老化纳米塑料对铅和镉在饱和多孔介质中迁移的影响

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纳米塑料(Nanoplastics,NPs)污染是全球关注的环境问题。自然环境中的NPs会经历诸多的老化过程。其中紫外线主导的老化过程会显著改变其表面物理化学性质,这会引起NPs自身迁移性与对其它污染物的吸附性能改变,进而影响环境中重金属等其它污染物的迁移转化。我国一些地区重金属污染问题仍然突出,为明晰老化的NPs的迁移行为及其对重金属迁移的影响,本研究以紫外线老化的聚苯乙烯纳米塑料(Polystyrene Nanoplastics,PSNPs,150 nm)作为研究对象。通过柱试验研究了不同理化因素对原始及老化PSNPs在饱和多孔介质中迁移的影响,并且探究了不同条件下PSNPs对Pb和Cd的吸附特征,最后通过老化PSNPs与Pb、Cd在饱和多孔介质中的共迁移试验探究了PSNPs与重金属在迁移过程中的交互作用。本研究能够为评价环境中普遍存在的塑料颗粒的环境风险与防控其环境危害提供新的视角和科学依据。本研究主要结论如下:1、老化的PSNPs在不同注入流速和离子强度下的迁移性强于未老化的,这归因于老化的PSNPs更低的Zeta电位导致其与多孔介质颗粒表面更强的静电排斥作用。老化PSNPs的傅里叶变换红外光谱与X射线光电子能谱结果表明,紫外线老化过程使PSNPs表面含有更多的含氧官能团,如羰基、羧基和羟基,这最终使其迁移性更强。此外,Mg2+和Ca2+的存在会抑制PSNPs的迁移,但老化PSNPs的迁移性依然强于原始的。与Al3+共存时,老化PSNPs的迁移性反而弱于原始的,这是因为Al3+对老化的PSNPs具有具有更强的架桥作用。2、采用吸附等温和动力学实验分析了PSNPs对Cd、Pb的吸附特征,吸附动力学较符合拟一级动力学模型,且Langmuir模型比Freundlich模型更能拟合PSNPs对Cd、和Pb的吸附过程。结果表明PSNPs对Pb和Cd的吸附类型主要以单分子层的物理吸附为主。PSNPs对Pb和Cd的吸附量随p H增大而增大,随离子强度增大而降低。PSNPs对Pb和Cd的最大吸附量随老化时间的延长而增大,原始PSNPs(PPS)、辐射12 h的PSNPs(12PS)和辐射24 h的PSNPs(24PS)对Pb的最大吸附量分别为314.39 mg kg-1、377.58 mg kg-1和476.60 mg kg-1;对Cd的最大吸附量分别为277.67 mg kg-1、369.21 mg kg-1和425.65 mg kg-1。3、PSNPs和重金属的共迁移实验表明Pb和Cd的存在会抑制PSNPs的迁移,但PSNPs会使更多的Pb和Cd从多孔介质中穿透,并且老化的PSNPs对两种重金属迁移的促进能力强于原始的PSNPs。此外,PSNPs能够将滞留在多孔介质中的Pb和Cd活化并且再次从多孔介质中释放,老化的PSNPs对沉积的Pb和Cd具有更强的活化-再释放能力。
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