清华大学丨精准治污新利器:河流塑料质量通量监测技术与新型设备

作者: 清华大学丨精准治污新利器:河流塑料质量通量监测技术与新型设备
发布于: 2025-02-24 11:39
3月18-20日,江苏张家港,扫码报名

闭路循环的制度建设与商业实践

倒计时 22 

海洋塑料污染的80%以上源自陆源输入,其中河流是主要传输通道。然而,传统监测方法依赖模型估算,数据偏差显著。例如,全球河流每年向海洋输送的塑料碎片量估算范围达0.41×10⁶~4×10⁶吨,但受限于采样方法不统一和实测数据不足,模型精度难以保证。现有技术多聚焦微塑料(<5mm)人工采样,仅统计数量且覆盖点位单一,无法反映全断面塑料质量通量。此外,大尺寸塑料(如瓶罐、渔网)的监测长期被忽视,导致污染评估严重失真。

清华大学环境学院循环经济产业研究中心长期致力于塑料垃圾物质循环研究,为了充分了解塑料垃圾在河流中的迁移路径、实地监测河流向海洋输送塑料垃圾的量,自主研发了一种自动化监测河流全断面塑料质量通量新型设备和监测方法,项目得到国家重点研发计划“循环经济关键技术与装备”专项支持


编者按
清华大学环境学院团队的河流塑料质量通量监测技术,为解决全球河流塑料污染问题提供了重要的技术支撑。其创新性在于全尺寸采样、全断面监测和质量通量精准核算,显著提升了数据的全面性和准确性。然而,设备成本、复杂环境适应性和数据标准化等问题仍需进一步解决。未来,通过智能化升级、多源数据融合和全球化应用,该技术有望在全球塑料污染治理中发挥更大作用,为保护海洋生态系统和人类健康作出重要贡献。

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李 编  博士

高分子物理与化学专业

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进入废塑料化学循环领域4年

专注PET、PE、UPR等化学回收

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— 1 

塑料入海监测需求迫在眉睫

近年来,海洋作为塑料垃圾的主要聚集地和污染源,面临着越来越严重的塑料垃圾问题。大量研究表明,海洋中的塑料垃圾主要通过河流流入大海。人类日常生活和生产过程中产生的塑料垃圾,在风雨和水流的作用下,最终通过河流汇入海洋,给海洋生态系统带来严重破坏。然而,当前对于塑料入海量的估算多依赖于经济和人口等间接数据建模,导致误差较大,难以准确反映实际的污染状况。

面对这一问题,亟需开发直接监测塑料通过河流流入海洋的质量通量的设备和方法,从而为精确治理和政策制定提供可靠的数据信息支持。

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监测需求

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河流塑料监测行业现状

目前,塑料污染监测大多依赖人工采样,采样过程繁琐,主要集中在微塑料的采集,点位设置单一,且通常只统计数量而忽略质量,因此无法满足对大型河流塑料质量通量的监测需求。虽然市面上已有一些采样设备,但在采样深度、采样量和采样尺寸等方面仍然存在局限,无法精准评估塑料垃圾的入海通量。

为了解决这一问题,清华大学环境学院团队研发了一种自动化、多尺寸、全断面的塑料质量通量采样监测方案。该方案具有快速响应、兼容多种尺寸塑料和较强的环境适应性等优势。通过无人船搭载自动采样系统,极大缩短了采样流程,配备大口径进水和多级网过滤,可以采集不同尺寸的塑料垃圾。同时,采用全断面样本采集,有效避免了塑料分布不均的误差,能够精准核算塑料质量通量,避免了丰度指标代表性差的问题。

这一方案不仅可以监测塑料质量、河流流速,计算塑料通量,还能提供塑料丰度、形态、颜色、材料、尺寸、用途等关键数据,为精准治理塑料污染提供科学的依据。
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行业现状

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改进后的自动采样设备

为了解决人工采样流程繁琐、效率低的问题,研究团队研发了一套自动化河流塑料采样系统包括智能船坞、智能采样无人船和塑料采样器,实现了高效、精准、全天候的采样监测:

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自动采样设备
自动采样设备(该设备已申请发明专利
  • 智能船坞负责岸边部署,配备信号收发、控制、磁吸充电、水位传感等模块,确保无人船随时待命。
  • 智能采样无人船搭载北斗/惯性导航、摄像头和流速仪,具备自主规划路径、实时避障功能,并通过悬吊系统精准投放采样器。
  • 自动采样器集成伺服水泵自动吸水、腔体水压传感控制深度、卷轴机构自动换网,能够实现多层次、全断面的塑料采样,成功解决了水下换网的难题。整套系统具备常态化部署、自动规划采样、实时反馈控制、智能避障等特性,大幅提升了塑料污染监测的效率与精确性。


三大改进之处:
1. 扩大采样尺寸

传统采样方法仅限于微塑料,无法全面监测河流中的塑料污染。研究团队创新设计了一款全尺寸塑料采样系统,扩展了采样范围至微塑料、中塑料、大塑料(25μm~50cm),实现了更全面的数据采集。

大口径吸水技术可以采集最大30cm的硬质塑料(如塑料瓶、一次性餐具)最大50cm的软质塑料(如塑料袋、渔网)。同时,采用500目(25μm)过滤网实现对25μm以上微塑料的精准采集

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扩大采样尺寸
2. 全断面采样

传统的河流塑料采样方法通常为单点位采集(仅采集中洪水面),难以全面反映污染情况。部分研究通过铅鱼进行不同位置和深度的离散式多点采样,但依然无法完整监测塑料在水体中的分布。

为此,研究团队设计了全断面采样方法,能够采集整个断面的水样,且采样频率可达平/枯水期每周一次,洪峰期每天一次
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塑料质量测定、河流质量通量核算
3. 塑料质量测定与河流质量通量核算

传统的塑料污染监测通常只统计数量,忽略了质量,难以准确评估其对环境的影响。为了解决这一问题,研究团队优化了塑料质量测定方法,并设计了河流质量通量核算体系。

通过直接称量、焦平面扫描和拉曼光谱分析,精确测定单个塑料样品的质量。结合河流流速数据,采用逐层积分计算河流断面塑料瞬时质量通量,并通过多次采样积分计算河流断面累积质量通量,全面还原塑料在河流中的真实流动情况。

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塑料质量测定、河流质量通量核算

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应用实例

研究团队已在湖北梁子湖的五条支流开展了自动采样系统的原位测试。通过上游投加、下游采集的方式,验证了采样器对河流塑料污染物的监测回收率。

测试结果表明,采样器在小型河流断面的塑料质量通量回收率超过90%,明显高于人工采样方式,充分证明了其高效、精准的监测能力。

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应用实例


(资料来源
:清华大学环境学院循环经济产业研究中心)



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ChinaReplas2025
第31届中国塑料回收和再生大会
大进军:技术准备与政策突破
2025年3月18日-20日 · 苏州张家港

大会议程

3月18日

大会报到

3月18日19:00-23:00

(全球同步)

ChinaReplasT&P2025 第三届塑料污染防治理论与实践论坛

主题:关于塑料的哲学

详情查看链接:塑料迷局下的哲学思考 : “理论误区”Vs“实践困惑”

3月19日全天

PlasFuture2025 塑料污染防治与回收再生论坛

主题:技术准备与政策突破

详情查看链接:2025年,塑料污染防治与回收再生的技术准备与政策突破

3月19日下午

ChinaReBaling2025 第四届塑料回收打包站与分拣中心论坛

主题:新模式、新装备

详情查看链接:新模式,新装备 | 第4届塑料打包站和分拣中心论坛 • 苏州 • 3月19日

3月19日晚上

晚宴

金苹果颁奖

2024年塑料回收示范企业颁奖

详情查看链接:寻找“点塑成金”的人!塑料回收再生金苹果奖,新设:工艺装备大师奖

3月20日全天

ChinaRePolyHP2025 聚烯烃(PE/PP)硬质包装循环论坛

主题:规模化的本质是效率

详情查看链接:规模化的本质是效率 | 聚烯烃硬质包装循环论坛 · 苏州 · 3 月 20 日

3月20日全天

ChinaRePolyFP2025 聚烯烃(PP/PE)软包装膜发泡材料循环论坛

主题:闭路循环的制度建设与商业实践

详情查看链接:解决回收难题、探索再生商业模式 | 聚烯烃软包装膜发泡材料循环论坛,3月20日,苏州

3月20日全天

ChinaRePET2025 PET循环论坛

主题:竞争优势的来源:工艺、装备、数字化的持续升级

详情查看链接:再生 PET 竞争优势的来源:工艺、装备、数字化的持续升级 | PET 循环论坛 · 苏州 · 3 月 20 日

CPRRA-DfR2025 中国国际塑料产品“为了回收的设计”大会

3月21日全天

CPRRA-DfR2025 中国国际塑料产品“为了回收的设计”大会

主题:从自愿到责任,从技术到政策

详情查看链接:全球首个:塑料产品“为了回收的设计”大会 • 苏州 • 2025 年 3 月 21 日



本篇文章来源于微信公众号:废塑料新观察
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