纳塑料在活性炭滤柱中的吸附性能及运移规律研究

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随着塑料产品的大量生产和使用,塑料废弃物不可避免的进入水环境中。近年来,关于微塑料已有大量的研究,但关于纳塑料的研究仍处于起步阶段。相比微塑料,纳塑料尺寸小、比表面积高、疏水性强、对细胞有较高的亲和力,且能与众多污染物相互作用。纳塑料能够进入生物组织、血液和细胞,这对人类健康造成威胁。排放到水环境中的纳塑料随着地表径流流动,导致了许多饮用水水源受到污染,且由于纳塑料和抗生素都普遍存在水环境中,纳塑料对抗生素有较强的吸附力,这或许会改变抗生素在饮用水处理工艺中的去除效率,从而给饮用水安全带来威胁。活性炭拥有发达的孔隙结构、巨大的比表面积、良好的吸附性能,被广泛应用于饮用水的深度处理。关于活性炭对纳塑料的去除性能和去除机理尚不明确,因此研究纳塑料在活性炭滤柱中的吸附性能和运移规律,以及纳塑料协同抗生素在炭滤柱中的运移规律对保障饮用水水质安全及如何控制纳塑料污染有着非常重要的意义。本文首先研究了炭滤柱对聚苯乙烯纳塑料(PSNPs)的吸附性能,考察了炭滤柱高度、初始浓度和流量对炭滤柱吸附PSNPs的影响,通过动态模型分析和预测PSNPs在炭滤柱中的穿透曲线,同时结合扫描电镜(SEM)探讨了活性炭表面孔隙系统对PSNPs的吸附机理;其次,基于纳塑料与活性炭之间表面相互作用的影响,例如静电力和范德华力,因此通过PSNPs在炭滤柱中的运移规律实验及DLVO理论解释了表面效应对PSNPs与活性炭之间相互作用的影响;此外,本文以诺氟沙星(NOR)为典型的抗生素,研究了PSNPs对NOR的静态吸附行为,并探讨了两者在炭滤柱中的交互作用。主要结论如下:(1)增加炭滤柱高度和降低PSNPs的初始浓度、水流量均可延长炭滤柱的穿透时间。Thomas模型和Yoon-Nelson模型均能较好的拟合三种影响因素条件下炭滤柱对PSNPs的吸附过程。其中Yoon-Nelson模型能够准确预测50%PSNPs穿透炭滤柱所需的时间。活性炭对PSNPs的吸附机制主要有四种:PSNPs截留在尺寸小于活性炭之间的空隙;PSNPs进入活性炭表面的孔隙;活性炭表面的微粒能够“包裹”PSNPs;PSNPs能够聚沉在活性炭表面。(2)离子强度的降低,流量和p H的增加均能够促进PSNPs在炭滤柱中的运移。离子强度和p H主要影响PSNPs在体系中的稳定性,高离子强度和低p H会降低PSNPs在体系中的稳定性,使得PSNPs的移动性降低。相比Na+,Ca2+对PSNPs在炭滤柱中运移的抑制作用更强。腐殖酸(HA)可以促进PSNPs在炭滤柱中的运移,但当HA浓度继续增加时,PSNPs的运移并没有太大变化。通过DLVO理论发现改变溶液的离子强度可以释放沉积在次级势阱中的PSNPs,进一步减小溶液的离子强度可以使得PSNPs与活性炭的排斥作用继续增大,当排斥力大于初级势阱时,PSNPs可以继续从体系中释放。(3)通过静态吸附实验发现,PSNPs对NOR的吸附主要发生在前4h,并能在16h能够达到吸附平衡。其动力学吸附过程符合准二级动力学,吸附等温线符合Langmuir方程。吸附过程由多种机制共同主导作用,如微孔填充、π-π作用、静电作用和氢键作用等。当PSNPs携带NOR在炭柱中运移时,PSNPs能够促进NOR在炭柱中的运移,因为NOR能够在吸附在PSNPs表面上并随其穿透炭柱。同时,由于吸附在PSNPs的NOR能够“屏蔽”PSNPs表面负电荷,减小活性炭与PSNPs之间的排斥势垒,因此NOR会抑制PSNPs在炭柱中的运移。
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