微塑料对水中典型重金属的吸附效能及其机制研究

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微塑料由于粒径小、比表面积大和多孔结构的特性,因而易吸附水中的污染物,成为污染物在环境中迁移的运输载体,并对水环境的影响尤为显著。水源水体中常见的一类重金属污染物锰、铅在较低的浓度下也可与微塑料结合导致复合污染,进而影响人体健康。因此,开展微塑料对重金属锰(Ⅱ)和铅(Ⅱ)吸附行为的研究,考察微塑料对水中重金属锰(Ⅱ)和铅(Ⅱ)随时间变化时不同吸附阶段的吸附容量,并结合不同的吸附方程进行模型拟合,分析各试验条件下,微塑料对重金属锰(Ⅱ)和铅(Ⅱ)的吸附过程,深入探讨其吸附效能与机制,对于探索重金属污染物和微塑料复合污染物在水处理过程中的迁移转化规律具有重要意义。研究表明,微塑料的种类对锰(Ⅱ)吸附容量大小为聚苯乙烯(PS)>聚丙烯(PP)>聚乙烯(PE);粒径大小对吸附锰(Ⅱ)的能力表现为粒径越小吸附容量越大,同时吸附速率也越大;腐植酸浓度增加会导致微塑料对锰(Ⅱ)吸附能力下降;PS颗粒对锰(Ⅱ)的吸附容量随p H值的增大而升高;温度升高会对快速吸附阶段产生显著影响,在288K时,微塑料对锰(Ⅱ)的吸附容量以及平均吸附速率最低,308K时微塑料对锰(Ⅱ)的吸附容量以及平均吸附速率最高;锰(Ⅱ)离子初始浓度的升高会加大微塑料颗粒与金属离子的接触几率,能够增加PS颗粒对锰(Ⅱ)的吸附容量。微塑料颗粒吸附铅(Ⅱ)的试验结果显示,微塑料的种类对铅(Ⅱ)吸附容量大小为聚苯乙烯(PS)>聚丙烯(PP)>聚乙烯(PE);粒径大小对吸附铅(Ⅱ)的能力表现为粒径越小吸附容量越大,同时吸附速率也越大;腐植酸浓度增加会促进微塑料对铅(Ⅱ)的吸附;PS颗粒对铅(Ⅱ)的吸附容量随p H值的增大而升高;温度升高会对快速吸附阶段产生显著影响,在288K时,微塑料对铅(Ⅱ)的吸附容量以及平均吸附速率最低,308K时微塑料对铅(Ⅱ)的吸附容量以及平均吸附速率最高;铅(Ⅱ)离子初始浓度的升高会加大微塑料颗粒与金属离子的接触几率,能够增加PS颗粒对铅(Ⅱ)的吸附容量。与微塑料颗粒吸附锰(Ⅱ)试验结果相比有所差异的是,腐植酸浓度增加能够使微塑料对铅(Ⅱ)吸附能力提升,这是因为锰离子的去除过程中腐植酸的疏水性占优势,而在铅(Ⅱ)的吸附过程中腐植酸的负电性发挥主要作用。利用吸附动力学及吸附等温模型对微塑料吸附锰(Ⅱ)、铅(Ⅱ)的试验数据进行拟合,根据结果可以得出,微塑料种类及粒径对锰(Ⅱ)、铅(Ⅱ)的吸附均符合准二级动力学方程,PS颗粒对锰(Ⅱ)、铅(Ⅱ)的吸附中颗粒内径扩散是反应的主要控制步骤;不同水样条件(腐植酸浓度、p H值)下PS颗粒对锰(Ⅱ)、铅(Ⅱ)吸附符合准二级动力学且吸附主要控制步骤是微塑料表面吸附;吸附容量随温度升高而增大,PS颗粒对锰(Ⅱ)、铅(Ⅱ)是吸热过程,不同初始离子浓度对PS颗粒和锰(Ⅱ)、铅(Ⅱ)吸附的等温线拟合并不相同。随温度升高,不同初始离子浓度下PS颗粒对锰(Ⅱ)的吸附更符合Langmuir模型,说明微塑料对锰(Ⅱ)的吸附是单分子层吸附,有固定吸附位点;随温度升高不同初始离子浓度下PS颗粒对铅(Ⅱ)吸附更符合Freundlich方程,说明微塑料对铅(Ⅱ)的吸附符合非均匀相吸附。微塑料中某些元素的官能团可能与金属离子发生配位络合,致使元素含量发生改变,官能团与锰(Ⅱ)、铅(Ⅱ)发生静电吸附和络合反应是吸附过程中的主导作用机制。
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