第一作者：于飞

通讯作者：马杰

通讯单位：同济大学

论文DOI：https://doi.org/10.1039/D4EM00799A

图文摘要

研究背景

合成塑料因其优异的稳定性和耐久性被广泛应用于各个行业，成为日常生活中不可或缺的一部分。然而，塑料的广泛使用也导致了大量塑料废弃物被丢弃到环境中，特别是在城市地区。随着城市化进程的加快，城市固体废弃物的数量逐年增加。目前，国内外主要的废弃物处理方式包括卫生填埋、堆肥和焚烧。在中国，约78%的城市固体废弃物通过卫生填埋处理，这种方法被认为是一种无害化处理方式。然而，填埋也带来了各种环境问题，如土地资源占用、渗滤液污染和潜在的微塑料（MP）污染。随着科学家对塑料污染研究的深入，填埋场已被确认为微塑料释放的重要来源。老化过程改变了塑料的物理化学性质，最终影响了这些材料的环境行为。老化塑料由于结构改变、吸附有机污染物和重金属离子，表现出更高的毒性，甚至可以成为细菌和病毒等病原体的载体。

主要结论

l塑料成分与老化程度

聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）是填埋塑料的主要成分。随着填埋时间的增加，塑料的老化程度加剧，表现为羰基指数（CI）和羟基指数（HI）的增加。

l亲水性变化

废弃塑料的亲水性随填埋时间的增加而增加，且在5米深度处变化最为显著。

l机械性能变化

废弃塑料的机械性能在填埋初期迅速下降，随后趋于稳定。填埋时间对机械性能的影响比填埋深度更为显著。

l表面形态与元素变化

随着填埋时间和深度的增加，塑料表面的裂纹和缺陷数量增加，表面粗糙度增加，表面元素丰度也增加。

l3D模型分析

通过3D模型分析塑料接触角变化，PP在时空分布上呈现波浪状下降趋势，而PE呈现涡旋状下降趋势。

图文导读

图1，FTIR随深度的变化

图1表明填埋PP与PE两种塑料料在5m深度老化程度最高，其次是8m和2m。并且C-H键降解具有深度依赖性，不同深度的C-H键振动强度变化表明，塑料的降解程度因填埋深度不同而有所差异。这是因为5m深度，受渗滤液影响更严重，导致塑料处于相对潮湿的环境中。此外，塑料废物的松散结构促进了土壤表面空气的扩散，但深度的变化会改变填埋场内的压力，进而影响剪切强度、污泥水力传导性和摩擦角等性质，在5m深度附近，固体废物的孔隙率和含水量达到峰值。，最终影响塑料废物的多样性特性。

图2，塑料废弃物的CI随时间的变化：(a) PE随填埋时间的变化 (b) PP随填埋时间的变化 (c) PE随填埋深度的变化 (d) PP随填埋深度的变化

该部分研究了塑料在填埋场中的老化程度，通过CI和HI来表征。研究发现，随着填埋时间的增加，PE和PP的CI和HI值均呈现显著上升趋势，且增长速率随时间加快。例如，填埋27年和30年的废塑料的CI和HI变化范围是0到7年塑料的两倍以上。此外，红外光谱分析表明，长期填埋不仅导致塑料氧化，还伴随C-H键的降解（如-CH3和-CH2的振动强度变化）。综合CI和HI的分析结果可知，塑料产品的老化程度随填埋时间的延长而加剧。并且在深度上呈现5m>8m>2m的趋势。

图3，通过矩阵拟合得到的塑料废弃物CI的时空分布。(a) PE (b) PP

通过对填埋深度和填埋年龄进行矩阵拟合。对相应数据进行阵分析并应用3D平滑处理，得到了填埋深度（2m至8m）和填埋年龄（0至30年）范围内的预测数据。图3展示了PE和PP两种废塑料的CI时空变化。结果表明，PE和PP在填埋年龄为30年时CI值最高，且在5m深度处CI值显著高于其他深度。这表明，填埋年龄最大且深度为5m的废塑料老化程度最高。

图4，通过矩阵拟合得到的塑料废弃物接触角的时空分布。(a) PE (b) PP

通过图5可以看出，在5m填埋深度下，PE（聚乙烯）塑料的接触角在填埋年龄为13年和15年时变化最大。从空间分布来看，PE废塑料的接触角呈漏斗状递减，且越接近5m深度变化速率越快。然而，PP（聚丙烯）废塑料表现出不同的趋势：首先，接触角在2m深度和15年填埋年龄、5m深度和30年填埋年龄，以及12年填埋年龄时变化最大；其次，其变化趋势呈现条纹状波动，但最大变化值仍出现在5m深度和13年及15年填埋年龄。可以预测，填埋场5m深度的接触角变化最大，这可能与其高含水量密切相关。

图5，塑料废弃物的断裂负载随时间的变化：(a) PE随填埋时间的变化 (b) PP随填埋时间的变化 (c) PE随填埋深度的变化 (d) PP随填埋深度的变化

长期填埋导致PE和PP的断裂载荷显著下降，机械性能退化。填埋7年和15年后，PE的断裂载荷分别下降14.8%-6.5%和50.1%-50.8%，且15年后退化速度减缓。高温和机械应力加速老化，表面划痕和孔隙扭曲促进自由基进入，进一步加速老化和粉碎。5m深度的废塑料机械性能波动显著，与纤维含量和环境条件变化相关。长期填埋导致C-C和C-H键断裂，理化性质发生变化，摩擦角增大。填埋时间对机械性能的影响大于填埋深度，后期变化显著增加。

图6，废塑料表面形态的变化。(a) 两种废塑料表面形态随填埋时间的变化。(b) 两种废塑料表面形态随填埋深度的变化。

PE和PP塑料的表面随填埋时间增加逐渐粗糙，出现凹坑、裂纹和空洞。C/O比随填埋时间增加而下降，元素种类和丰度随填埋时间和深度增加而上升。老化塑料表面碎屑易脱落，生成微塑料。填埋深度增加导致塑料表面裂纹和纹理更复杂，更容易附着污染物。老化塑料易释放碎片，需重点关注微塑料在填埋土壤中的迁移、归宿及其与其他污染物的相互作用。研究微塑料的生态风险及其与其他污染物的相互作用是未来的重点。

论文小结

本研究通过分析不同填埋年龄和深度的废弃塑料的老化、亲水性、机械性能、表面形态和元素变化，揭示了填埋时间和深度对塑料物理化学性质变化的显著影响。并且通过3D矩阵分析对各种理化性质进行分析探究了填埋场废塑料理化性质的时空分布特征。这篇论文通过系统的实验和分析，为塑料污染的管理和后续研究提供了重要的科学指导。

文献网址：

https/77726476706e69737468656265737421e0e2438f69227b5330079bab/en/content/articlelanding/2025/em/d4em00799a