜帶該過濾器的洗衣機。過濾器的孔徑直接影響進入洗滌廢水中的纖維微塑料數量。Browne等[66]通過模擬家庭洗衣機洗滌聚酯織物,并量化了洗滌后釋放的廢水中的纖維微塑料,結果發現,微米級過濾器過濾效率比毫米級過濾效率高9%。此外,過濾器的安裝位置對纖維微塑料釋放也會產生影響,安裝在流出管處的過濾器比安裝在洗衣機內部的過濾器捕獲更多的纖維微塑料[67]。過濾器過濾效率受織物性能的影響具有不確定性,建議制定統一的洗滌標準并結合織物性能進一步研究過濾裝置對纖維微塑料釋放的影響。

3.3 規范廢棄紡織產品的處理

風化作用導致垃圾填埋場產生纖維微塑料,因此需加強對垃圾填埋場的管理,尤其是對非正規垃圾填埋場的管理。垃圾填埋場必須嚴格執行填埋的操作標準,通過土壤覆蓋和底部襯墊將垃圾與周圍環境隔離,防止垃圾滲濾液中的纖維微塑料遷移到下層土壤和地下水中。堆填區的滲濾液須經收集后妥善處理,以減少纖維微塑料的釋放[68-69]。研究表明,提高焚燒處理效率對于減少纖維微塑料至關重要[70]。等離子體熱解被認為是比焚燒更好的技術,形成的灰燼中的纖維微塑料可減少95%[71]。Kwon等[72]利用催化熱解來處理廢舊紡織品,使用CO2作為熱解的原材料,采用環保工藝的同時減少了纖維微塑料和有害物質的釋放。消除微塑料的方法(如焚燒、填埋)成本高昂,不可持續,并且給環境帶來更多的負面影響。因此,研究者更多地把重點放在了微生物降解微塑料的潛力上。一些放線菌、藻類、細菌和真菌及酶已被證明可以降解微塑料并將它們轉化為環保型碳化合物,其中細菌和真菌發揮著重要作用[73]。此外,制定政策和法規來規范各部門對于廢舊紡織品的處理,以最大限度地減少廢舊紡織品釋放纖維微塑料[74]。

4 結 論

研究發現紡織品全生命周期的各個階段都會釋放一定數量的纖維微塑料,通過深入分析織物生產過程中不同工藝對纖維微塑料釋放的影響,洗滌和烘干參數對纖維微塑料脫落的影響,歸納得出機械力的施加程度是影響纖維微塑料釋放量變化的關鍵性因素。雖然關于纖維微塑料釋放因素研究取得了一定的成效,但仍有大量問題需要解決,主要如下:

1) 相比于紡織品全生命周期的其他階段,洗滌過程中釋放更多的纖維微塑料,大多數研究側重于洗滌參數對纖維微塑料釋放的研究,但對生產過程中的其他工藝及日常穿著使用中釋放的纖維微塑料研究較少,作用機理不夠明確,仍需進一步深入研究。

2) 洗衣機類型、水量、洗滌時間、洗滌劑都會造成纖維微塑料的脫落,但是在日常的洗滌過程中,不同的洗滌參數存在交互作用,對于不同參數下纖維微塑料的釋放量最小化和洗滌效率最優化缺乏統一的洗滌標準,消費者在洗滌過程中無法獲得科學的洗滌建議,不利于緩解纖維微塑料污染現狀,因此這一問題是研究人員需要解決的難題。

3) 盡管從多方面采取措施可以很大程度上去除環境中的纖維微塑料,但由于去除成本高、工藝繁瑣、監管力度不夠等原因,仍有纖維微塑料存在于環境中。今后可基于發展先進技術、開發新型材料等方面開展深入系統的探索。

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