典型微塑料对水中汞的吸附—解吸行为及机理研究

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作为水环境中特殊的新型污染物,微塑料吸引了众多学者的关注。已有大量研究证明微塑料可充当重金属的载体,改变重金属的迁移转换途径。然而有关微塑料与高毒性重金属汞相互作用及行为机制的研究十分匮乏。深入剖析微塑料-重金属共迁移行为及作用机理,可推进复合污染的地球化学行为研究、潜在风险的评估,具有重要的科学研究价值。因此,本文选取环境中四种典型微塑料——聚苯乙烯(r-PS)、聚乙烯(r-PE)、可降解微塑料聚乳酸(r-PLA)及轮胎微塑料(r-TWP)作为研究目标物,先进行臭氧老化,再利用FT-IR、SEM、Zeta电位、XPS、XRD等表征方法评估臭氧老化对四种微塑料理化性质的影响;通过静态批量吸附实验探究微塑料与汞的吸附特征及作用机理,评估环境因素(p H、盐度、FA、共存离子)对微塑料吸附汞的影响;此外还开展了微塑料在不同模拟环境(0.4%HCl、胃液、海水、纯水)的解吸动力学研究,剖析影响解吸的因素及机理。具体得出结论如下:(1)经过臭氧老化后的PS、PE、PLA(PS-O3、PE-O3、PLA-O3)三种微塑料表面粗糙且覆盖细屑、小碎片,接触角减小、结晶度降低、亲水性增强、表面含氧官能团(C=O)含量增加。而老化TWP(TWP-O3)的情况略有不同,表面粉碎程度严重、比表面积及结晶度升高。四种微塑料的O/C分别由0.0281、0.0263、0.394、0.217提升至0.270、0.0354、0.664、0.321,说明含氧官能团的含量明显增加。(2)四种原生/老化微塑料对汞的吸附呈先快后慢的趋势,符合准二级动力学模型,提示吸附受化学作用控制。老化前后PS和PLA对汞的吸附属于单分子层化学吸附,而PE和TWP属于多分子层非均相吸附。微塑料对汞的吸附量顺序为:TWP-O3>r-TWP>PLA-O3>PS-O3>PE-O3>r-PLA>r-PS>r-PE,臭氧老化可显著地提升微塑料对汞的亲和力,不过提升的程度各不相同,主要原因为臭氧产生的自由基对不同类型的微塑料破坏程度不同。在高盐和富含有机质环境中微塑料的吸附行为受到不同程度地抑制,其中老化微塑料的抑制作用更为显著。当水中存在金属阳离子时,PS-O3和TWP-O3对汞的吸附并未受到影响,而PE-O3和PLA-O3除受到Cu(Ⅱ)的影响,还分别受到Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的影响,推测导致存在这一差异性抑制作用的原因是微塑料自身的化学结构和表面特性的差异。各老化微塑料的吸附主要依靠含氧官能团的络合作用及静电作用。除此之外,TWP-O3的吸附还依靠其较大的比表面积。(3)老化微塑料在四种模拟环境中的解吸量按大小排序为:TWP-O3(15.4~22.9 mg/g)>PLA-O3(10.5~13.5 mg/g)>PS-O3(6.56~8.01 mg/g)>PE-O3(2.01~5.92 mg/g),在0.4%HCl、胃液、海水中微塑料脱附率较高,分别源自静电排斥、解络合、离子竞争的作用,较高的解吸率无形之中增加了微塑料与汞的潜在生态风险。(4)臭氧老化后微塑料含氧官能团的含量及电负性的增加,促进了微塑料通过络合、静电吸引作用富集水环境中的汞;当负载汞的微塑料进入酸性溶液、海水、动物的胃液时发生脱附,汞将被释放到环境中。这一“源-汇”关系力证了微塑料可作为汞的载体,影响汞在水环境中的迁移转化,而微塑料与汞的共迁移可能具有更强的生态风险。
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