三类典型塑料农膜在水环境中的自然老化与降解行为研究.pdf

第 nullnull 卷第 null 期 nullnullnullnull 年 null 月 南京师大学报 自然科学版 nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 科技部高端外国专家引进计划项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 通讯作者 王风贺 博士 教授 博士生导师 研究方向 水土环境污染控制与修复 null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 三类典型塑料农膜在水环境中的自然老化 与降解行为研究 王力和 null null 李继宁 null null 邱金丽 null null 王风贺 null null nullnull南京师范大学环境学院 江苏 南京 nullnullnullnullnullnull nullnull江苏省环境风险防控与应急响应技术工程研究中心 江苏 南京 nullnullnullnullnullnull 摘要 本文以聚乳酸 nullnullnull 碳酸钙改性聚乙烯 nullnullnullnullnullnull 和聚乙烯 nullnull 塑料农膜作为研究对象 通过户外自 然暴露法进行老化与降解 利用傅里叶变换红外光谱 微机控制电子万能试验机 扫描电子显微镜等表征手段 对 三类典型塑料农膜的结构和性能进行分析检测 研究其在水环境中 nullnullnull null 的自然老化与降解行为 null 研究结果表明 随着时间的延长 nullnullnull 和 nullnullnullnullnullnull 农膜的质量损耗率在实验前两个月增幅较快 而后上升趋势有所减缓 但 nullnull 农 膜则一直保持平缓上升状态 三类塑料农膜在降解过程中存在水质有机污染和微纳塑料污染风险上升的趋势 三 类塑料农膜断裂伸长率和拉伸强度均呈下降趋势 经过 nullnullnull null 老化与降解后 力学性能依次为 nullnull 农膜 nullnullnullnull 农膜 null nullnullnullnullnullnull 农膜 三类塑料农膜原始表面平整光滑 无孔洞和裂纹 但经过 nullnullnull null 老化与降解后 nullnullnull 和 nullnull 农膜表面 出现裂纹 nullnullnullnullnullnull 农膜表面出现孔洞 三类塑料农膜特征峰的强度均有所降低 表明其分子链发生断裂 分子量下 降 nullnullnull 农膜主要发生的是光降解 nullnullnullnullnullnull 农膜的 nullnull nullnull null 特征峰大幅度减弱 nullnull 农膜中 nullnull null 参与氧化反应 null 关键词 塑料农膜 自然老化 降解 水环境 中图分类号 nullnullnull 文献标志码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull Natural Aging and Degradation Behaviors of the Three Kinds of Typical Plastic Agricultural Films in Water Environment Wang Lihe null null Li Jining null null Qiu Jinli null null Wang Fenghe null null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull Abstract nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull null nullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 南京师大学报 自然科学版 第 nullnull 卷第 null 期 nullnullnullnull 年 塑料农膜覆盖是一项重要的农业生产技术 可在低成本投入条件下提高农作物产量 改变农业生产方 式 nullnullnull null 中国已成为世界上塑料农膜使用量最大的国家 null 从 nullnullnullnull 年至 nullnullnullnull 年 我国应用于农作物的塑 料农膜数量已从大约 null nullnullnull null null 升至 nullnullnullnullnullnullnull null null null 用量增长了 nullnullnull 倍 null 研究发现 我国每年约有使用量 nullnullnullnullnull的塑料农膜残留在农田中 其中约有 nullnullnullnull null 的塑料农膜进入河网并汇入江 河 湖 海等水环境 中 null null 另有研究表明 老化与降解后的塑料会成为水环境中重金属污染物的载体 null 增加对水中抗生素的 吸附 null 解吸能力 null 并向水环境中释放塑化剂等有机污染物 如邻苯二甲酸酯 nullnullnullnull nullnullnull 进一步污染环 境并危害人体健康 null 然而 关于塑料农膜在自然环境中的降解速率和降解性能的真实有效数据并不多见 且存在较大争议 nullnullnullnullnull null 由于塑料农膜对土壤环境的危害是直接的 目前国内外的研究更多聚焦于塑料农 膜在土壤环境中的自然老化与降解行为 内容包括不同的塑料类型和不同的气候条件下的研究 以及进一 步探究其对土壤质量与结构和农作物产量的影响 nullnullnullnullnull 但塑料农膜在水环境中的自然老化与降解行为却 鲜有报道 null 早期的塑料农膜通常选用黑色聚乙烯 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 薄膜 nullnull null 但 nullnull 在自然条件下极难完全降 解 nullnull null 因此 研发可降解塑料农膜已成为降低其环境负面影响的有效途径 nullnullnullnullnull null 可降解塑料主要分为可 光降解塑料和可生物降解塑料 nullnull 分别以碳酸钙改性聚乙烯 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 塑料 nullnull 和聚乳酸 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull 塑料 nullnull 为主要代表 null nullnullnullnullnullnull 塑料具有与 nullnull 塑料相同的使用 功能 又具有防水 耐折 抗拉等优良特性 已被市场广泛认可 nullnull null nullnullnull 是一种可降解的生物基脂肪族聚 酯 以乳酸为主要原料聚合而成 nullnull null nullnullnull 塑料具有优异的机械性能和环保性能 透光率高 但与 nullnullnullnullnullnull 农膜相比 nullnullnull 农膜的生产成本较高 nullnull null 塑料农膜在水环境降解过程中可能发生的变化包括质量 力学性能 化学官能团 分子量以及表面形 貌变化等 nullnullnullnullnull null 本文选取 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 和 nullnull 塑料农膜为研究对象 通过户外自然暴露法进行 nullnullnull null 的连 续老化与降解实验 并在不同时间段进行塑料农膜取样 分析和表征 相关研究结果不仅可以全面了解三 类塑料农膜在水环境中的自然老化与降解行为 进而掌握塑料农膜对环境的污染特性 同时也为可降解塑 料农膜的可持续发展提供理论和试验依据 null 1 材料与方法 1 1 主要材料 nullnullnull 塑料农膜 分为黑色和白色 nullnullnullnullnullnull 塑料农膜 分为黑色和白色 和 nullnull 塑料农膜 作为对 照 nullnullnullnullnull 厚度均为 nullnullnullnull nullnull 形态为固态薄膜 天然雨水 自 nullnullnullnull 年 null 月起采集并置于南京师范大学仙林 校区行远楼顶实验平台 null 1 2 实验场地概况 实验在南京师范大学仙林校区行远楼顶实验平台 nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 海拔 nullnull null null 该场地隶属 于江苏省南京市栖霞区 位于亚热带季风气候区 四季分明 春秋短 冬夏长 雨热同期 季风发达 null 光照强 度 nullnullnull nullnull 为 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null 平均值为 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null null 年平均气温约为 nullnull null 月平均高温约为 nullnull null 范围为 nullnullnullnull null 月平均低温约为 nullnull null 范围为 nullnullnullnull null 年平均降水量约为 null nullnullnullnullnull nullnull 全年 平均总降雨日约为 nullnullnull null 相对湿度约为 nullnullnull 无霜期约为 nullnullnull null nullnullnullnullnull null 1 3 主要仪器与设备 电子天平 nullnullnullnullnullnull 型 中国丹佛仪器有限公司 总有机碳分析仪 nullnullnullnullnull nullnullnull 型 日本株式会社岛津制 作所 微机控制电子万能试验机 nullnullnullnullnullnullnull 型 美特斯工业系统 中国 有限公司 傅里叶变换红外光谱仪 nullnullnullnullnullnull nullnull 型 德国 nullnullnullnullnullnull 公司 扫描电子显微镜 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 型 日本电子株式会社 null 1 4 户外自然老化与降解试验 将三类塑料农膜均裁成 nullnull nullnull nullnullnull nullnull 的片状 分别称重并标记序号 放入 null nullnullnull nullnull 的烧杯中 最后加 入适量天然雨水 null 样品放置于南京师范大学仙林校区行远楼顶实验平台 间隔一定时间采集样品 表面杂 质经 nullnullnullnullnullnullnull 型超声波清洗仪 昆山市超声仪器有限公司 清洗后烘干称重 并测试相应理化指标 null 每组 实验均设置了 null 个平行样品 null nullnullnullnull 年 null 月将样品放置于户外 nullnullnullnull 年 null 月试验结束 为期 nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 王力和 等 三类典型塑料农膜在水环境中的自然老化与降解行为研究 1 5 测试与表征 null 质量损耗率 null null 质量损耗率直接用高精度天平测量 nullnull null null null null null null nullnull null null null nullnullnullnullnull 式中 null null 为质量损耗率 null null null 为老化与降解前的塑料农膜质量 null null 为老化与降解后的塑料农膜质量 取 样时的质量 null null 总有机碳含量 nullnullnull 测试 质量损耗间接表征 采用 水质 总有机碳的测定 燃烧氧化 null非分散 红外吸收法 nullnull nullnullnull nullnullnullnull 进行水中 nullnullnull 值的测定 null nullnullnull 值可以间接表征农膜的质量损耗 是因为塑料 在自然水环境中主要通过发生矿化反应来降解 最终转化为有机物释放入水环境中 nullnull null nullnullnull 值越高 表示 有机物含量越高 农膜的质量损耗率越大 null null 力学性能测试 采用 塑料 拉伸性能的测定 nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 进行断裂伸长率 null null 和拉伸强 度 null null 测试 使用长条型试样 试样尺寸为 nullnull nullnullnullnullnull nullnull 拉伸速率为 nullnull nullnullnullnullnullnullnull null null null nullnullnull null null null nullnullnullnullnull 式中 null null 为断裂伸长率 null null null 为试样原始标距 nullnull null 为试样断裂时标线间距离 nullnullnull null null null null null null 式中 null null 为拉伸强度 nullnullnull null 为最大负荷或断裂负荷 null null 为试样宽度 nullnull null 为试样厚度 nullnullnull null 傅里叶变换红外光谱 nullnullnullnull 分析 选用衰减全反射 nullnullnull 附件 测试波数范围为 null nullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnull nullnull 每个光谱连续进行 nullnull 次重复扫描 分辨率为 null nullnull nullnull 检测样品表面 null null 扫描电子显微镜 nullnullnull 分析 对农膜样品表面进行溅射喷金处理 并在操作电压为 null nullnull 下进行 样品表面形貌观察 null 图 1 三类典型塑料农膜在水环境中自然老化与降解后质量损耗率和 TOC 测试结果 Fig 1 Mass loss rate and TOC testing results of the three kinds of typical plastic agricultural films in outdoor wat