三類典型塑料農(nóng)膜在水環(huán)境中的自然老化與降解行為研究.pdf

第 nullnull 卷第 null 期 nullnullnullnull 年 null 月 南京師大學報 自然科學版 nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金項目 科技部高端外國專家引進計劃項目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 通訊作者 王風賀 博士 教授 博士生導師 研究方向 水土環(huán)境污染控制與修復 null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 三類典型塑料農(nóng)膜在水環(huán)境中的自然老化 與降解行為研究 王力和 null null 李繼寧 null null 邱金麗 null null 王風賀 null null nullnull南京師范大學環(huán)境學院 江蘇 南京 nullnullnullnullnullnull nullnull江蘇省環(huán)境風險防控與應急響應技術(shù)工程研究中心 江蘇 南京 nullnullnullnullnullnull 摘要 本文以聚乳酸 nullnullnull 碳酸鈣改性聚乙烯 nullnullnullnullnullnull 和聚乙烯 nullnull 塑料農(nóng)膜作為研究對象 通過戶外自 然暴露法進行老化與降解 利用傅里葉變換紅外光譜 微機控制電子萬能試驗機 掃描電子顯微鏡等表征手段 對 三類典型塑料農(nóng)膜的結(jié)構(gòu)和性能進行分析檢測 研究其在水環(huán)境中 nullnullnull null 的自然老化與降解行為 null 研究結(jié)果表明 隨著時間的延長 nullnullnull 和 nullnullnullnullnullnull 農(nóng)膜的質(zhì)量損耗率在實驗前兩個月增幅較快 而后上升趨勢有所減緩 但 nullnull 農(nóng) 膜則一直保持平緩上升狀態(tài) 三類塑料農(nóng)膜在降解過程中存在水質(zhì)有機污染和微納塑料污染風險上升的趨勢 三 類塑料農(nóng)膜斷裂伸長率和拉伸強度均呈下降趨勢 經(jīng)過 nullnullnull null 老化與降解后 力學性能依次為 nullnull 農(nóng)膜 nullnullnullnull 農(nóng)膜 null nullnullnullnullnullnull 農(nóng)膜 三類塑料農(nóng)膜原始表面平整光滑 無孔洞和裂紋 但經(jīng)過 nullnullnull null 老化與降解后 nullnullnull 和 nullnull 農(nóng)膜表面 出現(xiàn)裂紋 nullnullnullnullnullnull 農(nóng)膜表面出現(xiàn)孔洞 三類塑料農(nóng)膜特征峰的強度均有所降低 表明其分子鏈發(fā)生斷裂 分子量下 降 nullnullnull 農(nóng)膜主要發(fā)生的是光降解 nullnullnullnullnullnull 農(nóng)膜的 nullnull nullnull null 特征峰大幅度減弱 nullnull 農(nóng)膜中 nullnull null 參與氧化反應 null 關(guān)鍵詞 塑料農(nóng)膜 自然老化 降解 水環(huán)境 中圖分類號 nullnullnull 文獻標志碼 null 文章編號 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 南京師大學報 自然科學版 第 nullnull 卷第 null 期 nullnullnullnull 年 塑料農(nóng)膜覆蓋是一項重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù) 可在低成本投入條件下提高農(nóng)作物產(chǎn)量 改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方 式 nullnullnull null 中國已成為世界上塑料農(nóng)膜使用量最大的國家 null 從 nullnullnullnull 年至 nullnullnullnull 年 我國應用于農(nóng)作物的塑 料農(nóng)膜數(shù)量已從大約 null nullnullnull null null 升至 nullnullnullnullnullnullnull null null null 用量增長了 nullnullnull 倍 null 研究發(fā)現(xiàn) 我國每年約有使用量 nullnullnullnullnull的塑料農(nóng)膜殘留在農(nóng)田中 其中約有 nullnullnullnull null 的塑料農(nóng)膜進入河網(wǎng)并匯入江 河 湖 海等水環(huán)境 中 null null 另有研究表明 老化與降解后的塑料會成為水環(huán)境中重金屬污染物的載體 null 增加對水中抗生素的 吸附 null 解吸能力 null 并向水環(huán)境中釋放塑化劑等有機污染物 如鄰苯二甲酸酯 nullnullnullnull nullnullnull 進一步污染環(huán) 境并危害人體健康 null 然而 關(guān)于塑料農(nóng)膜在自然環(huán)境中的降解速率和降解性能的真實有效數(shù)據(jù)并不多見 且存在較大爭議 nullnullnullnullnull null 由于塑料農(nóng)膜對土壤環(huán)境的危害是直接的 目前國內(nèi)外的研究更多聚焦于塑料農(nóng) 膜在土壤環(huán)境中的自然老化與降解行為 內(nèi)容包括不同的塑料類型和不同的氣候條件下的研究 以及進一 步探究其對土壤質(zhì)量與結(jié)構(gòu)和農(nóng)作物產(chǎn)量的影響 nullnullnullnullnull 但塑料農(nóng)膜在水環(huán)境中的自然老化與降解行為卻 鮮有報道 null 早期的塑料農(nóng)膜通常選用黑色聚乙烯 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 薄膜 nullnull null 但 nullnull 在自然條件下極難完全降 解 nullnull null 因此 研發(fā)可降解塑料農(nóng)膜已成為降低其環(huán)境負面影響的有效途徑 nullnullnullnullnull null 可降解塑料主要分為可 光降解塑料和可生物降解塑料 nullnull 分別以碳酸鈣改性聚乙烯 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 塑料 nullnull 和聚乳酸 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull 塑料 nullnull 為主要代表 null nullnullnullnullnullnull 塑料具有與 nullnull 塑料相同的使用 功能 又具有防水 耐折 抗拉等優(yōu)良特性 已被市場廣泛認可 nullnull null nullnullnull 是一種可降解的生物基脂肪族聚 酯 以乳酸為主要原料聚合而成 nullnull null nullnullnull 塑料具有優(yōu)異的機械性能和環(huán)保性能 透光率高 但與 nullnullnullnullnullnull 農(nóng)膜相比 nullnullnull 農(nóng)膜的生產(chǎn)成本較高 nullnull null 塑料農(nóng)膜在水環(huán)境降解過程中可能發(fā)生的變化包括質(zhì)量 力學性能 化學官能團 分子量以及表面形 貌變化等 nullnullnullnullnull null 本文選取 nullnullnull nullnullnullnullnullnull 和 nullnull 塑料農(nóng)膜為研究對象 通過戶外自然暴露法進行 nullnullnull null 的連 續(xù)老化與降解實驗 并在不同時間段進行塑料農(nóng)膜取樣 分析和表征 相關(guān)研究結(jié)果不僅可以全面了解三 類塑料農(nóng)膜在水環(huán)境中的自然老化與降解行為 進而掌握塑料農(nóng)膜對環(huán)境的污染特性 同時也為可降解塑 料農(nóng)膜的可持續(xù)發(fā)展提供理論和試驗依據(jù) null 1 材料與方法 1 1 主要材料 nullnullnull 塑料農(nóng)膜 分為黑色和白色 nullnullnullnullnullnull 塑料農(nóng)膜 分為黑色和白色 和 nullnull 塑料農(nóng)膜 作為對 照 nullnullnullnullnull 厚度均為 nullnullnullnull nullnull 形態(tài)為固態(tài)薄膜 天然雨水 自 nullnullnullnull 年 null 月起采集并置于南京師范大學仙林 校區(qū)行遠樓頂實驗平臺 null 1 2 實驗場地概況 實驗在南京師范大學仙林校區(qū)行遠樓頂實驗平臺 nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 海拔 nullnull null null 該場地隸屬 于江蘇省南京市棲霞區(qū) 位于亞熱帶季風氣候區(qū) 四季分明 春秋短 冬夏長 雨熱同期 季風發(fā)達 null 光照強 度 nullnullnull nullnull 為 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null 平均值為 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null null 年平均氣溫約為 nullnull null 月平均高溫約為 nullnull null 范圍為 nullnullnullnull null 月平均低溫約為 nullnull null 范圍為 nullnullnullnull null 年平均降水量約為 null nullnullnullnullnull nullnull 全年 平均總降雨日約為 nullnullnull null 相對濕度約為 nullnullnull 無霜期約為 nullnullnull null nullnullnullnullnull null 1 3 主要儀器與設備 電子天平 nullnullnullnullnullnull 型 中國丹佛儀器有限公司 總有機碳分析儀 nullnullnullnullnull nullnullnull 型 日本株式會社島津制 作所 微機控制電子萬能試驗機 nullnullnullnullnullnullnull 型 美特斯工業(yè)系統(tǒng) 中國 有限公司 傅里葉變換紅外光譜儀 nullnullnullnullnullnull nullnull 型 德國 nullnullnullnullnullnull 公司 掃描電子顯微鏡 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 型 日本電子株式會社 null 1 4 戶外自然老化與降解試驗 將三類塑料農(nóng)膜均裁成 nullnull nullnull nullnullnull nullnull 的片狀 分別稱重并標記序號 放入 null nullnullnull nullnull 的燒杯中 最后加 入適量天然雨水 null 樣品放置于南京師范大學仙林校區(qū)行遠樓頂實驗平臺 間隔一定時間采集樣品 表面雜 質(zhì)經(jīng) nullnullnullnullnullnullnull 型超聲波清洗儀 昆山市超聲儀器有限公司 清洗后烘干稱重 并測試相應理化指標 null 每組 實驗均設置了 null 個平行樣品 null nullnullnullnull 年 null 月將樣品放置于戶外 nullnullnullnull 年 null 月試驗結(jié)束 為期 nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 王力和 等 三類典型塑料農(nóng)膜在水環(huán)境中的自然老化與降解行為研究 1 5 測試與表征 null 質(zhì)量損耗率 null null 質(zhì)量損耗率直接用高精度天平測量 nullnull null null null null null null nullnull null null null nullnullnullnullnull 式中 null null 為質(zhì)量損耗率 null null null 為老化與降解前的塑料農(nóng)膜質(zhì)量 null null 為老化與降解后的塑料農(nóng)膜質(zhì)量 取 樣時的質(zhì)量 null null 總有機碳含量 nullnullnull 測試 質(zhì)量損耗間接表征 采用 水質(zhì) 總有機碳的測定 燃燒氧化 null非分散 紅外吸收法 nullnull nullnullnull nullnullnullnull 進行水中 nullnullnull 值的測定 null nullnullnull 值可以間接表征農(nóng)膜的質(zhì)量損耗 是因為塑料 在自然水環(huán)境中主要通過發(fā)生礦化反應來降解 最終轉(zhuǎn)化為有機物釋放入水環(huán)境中 nullnull null nullnullnull 值越高 表示 有機物含量越高 農(nóng)膜的質(zhì)量損耗率越大 null null 力學性能測試 采用 塑料 拉伸性能的測定 nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull 進行斷裂伸長率 null null 和拉伸強 度 null null 測試 使用長條型試樣 試樣尺寸為 nullnull nullnullnullnullnull nullnull 拉伸速率為 nullnull nullnullnullnullnullnullnull null null null nullnullnull null null null nullnullnullnullnull 式中 null null 為斷裂伸長率 null null null 為試樣原始標距 nullnull null 為試樣斷裂時標線間距離 nullnullnull null null null null null null 式中 null null 為拉伸強度 nullnullnull null 為最大負荷或斷裂負荷 null null 為試樣寬度 nullnull null 為試樣厚度 nullnullnull null 傅里葉變換紅外光譜 nullnullnullnull 分析 選用衰減全反射 nullnullnull 附件 測試波數(shù)范圍為 null nullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnull nullnull 每個光譜連續(xù)進行 nullnull 次重復掃描 分辨率為 null nullnull nullnull 檢測樣品表面 null null 掃描電子顯微鏡 nullnullnull 分析 對農(nóng)膜樣品表面進行濺射噴金處理 并在操作電壓為 null nullnull 下進行 樣品表面形貌觀察 null 圖 1 三類典型塑料農(nóng)膜在水環(huán)境中自然老化與降解后質(zhì)量損耗率和 TOC 測試結(jié)果 Fig 1 Mass loss rate and TOC testing results of the three kinds of typical plastic agricultural films in outdoor wat