纳米塑料在天然水体中凝聚的影响因素及机制

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hu_20092009
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纳米塑料(NPs)是由大块塑料碎片经自然老化过程逐渐降解破碎形成的微塑料(MPs)进一步分解形成的尺寸更加微小的塑料碎颗粒。目前,人们已从天然水体环境中检测到纳米塑料,其对水生生物甚至人体健康产生潜在的危害受到人们关注。纳米塑料在水体中的迁移及环境效应主要受凝聚行为的影响。本研究中我们通过紫外光照模拟塑料自然老化过程,并借助红外光谱、接触角测定以及电位滴定等分析表征技术来研究纳米聚苯乙烯(PSNPs)塑料的表面性质在老化过程中的变化;同时采用时间分辨动态光散射(TR-DLS)法动态监测纳米塑料在不同水体环境条件下粒径的增长过程,探讨水化学性质、光照老化以及天然有机质对纳米塑料凝聚的影响。研究发现:(1)紫外光照老化会使得PSNPs的尺寸减小,这是由于紫外线照射产生的过氧烷基自由基(ROO·)、烷氧自由基(RO·)以及羟基自由基(HO·)对PSNPs的攻击,造成分子链的断裂和结构的破坏,与此相对应,溶液中的TOC浓度随之升高;另外,老化后纳米塑料的亲水性增强,接触角由108.2°减小到73.7°,这是由于老化后的纳米塑料表面形成了含氧官能团(羧基或者羟基等)并与水形成氢键所致,含氧官能团的生成也使得纳米塑料表面带有更强的负电。(2)新鲜PSNPs在水体中具有较强的胶体稳定性,且遵循经典DLVO理论,不同电解质对PSNPs凝聚的促进程度符合Schulze-Hardy规则;老化纳米塑料在单价盐中胶体稳定性提高,在二价盐中其胶体稳定性减弱,这可能是由于老化纳米塑料的表面负电荷增强,颗粒间静电斥力增强,而在氯化钙体系中凝聚增强是由于老化纳米塑料表面形成的羧基与钙离子发生了桥连作用;使用MATLAB结合DLVO模型对实验数据进行拟合,得到新鲜PSNPs的哈梅克常数为3.5×10-21J,而老化PSNPs的哈梅克常数减小到1.5×10-21J,根据经典胶体理论,更小的哈梅克常数就意味着颗粒间更小的范德华引力和更强的胶体稳定性。(3)大分子有机质对PSNPs胶体稳定性的影响取决于大分子的种类以及电解质的种类。在单价盐体系中,生物大分子(海藻酸钠(SA)、牛血清蛋白(BSA)以及胞外聚合物(EPS))和腐殖酸(HA)均抑制PSNPs的凝聚,且抑制程度为BSA>HA>EPS>SA,这与大分子有机质产生的空间位阻效应有关,抑制程度的差异则取决于有机质的组成和结构;而在二价盐体系中大分子有机质均不同程度地促进了PSNPs的凝聚,这主要是归结于双电层压缩和桥连作用的共同影响。通过本研究,我们从颗粒间微观作用层面揭示了纳米塑料的同型凝聚机制,加深了人们对于纳米塑料在天然水体中迁移和转化行为的认识,同时也为纳米塑料的环境风险评估和管控提供了理论基础。
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