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核技术解决塑料污染问题

2021-08-22 09:41     来源:嘿嘿能源heypower     核技术国际原子能机构同位素示踪法稳定同位素技术
塑料污染是当今最紧迫的全球环境挑战之一,也是对可持续发展的最直接威胁。

1、控制塑料污染核技术(NUTEC Plastics)


根据预测,到2025年,海洋中鱼与塑料重量比例可能会达到1:3,到2050年,海洋中塑料的重量可能超过鱼的重量。

垃圾填埋场经常充斥着塑料垃圾,对河流、地下水和海洋等下游生态系统构成环境威胁。

此外,焚烧塑料垃圾也可能释放有毒气体。


所谓控制塑料污染的核技术(NUTEC Plastics),是IAEA(国际原子能机构)利用辐射技术原理,在塑料垃圾的使用和回收过程中,使用同位素示踪技术对海洋进行监测。

该技术不仅通过科学的数据来描述和评估海洋微塑料污染,同时还示范了电离辐射在塑料回收(将塑料废物转化为可重复利用的资源)中的应用。

2、海洋监测

 

 
IAEA利用核能和相关的其他方法,支持海洋实验室研究关于塑料污染对沿海和海洋生态系统的影响,可以精确跟踪,量化微塑料颗粒和相关污染物的活动及影响。

这将可以:

(1) 确定沿海海洋沉积物、水和生物群中海洋塑料颗粒的状态和趋势;

(2) 评估海洋塑料生物累积途径和对有价值海洋动物的影响;

(3) 利用这些新收集的科学信息制定风险预警,供决策参考;

利用伽马射线和电子束辐射技术,作为塑料回收中传统机械和化学回收方式的补充,某些类型的塑料废物还可以进行改造,从而重新利用。

这些技术可以补充现有的回收方法,以:

(1) 根据聚合物类型对机械处理的塑料废物进行分类;

(2) 将塑料聚合物分解成更小的组件,用作新塑料产品的原材料;

(3) 对塑料进行处理,使其能与其他材料混合,从而制成更耐用的产品;

(4) 通过辐解(辐照+化学循环)将塑料转化为燃料和原料。

3、对IAEA成员国的好处


(1) 为塑料污染防治政策提供精确的科学信息

NUTEC Plastics将提高实验室量化和表征海洋塑料污染的能力。

IAEA专家将帮助成员国科学家、专家收集关于塑料污染的数量、分布和影响的数据。

这些信息可用于制定塑料污染缓解和上游处置措施和政策。

(2) 强化塑料跟踪方法

IAEA将加大力度开发性能可靠,具有成本效益的技术,以评估海洋塑料的时空丰度和特性,以便更好地了解其来源、输送机制和影响。

这些技术将提供给成员国,包括在环境样品中识别微塑料方式,以及对科学家和技术人员的培训。

(3) 有效和高效的技术

辐射是一种有效且环保的方法,方便其他国家研究塑料的回收和再利用。

NUTEC Plastics提供了一个可行的选择,以补充现有的塑料回收和再利用研究,并帮助制定相关塑料政策。

(4) 可度量性技术

NUTEC Plastics将展示辐射技术在塑料回收和再利用中的效用及其潜在的经济效益。

IAEA将与成员国合作,特别是在回收工厂运作的地方,为这项技术提供合适的塑料原料。

这些试点之后可能会有大规模的示范性塑料废物回收厂。在展示可度量性之后,原子能机构将向合作伙伴转让专门知识和技术。

4、土壤塑料污染解决方案


塑料在农业中被广泛用作土壤覆盖物,也被用于“塑料棚农业”,塑料棚农业已成为土壤中塑料污染的主要来源(图源:H. Wang/Foshan University)

经常可以看到漂浮在海洋表面上的大片垃圾,解决塑料污染问题已刻不容缓,但这一挑战远不止眼前。

虽然塑料和微塑料——小于5毫米的物品——会积聚并影响海洋环境,但问题的根源大多在土地污染。

根据发表在《全球变化生物学》上的一项研究,经常流入海洋的陆基塑料污染估计至少是海洋污染的四倍。

为了应对这一日益严峻的挑战,IAEA正在启动一个协调的研究项目,以解决陆基塑料污染问题。

“通过土壤侵蚀和地表径流,土壤中的微塑料流到了海洋中,因此,土壤是海洋塑料污染的主要来源,”澳大利亚纽卡素大学环境化学教授Nanthi Bolan在最近发表的关于土壤中微塑研究中说,“土壤在污染物的转化及其随后转移到其他环境中起着重要作用,受影响的环境包括海洋和含有氧化亚氮等排放物的大气。

塑料通过填埋场的处置,以及通过在农业中使用塑料板或使用堆肥(含微塑料)造成微塑料沉降在土壤中。

“与从陆地转移微塑料相比,直接向海洋处置塑料相对不太明显。比土壤颗粒轻的微塑料,如沙子、淤泥和粘土,很容易流失到水道中,”Bolan补充道。

为了帮助减轻塑料污染及其对环境、生物体和食物链的总体影响,IAEA与FAO(联合国粮食及农业组织)合作,正在开展研究和开发工作,以研究使用核技术解决微型塑料问题。

FAO/IAEA土壤和水管理负责人Lee Heng说:“查明微塑料污染源并提高认识将大大有助于防止微塑料进入环境。此外,了解塑料和相关污染物的行为机制将有助于确定对环境的影响以及利用微生物降解微塑料的潜力。”

5、生物可降解塑料

2020年,IAEA研发气相色谱-燃烧同位素比值质谱仪(GC-c-IRMS)。其应用之一是化合物特异性稳定同位素(CSSI)技术。

Heng解释说,该技术将用于检测各种微生物群降解合成塑料基质的能力。

除CSSI外,碳同位素比率还将用于研究微塑料的温室气体(GHG)排放。塑料污染是二氧化碳、甲烷和乙烯排放的来源,这些GHG加剧了气候变化。

"我们不分青红皂白地在堆填区弃置塑胶,在化妆品中使用微球(去角质),以及在纺织品中使用微纤维,导致塑胶污染。人们正在努力生产生物可降解塑料,这可能为塑料污染提供一些解决方案,但生物塑料可能不是管理塑料污染的灵丹妙药。” Bolan说。

Bolan继续说,常用的可生物降解生物塑料“在自然条件下保持了机械式完整性,如果被海洋或陆生动物摄入,可能造成身体伤害。”

生物可降解塑料在自然和工程环境中可能存在潜在问题。在填埋场厌氧环境中,生物降解会产生甲烷。

此外,这些生物塑料需要高温、可控通风和湿度才能完全降解。

6、食品链中的微塑料、纳米塑料
 

由于其体积小,微塑料,特别是由微塑料降解产生的纳米塑料,可以进入生物体的内部器官,其上的污染物可能同时进行了转移。可能包括持久性有机污染物,如多氯联苯(PCBs),以及痕量金属,如汞和铅。

积聚在塑料上或其附着上的塑料污染物进入食物链,最终会转移到人类身上,引起越来越多的食品安全问题。

FAO/IAEA联合中心的实验室配备了研究食品中是否存在微塑料的设备。

“能量色散X射线光谱、红外和拉曼光谱等技术可用于筛选食品中的塑料,从而实现风险评估和管理,”联合中心食品和环境保护部门负责人Andrew Cannavan说。

Cannavan补充说,IAEA拥有开发塑料添加剂和成分分析方法的仪器,这些添加剂是造成微塑料污染的主要原因之一。

塑料和橡胶造成的污染已成为全球关注的问题。聚合物材料(塑料和橡胶)在城市和工业废物中所占比例不断增加——要么管理不善,要么在垃圾填埋场中积累。

由于聚合物材料不易分解,废弃聚合物的处理是一个严重长期的环境问题,大多数塑料逐渐分解形成微粒,最终到达海洋。

7、辐射技术的应用
 

塑料价值链,辐射技术可用于提高回收效率(图源:网络)

辐射技术可以用来缓解这个问题。一些研究结果表明,辐射技术能够将塑料废物转化为各种其他用途材料,为环境可持续性和材料创新提供可能。

特别是,高能辐射可用于降解和改造聚合物废物,使其能够以多种方式重新利用。例如,在混凝土和沥青等材料中,以及新的塑料产品或更高效无毒的能源回收燃料组件中。

建立聚合物材料回收的最佳工艺是一项世界性的挑战,这项技术主要难点在成本问题。一旦推广,不仅能够减少聚合物废物的影响,同时提高废物回收率,使中小型工业能够负担得起塑料回收技术,以缓解工业废物问题。


IAEA正在启动一个新的五年期协调研究项目(CRP),该项目涉及利用辐射技术回收塑料和橡胶的战略方法。

CRP总体目标是通过研究和开发,扩大可行性研究,以优化利用辐射技术回收塑料废物的过程。

具体研究目标有:

1.为适应辐射工艺,开发用于高性能结构和非结构应用的新型材料:

a) 将塑料聚合物分解成更小的组分,作为消费品所需的化学原料或添加剂;

b) 对聚合物废料进行改造,将其重新用作结构和非结构复合材料,作为填料、粘合剂和置换剂;

c) 生成功能化材料,通过辐射诱导接枝制备具有环境兼容性的先进材料;

d) 促进聚烯烃的静电分离,提高原料质量;

e) 当聚合物用于能量回收(焚烧发电等)时,同时也消除了有毒化合物。

2.促进成员国之间涉及工业、研究机构和基金会、大学以及其他环境和制造企业的国际合作;

3.为开发试验性回收项目进行可行性研究,并制定设计和开发指南;

4.建立辐射技术专家及其实验室的跨学科协作网络,以应对目前塑料废物回收方面的挑战;

5.共同开发创新配方和方法,并为特定用途的塑料废物回收设施的设计和扩大规模建立先进的结构-性能关系。

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