不同介质中可降解微塑料对Cd的吸附-解吸机制研究

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随着限塑令的实施,可降解塑料得到广泛的生产和使用,其降解需在特定条件下进行,不可有效回收填埋依旧会是导致水中塑料污染的主要原因,在多种环境因素共同作用下依旧会产生小粒径、多孔和比表面积大的微塑料颗粒。微塑料因自身物理化学特性可大量吸附水环境中的疏水性有机污染物、重金属、微生物等,且其吸附-解吸平衡易受微塑料材料特性和水环境介质的影响,而有关可降解性微塑料对水中污染物的吸附及其在不同介质下的解吸机制尚不明晰。本研究基于微塑料的固相介质和生物可及性等特性,选取市场上广泛使用的聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚乳酸(PLA)微塑料作为研究对象,针对水环境中的重金属超标问题,进行吸附特性及不同介质中解吸特性的研究,运用相关吸附模型、表征手段和微塑料-重金属体系能量计算,以期在闭环研究中进行微塑料吸附-解吸机理探讨;具体研究结果如下:(1)两种微塑料对Cd的吸附数据通过吸附动力学模型和等温吸附模型的拟合,PBS和PLA均符合准二级动力学方程,表明微塑料对重金属的吸附过程是物理吸附和化学吸附共同作用的结果,具体涉及外液膜扩散、表面吸附等;Freundlich模型更加符合等温吸附数据的拟合,说明微塑料上的吸附属于非均相的吸附,且吸附过程中Cd先占据高能位点再占据低能位点,吸附量呈:PBS>PLA;热力学参数的拟合表明吸附过程属于自发吸热反应;吸附过程中的主要作用机制是官能团的静电相互作用和金属离子的配位络合反应,并伴随着范德华力作用。(2)在6种不同解吸液(环境+生物体)中进行微塑料的解吸附实验,解吸量呈现出:胃液>肠液>肠液对比液>海水>胃液对比液>去离子水的规律,造成解吸差异的主要原因是解吸液中溶质分子参与解吸反应,肠胃液中的蛋白质上的芳香烃、海水中的镁离子以及肠液对比液中的磷酸基团均会与Cd竞争吸附位点,造成Cd的大量释放;进一步说明了微塑料携带重金属在消化系统中的解吸将增加其生物危害性。(3)利用不同的表征手段进行微塑料的理化性质研究;PBS相对于PLA表现出更高吸附量,主要体现在其表面的层状褶皱结构提供更多吸附位点数、有利于扩散作用过程的大孔径以及分子结构中的O-H和C=O官能团的静电作用和离子络合配位作用及整体表现出的疏水性等方面,在模拟PBS-Cd、PLA-Cd体系中的结合能计算中,揭示了PLA体系因较低结合能而具有更大解吸率。本研究通过对水中重金属在可降解微塑料PBS、PLA上吸附-解吸特性的研究,对吸附过程的能量评估和不同介质中的解吸差异进行毒性评估,阐明了微塑料在环境生态系统和人体消化系统中的危害性,为水环境中微塑料的深入研究提供理论基础。
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