微塑料在饱和多孔介质中的迁移特性研究

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微塑料(MPs)是一种成分较为复杂的新型环境污染物,具有粒径小、比表面积大等特点,对环境中污染物具有很强的吸附性。本文选择聚苯乙烯(100 nm)为研究对象,基于饱和土柱迁移实验和土壤物理Hydrus模型,分析不同pH、离子强度、初始浓度、流速、水流中断等影响因素对聚苯乙烯颗粒在饱和多孔介质(石英砂)中的迁移规律;另外,探究聚苯乙烯颗粒与萘在饱和多孔介质中迁移的相互影响规律;同时,通过等温吸附实验观测不同离子强度条件下聚苯乙烯对萘的等温吸附特征;最后,运用Hydrus模型和DLVO/XDLVO理论对迁移机理进行分析,为全面评价土壤微塑料污染风险提供理论基础。通过不同Hydrus模型的对比,选择第1位点为附着-分离动力学,第2位点为与深度相关的Blocking作用动力学模型进行数据拟合,以分析不同环境条件下微塑料的迁移机理。在不同溶剂化学因素对微塑料迁移的影响实验中,研究了 pH、离子强度和初始浓度等影响因素对微塑料在饱和多孔介质中迁移的影响。研究结果表明,微塑料的穿透率随着pH的升高而升高,这是因为pH的增大导致颗粒之间的能量势垒增加,使微塑料不易沉积在石英砂表面。初始浓度的增大促进微塑料的迁移,是由于微塑料颗粒占据有限的附着位点,与同类电荷发生静电排斥作用,使微塑料的回收率更高。模型结果显示,随着pH的升高,第1附着位点的一阶吸附系数和解吸系数升高,而第2附着位点的一阶吸附系数有所下降。随着初始浓度的升高,一阶吸附系数减小,而解吸系数增大。表明碱性环境和较高初始浓度条件会促进微塑料在饱和多孔介质中的迁移行为。随着离子强度的升高微塑料的回收率明显降低,模型结果表明一阶吸附系数增大,因此微塑料更易发生聚沉,穿透率降低。在不同水力学因素对微塑料迁移的影响实验中,研究了流速和水流中断等影响因素对微塑料迁移的影响。研究结果表明,微塑料的穿透率随流速的降低而降低,这主要是因为水动力扭矩平衡和石英砂表面形成的阴影区在一定程度上抑制了微塑料的迁移。水流中断条件导致微塑料C/C0值发生下降的趋势,随着时间的增长,下降趋势更加明显,这是由于微塑料聚集成较大颗粒发生重力沉积或者粘附力处于优势引起的沉积作用。观测不同离子强度条件下石英砂和微塑料对萘的等温吸附特征发现Freundlich模型能够较好地拟合实验数据。拟合结果表明,离子强度的升高使微塑料对萘的吸附能力有所增强。说明石英砂和微塑料对萘的吸附通常不是吸附剂表面的单层吸附,而有可能是微塑料表面和萘多环结构引起的π-π键相互作用。微塑料与有机污染物萘共迁移实验中,研究了微塑料和萘在迁移过程中的相互作用以及离子强度对混合体系迁移过程的影响。微塑料的添加会促进萘的迁移,萘的添加反而会使微塑料的迁移能力降低,当微塑料浓度分别为10、50、100 mg/L时,萘的存在使微塑料的穿透率分别降低了 62.48%、44.42%和31.36%。改变混合体系的离子强度发现,在离子强度较低的条件下(0.5 mM),微塑料的添加会促进萘的迁移,而当离子强度较高时(5和50 mM),微塑料的添加对萘的迁移几乎没有显著影响。
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