简单却有效：利用未经改性的商用三聚氰胺泡沫来减少垃圾填埋场渗滤液中的微塑料

《Journal of Environmental Management》：Simple but effective: minimizing microplastics from landfill leachate utilizing unmodified commercial melamine foam

微塑料污染治理研究中，商用三聚氰胺泡沫（MF）展现出高效可重复吸附特性，在流动水条件下5分钟内吸附效率达91-97%，20次循环后仍保持95%以上效率，并通过热解转化为氮掺杂碳实现资源回收。实地测试显示连续62天去除率达95%，经济与环境评估验证其可持续性，为工业材料再利用提供新路径。

　　

张一帆|杨婷婷|徐慧|陈晨|冯有志|刘英瑶|段晶晶|刘瑞倩|薛丽红|何世英

中国江苏省南京市210014，江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，农业农村部长江下游农业环境重点实验室

摘要

微塑料（MP）污染已成为对生态系统的全球性威胁，

然而当前的修复策略受到复杂制备过程和高成本的限制，阻碍了其规模化应用。本研究提出了一种可扩展的解决方案，即重新利用商业化的三聚氰胺泡沫（MF）——这种工业制造的低成本材料，在水生系统中实现微塑料的原位捕获。在流动水条件下，MF能够快速（<5分钟）且高效（91–97%）地吸附多种微塑料，包括聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚乳酸（PLA）。机理研究表明，吸附过程主要受氢键和静电相互作用的影响。MF具有出色的重复使用性，在20次循环使用后仍能保持95%以上的吸附效率，而且回收的MF/MP复合材料通过热解被升级为氮掺杂碳，提高了可持续性。在中国南京的一个城市固体废物填埋场（MSWL）进行的现场测试显示，62天内微塑料去除率超过95%，证明了其在实际应用中的有效性。蒙特卡洛模拟和生命周期评估（LCA）进一步证实了该方法的经济可行性和环境可持续性。通过架起材料研究与工程实践之间的桥梁，本研究建立了一种使用现有工业材料进行可扩展、环境友好的微塑料修复方法。

引言

由于塑料的多功能性，它们在现代社会中变得不可或缺，但也产生了大量的塑料废弃物（Law和Narayan，2022年）。通常，大型塑料废弃物可以通过过滤或絮凝等方法去除。然而，一些塑料在环境降解过程中（包括风化、机械磨损、紫外线辐射和微生物作用）逐渐分解为纳米/微塑料（NPs/MPs）（Maddison等人，2023年）。这些持久性污染物现已渗透到几乎所有生态系统中，并在自然水体、饮用水、空气、土壤甚至食物链中被检测到（Kabir等人，2023年；Thompson等人，2024年）。特别令人担忧的是它们通过水生生物的传递，对生态健康和人类安全构成重大风险（Liu等人，2022年）。

目前针对NPs/MPs的修复技术存在关键限制。虽然生物降解（Zhai等人，2024年）、吸附（Zhang等人，2025年）、化学氧化（Lu等人，2022年）、混凝（Liu等人，2023年）和膜过滤（Sarkar等人，2021年）等方法显示出潜力，但吸附技术因其操作简便、反应条件温和和适用范围广泛而脱颖而出。先进材料如MXene（Ju等人，2024年）、磁性碳纳米管（Tang等人，2021年）和γ-Fe₂O₃/Pt/TiO₂微机器人（Urso等人，2022年）、TiO₂/Ni-MOF/PDA@Sponge（Chen等人，2023年）、纳米Fe₃O₄粉末（Zhang等人，2024年）等也表现出优异的性能，但它们对昂贵原材料的依赖、复杂的合成工艺以及潜在的二次污染严重阻碍了工业化生产。至关重要的是，用于环境治理的材料必须遵循“不产生新的污染”的原则——这一标准在当前研究中经常被忽视。这一悖论凸显了迫切需要使用天然材料或现有工业产品（具有成熟生产流程）的可持续解决方案（Wu等人，2024年）。多孔泡沫结构能够实现多尺度微塑料颗粒的捕获，结合了三维互连网络、高表面积和易于回收的特点。其结构完整性允许非破坏性的机械回收，减少了粉末吸附剂固有的二次污染风险。在这种情况下，商业化的三聚氰胺泡沫（MF）是一个理想的候选材料：其噻嗪环和末端氨基（-NH₂）有助于与微塑料上的极性官能团形成氢键，显著增强了界面结合能（Li等人，2023年；Zhang等人，2024年）。值得注意的是，MF在欧洲和亚洲已建立的工业基础设施确保了其成本效益和可获得性。直接使用MF避免了化学改性的污染，并绕过了漫长的研发周期，从而加速了微塑料修复技术的工程应用——这对可持续环境管理是一个关键的进步。

尽管具有这些优势，科学文献中仍存在关于未经改性的MF用于微塑料修复的关键知识空白。首先，控制微塑料在泡沫-水界面捕获的基本吸附机制，特别是具体的分子间相互作用（如氢键、静电作用）仍理解不足。其次，关键环境参数（pH值变化、共存有机物）对吸附效率的影响尚未系统研究。最重要的是，材料的可回收性、长期稳定性以及在实际水处理系统中的性能等关键工程参数仍大部分未得到探索。这种基础研究与工程应用之间的根本脱节严重阻碍了使用未经改性的MF的吸附技术的实际推广。

为了解决这些关键问题，开发了一种使用未经改性的MF的集成吸附-过滤系统，用于去除三种代表性的微塑料——聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚乳酸（PLA）。系统地研究了其吸附性能。随后，基于该系统的放大污染物拦截装置在中国江苏省南京的一个城市固体废物填埋场（MSWL）安装并运行了62天，以评估其在处理填埋场冲洗废水中的现场去除效率。为了符合可持续发展的理念，我们进一步将吸附了微塑料的回收MF转化为氮掺杂碳材料，以实现二次资源利用。通过蒙特卡洛建模和生命周期评估（LCA）评估了这种方法的经济和环境效益。该研究建立了一个“吸附-转化-资源回收”的闭环系统，为开发节能的微塑料污染控制技术提供了理论基础和实际方法。

材料

购买的材料包括三聚氰胺泡沫、聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）和聚乳酸（PLA），来自McLean's和阿里巴巴。微塑料的尺寸范围为13至74微米（基于制造商的规格，并通过我们自己对随机样本的显微镜测量进行了确认）。在本研究中，各种尺寸的微塑料在使用前在0.01%的Tween-80溶液中超声处理30分钟以进行均质化。

流动条件下的MF拦截装置的吸附性能

模拟实验采用流动通过法进行

模拟流动条件下的去除性能

在模拟流动条件下，研究了三种代表性微塑料（PE、PLA和PVC）在拦截装置中的吸附性能。扫描电子显微镜（SEM）观察显示，MF具有异质表面形态，其特征是宏观孔结构与光滑的网状骨架框架交织在一起（图2a）（Qiu等人，2015年）。吸附后的观察显示，不同微塑料的沉积模式有所不同：PE倾向于形成聚集体（大约10微米）

结论

本研究证明，作为一种低成本且广泛可获得的材料，MF能够快速吸附多种类型的微塑料，在5分钟内达到91-97%的去除效率。MF的吸附效率受水流速度的影响较小，但对pH值敏感，在中性条件下对无电荷的微塑料（如PE和PLA）的吸附效果最佳，这归因于有利的静电相互作用。在长期运行的城市固体废物填埋场进行的现场测试表明，MF保持了较高的吸附效率

CRediT作者贡献声明

张一帆：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，方法学，数据分析。杨婷婷：验证。徐慧：验证。陈晨：验证。冯有志：撰写 – 审稿与编辑。刘英瑶：验证。段晶晶：撰写 – 审稿与编辑。刘瑞倩：撰写 – 审稿与编辑，方法学。薛丽红：撰写 – 审稿与编辑，方法学，资金获取。

资金来源

本研究得到了中国国家重点研发计划的支持（项目编号：2023YFD1702103）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

LCA的数据得到了Tiangong Initiative提供的TianGong Database的支持（https://www.tiangong.earth）。