论文部分内容阅读
微塑料已成一种新型的环境污染物,被称为“海洋中的PM2.5”,给环境带来了潜在风险,引起了公众和科学界的极大关注。环境中聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)以及聚氯乙烯(PVC)等微塑料之和占微塑料总量的50%以上,并极易与各类污染物共存。因此,开展微塑料与环境污染物相互作用及其迁移转化规律的研究,对评价微塑料与生态环境的直接或间接影响具有重要意义。不同种类微塑料的结构不同,在环境因素作用下其结构将发生不同变化,环境中不同种类、不同存在时间的微塑料与环境中不同种类污染物的相互作用特性也随之改变。不同老化时间不同结构的微塑料与不同类型污染物吸脱附行为研究尚未见报道。本文以环境中四种典型微塑料为研究对象,采用氙灯人工加速老化实验,研究了不同照射时间对不同种类微塑料的表面性质和结构特征的影响,分别考察了不同结构微塑料对不同类型污染物(亚甲基蓝(MB)、抗生素利福平(Rifampin,简称RIF)以及重金属(Cr(VI)、Cu(II)))的吸脱附行为以及不同水质环境对微塑料吸附行为的影响。得出如下结论:(1)老化对MPs表面形貌、结晶度等物理化学性质有很大的影响:随老化时间的延长(0~20 d),MPs表面粗糙度和比表面积增加,老化过程伴随羰基和羟基官能团的生成和表面亲水性的变化,其羰基指数值从大到小为:PP>PVC>PE>PS,这可初步判断四种微塑料的老化快慢。并通过建立相关模型拟合方程去判断自然老化时间微塑料在环境中的存在周期;老化使微塑料的结晶度、熔融温度、玻璃化转变温度、热分解温度以及分子量呈规律性降低,其变化规律与羰基指数变化趋势吻合。这些性质的改变会对水环境中不同类型污染物的吸附性能产生影响。(2)四种微塑料对MB的吸附量从大到小的顺序为PP-20 d>PE-20 d>PS-20d>PVC-20 d。四种微塑料对MB的吸附平衡时间约为48 h,其中,PP-20 d最大吸附量高达6.08 mg/g。与PP-20 d、PE-20 d和PS-20 d不同,PVC-20 d对MB的吸附等温线符合Freundlich模型,其吸附机制主要是不均匀表面形成的多层吸附(物理吸附),而PP-20 d、PE-20 d和PS-20 d对MB的吸附机制则主要是静电作用和化学键作用(物理化学吸附)。四种微塑料对MB的吸附能力随环境条件变化较大,提高溶液的p H可提高四种微塑料的MB吸附量,但增加溶液的盐浓度会导致其吸附量明显减小。饱和吸附MB的PS-20 d在模拟胃肠道液中MB的脱附率最高,可达58.1%,这表明,老化后的微塑料,有可能成为MB进入水环境和生物组织的重要载体,从而加重MB等污染物对环境和水生生物的危害。(3)四种微塑料对RIF抗生素的吸附平衡达到的时间均为72 h左右,其吸附性能从大到小顺序依次为PP-20 d>PE-20 d>PVC-20 d>PS-20 d,所有微塑料对RIF抗生素的吸附量均随着溶液p H、盐度和FA浓度的升高而降低,且吸附等温线均可很好地与Freundlich模型相符。但PP-20 d对RIF抗生素表现出了更高的亲和力,这可能由于,在相同的光照条件下,PP较其他种类微塑料的老化程度更高,其表面结构更有利于提高对RIF抗生素吸附作用。脱附实验结果表明,饱和吸附RIF抗生素的PS-20 d微塑料的脱附率最高,达56%。可见环境中的微塑料,由于受环境因素作用导致其结构改变,有可能成为环境中包括RIF在内的抗生素的迁移载体。(4)在单一金属溶液体系中,四种微塑料对Cr(VI)的吸附量均大于Cu(II);Cr(VI)、Cu(II)在微塑料表面的吸附过程有多个阶段,其吸附驱动力主要有范德华力、微孔填充机制以及配位反应等。吸附过程受p H、盐浓度以及FA浓度等的影响较大。在混合金属溶液体系中,金属离子在微塑料表面存在竞争吸附作用;而在RIF抗生素-重金属混合溶液体系中,RIF的存在可显著提高微塑料对各金属离子的吸附能力。虽然RIF和重金属在微塑料上的作用机制还有待进一步探究,但这一结果为评价复合污染过程中微塑料的环境行为和生态风险提供了重要依据。