无机离子及腐殖酸对水中聚苯乙烯微塑料光老化过程的影响及机制研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liucrobin
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
微塑料(MPs)是广泛存在于天然水体中的一类污染物,其环境行为和生态风险已引起了越来越多的关注。MPs在太阳光照射下会发生老化,尤其是漂浮和悬浮在水体之中的MPs,其理化性质会发生显著改变进而影响其环境行为和风险。水体中存在的多种成分(如无机离子和有机质)可能会与MPs在光老化过程中发生相互作用,影响MPs的老化过程,目前对这些过程和机制尚不清楚。基于此,本论文将重点研究水环境中广泛存在的无机离子(HCO3-、NO3-、Cl-、Br-、Fe3+、NH4+、Na+、Ca2+)及腐殖酸(humic acids,HA)对聚苯乙烯微塑料(PS-MP)光老化的影响,通过对PS-MP的光老化动力学及老化过程中活性物质的分析来阐明无机离子和HA对PS-MP光老化的影响机制,主要结果如下:(1)探究了水环境中常见的无机阴离子(HCO3-、NO3-、Cl-和Br-)对PS-MP光老化的影响。通过SEM、XPS、FTIR等表征及光老化动力学分析证实了在模拟太阳光老化过程中,这些阴离子的存在导致了PS-MP的形貌、官能团、羰基指数(CI)和分子量更显著的变化,且其CI随光老化时间的变化符合准一级动力学模型。PS-MP在环境相关浓度阴离子溶液(0.6 mmol/L HCO3-、1.2 mmol/L NO3-、0.1 mol/L Cl-和0.1 mmol/L Br-)中的光老化速率常数(k)分别为0.0074 d-1、0.01001 d-1、0.00783 d-1和0.00888 d-1,显著高于超纯水体系(k=0.00705 d-1)。电子顺磁共振技术(EPR)和自由基淬灭试验表明,PS-MP的间接光老化主要由新生成的活性自由基介导,其中NO3-因具有光敏性促进了羟基自由基(·OH)的产生从而加速了PS-MP的间接光老化。卤素离子(Cl-和Br-)能诱导活性卤素物种(Reactive halogen species,RHS)生成,这些RHS促进了PS-MP的间接光老化过程。HCO3-作为·OH的淬灭剂,并没有对PS-MP光老化产生抑制作用,这是由于PS-HCO3-体系中产生了CO3·-,CO3·-对PS-MP有较强的氧化作用。(2)深入研究了水环境中常见的无机阳离子(Fe3+、NH4+、Na+和Ca2+)对PS-MP光老化的影响。SEM、XPS、FTIR等表征表明Fe3+和NH4+对PS-MP的光老化有一定抑制作用,而Na+和Ca2+对PS-MP的光老化无显著影响。PS-MP在各阳离子溶液中的光老化符合准一级动力学模型。Fe3+(5μmol/L)和NH4+(0.1 mmol/L)均抑制了PS-MP的光老化,其k值分别从超纯水体系的0.00705 d-1分别下降到0.00618 d-1和0.00644d-1(P<0.05)。在1 mmol/L Ca2+和10 mmol/L Na+体系中,PS-MP光老化的k值分别为0.00684 d-1和0.00667 d-1,这与PS-H2O的k值无显著差别(P>0.05),因此Ca2+和Na+对PS-MP的光老化无显著影响。通过对这些离子的紫外-可见光吸收光谱分析发现,Fe3+通过光屏蔽效应抑制了PS-MP的光老化。而NH4+通过与·OH反应降低了反应体系中·OH的浓度,从而抑制PS-MP的间接光老化。(3)探究了HA对PS-MP光老化的影响及作用机制。通过SEM、XPS、FTIR等表征证实了10 mg/L的HA对PS-MP的光老化起促进作用,该浓度下PS-MP的氧化程度最高。5 mg/L和7.5 mg/L的HA对PS-MP的光老化起明显抑制作用,且不同浓度HA体系中PS-MP的光老化均符合准一级动力学模型。其中,5 mg/L HA体系中PS-MP的k值为0.00509 d-1,显著低于超纯水体系的k值(0.00705 d-1)。当HA浓度增加到7.5 mg/L时,k值为0.00634 d-1,该浓度HA对PS-MP光老化的抑制作用相较于5mg/L时减弱。而当HA浓度增加到10 mg/L时,k值增加到0.00864 d-1,此HA浓度能够促进PS-MP的光老化。紫外-可见光吸收光谱表明HA可以与PS-MP竞争光子产生光屏蔽作用,同时活性氧(ROS)检测及淬灭试验表明HA在光照下可产生ROS(·OH、~1O2)。在5 mg/L和7.5 mg/L的HA体系中,光屏蔽作用大于产生ROS的作用从而抑制PS-MP的光老化。而10 mg/L的HA产生ROS的作用大于光屏蔽作用,从而促进PS-MP的光老化。综上所述,天然水体中常见的阴阳离子及HA能对PS-MP的光老化产生影响。本文清晰地展示了PS-MP在不同环境条件下的光老化过程,明确了各无机离子及HA对PS-MP光老化的影响机制,这些结果将为认识水生系统中MPs的环境行为提供重要理论支撑。
其他文献
农田土壤有机碳(SOC)循环对全球碳循环和粮食安全有重要影响,土壤有机碳是表征农田土壤肥力的最核心指标,与土壤质量及作物产量紧密相关。旱农地区因生态环境脆弱、土壤肥力低下,农业生产中普遍使用地膜覆盖措施通过增温保墒提高作物产量,同时将作物秸秆就地还田来提高农田土壤肥力。截止2019年,我国地膜使用量已达147万吨,覆盖面积达2.75亿亩,目前包含黄土旱塬区在内的长期覆膜农田区地膜残留量达71.9~
学位
森林碳储量和碳循环动态是陆地生态系统的重要组成部分,在调节全球气候变化中发挥着重要作用。现有的估算大尺度森林生物量的方法,如卫星遥感或森林清查等,重点关注地上生物量的估算,对根系生物量的估算要依赖于森林根冠比(root-shoot ratio或R/S)。尽管近年来在个体水平上对森林根冠比变化的认识取得了一些进展,但对全球尺度森林根冠比及其驱动因素的系统性分析仍然缺乏。因此,了解全球范围内森林根冠比
学位
由于微塑料能够对水生生物产生危害作用,目前其已经成为水生生态系统中备受关注的环境污染物。近几年来,已有大量研究试图探究微塑料对水生环境中初级生产者——微藻的影响及其两者间的相互作用。然而,关于微塑料对微囊藻合成藻毒素的影响和水体存在扰动时微塑料对微藻的影响研究仍然较少,微塑料对微藻的毒性作用与微藻细胞粒径大小之间的关系也仍未可知。因此针对以上问题,本研究探究了不同粒径和浓度的聚苯乙烯微塑料对铜绿微
学位
在我国西北干旱、半干旱地区,优质水资源极其匮乏,严重阻滞了区域农业高质量发展。了解土壤水分入渗规律及机制,对合理利用和调节土壤水库功能,增强土壤水分保蓄能力等具有重要科学价值和实践意义。多年来,研究者们从宏观角度出发,提出了大量的土壤水分入渗和溶质运移模型,研究了土壤水分入渗和溶质运移过程及其影响因素。但这些研究大多忽视了矿物颗粒与溶液的相互作用、氢键网络和离子的吸附交换等界面作用及其过程。因此,
学位
苹果是黄土高原的主导经济产业,苹果产业已成为促进区域经济发展,改善生态环境的富民产业。果园覆盖尤其果园生草覆盖是近些年来黄土高原苹果产区着力推广的果园土壤可持续发展管理模式,开展不同覆盖模式对果园土壤无机碳影响的研究对进一步揭示覆盖模式下果园土壤质量提升机制,优化果园覆盖技术具有重要作用。本研究立足于黄土高原苹果园覆盖定位试验,以传统的果园土壤清耕为对照,分析了不同覆盖措施、不同生草草种及不同生草
学位
东北黑土区是我国极为重要的粮食生产基地,粮食生产供给量占全国的1/3,在保障国家粮食安全中具有不可替代的地位。然而,受长期过度开垦、不合理耕作以及气候、地形等自然因素的影响,东北黑土区土壤肥力退化严重,对我国粮食安全和生态环境造成威胁。作为影响坡耕地土壤侵蚀的两个重要因子,耕作方式和坡度直接或间接改变着坡耕地土壤肥力状况。在耕作方式和坡度的共同影响下,土壤肥力的下降主要是由土壤结构破坏、土壤养分流
学位
由于土壤有机碳固存的增加与黄土高原生态环境的改善密切相关,退耕地土壤有机碳固存成为黄土高原生态环境建设迫切需要认识的科学问题。土壤团聚体对土地利用方式的响应十分敏感,土壤团聚体分布变化影响土壤有机碳的积累。土壤微生物残体碳是土壤有机碳的重要组成部分,土壤微生物残体数量和组成比例的变化与土壤有机碳的积累密切相关。然而土壤和团聚体微生物残体碳对农地退耕的响应还不清楚,这阻碍了我们认识微生物在退耕地土壤
学位
本文分析了粮食加工厂产生粉尘爆炸的原因,并有针对性的从建筑设计、设备布局方面提出相应防治措施。
期刊
磷是作物生长发育所需的三大矿质营养元素之一,参与生命基本活动的全部过程,也是维持现代农业生产和发展所需肥料的主要成分之一。尽管人们向土壤中施用了大量磷肥,但是大部分磷肥在进入土壤后极易被固定,转化为不被植物直接吸收利用的形式,导致磷肥的投入收益较低,造成磷资源浪费和环境污染。作为连接植物地上和地下过程的“桥梁和纽带”,植物根系的“源-汇”关系调节对于植物的生长发育具有重要的作用。本论文先借助半水培
学位
玉米是我国最主要的粮食作物之一,在干旱地区水分和养分是限制玉米产量和品质的主要因素。覆膜和施氮作为当前旱作区最有效的增产措施,也存在其不可忽视的缺点。长期使用普通塑料地膜会导致耕地土壤质量下降,地膜残留会造成严重的环境污染;不合理的氮肥施用也会产生一系列的资源浪费和环境问题。前人研究主要集中在氮肥运筹及农艺措施对玉米籽粒产量的影响,对于籽粒品质的研究更多集中在其对施氮量的响应,忽视了其他农艺措施对
学位