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  • ISSN 1007-6336
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海水环境因子对聚乙烯微塑料吸附锌离子行为的影响研究

鲁栋梁 段克 谢铭梅 杨斌 黄伊婷

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海水环境因子对聚乙烯微塑料吸附锌离子行为的影响研究

    作者简介: 鲁栋梁(1981-),男,河南信阳人,副教授,理学博士,主要从事陆源污染物对近岸海域生态环境响应机制研究,E-mail: ldl@bbgu.edu.cn;
    通讯作者: 段 克(1984-),男,副研究员,工学博士,主要从事海洋资源环境保护研究,E-mail: benlips@163.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(41966002, 42166002);广西自然科学基金项目(2018GXNSFAA281295, 2021GXNSFDA075004);北部湾大学人才科研启动基金项目(2017KYQD218);大学生创新训练项目(202011607001)
  • 中图分类号: P734;X55

Effect of different seawater environmental factors on zinc ion adsorption behavior by PE microplastics

  • 摘要: 聚乙烯(PE)微塑料是一种新型海洋污染物,易与海水中的锌离子(Zn2+)吸附产生复合生态毒性,危害海洋生态系统。不同海水环境因子对PE微塑料吸附Zn2+行为的影响不同,本文探究了Zn2+浓度、微塑料的投加量、盐度和pH等对3种不同目数的PE微塑料吸附Zn2+行为的影响,并对其吸附动力学和热力学进行了讨论。结果表明,3种不同目数的PE微塑料对Zn2+的最佳吸附时间均为4 h;吸附能力为30目<100目<500目,最大平衡吸附量分别为1.428 mg/g、1.454 mg/g和1.498 mg/g;盐度(0~10)对吸附量的抑制率为7%;吸附量随pH的增加而增加,3种目数PE微塑料的最佳投加量均为0.1 g。Freundlich模型为最佳等温吸附方程,3种目数PE微塑料的拟合相关系数R2均大于0.982(p < 0.01),说明存在多层化学吸附。准二级动力学方程为最佳吸附动力学方程,3种目数PE微塑料拟合相关系数 R2均大于0.991(p < 0.01),表明该吸附过程主要为化学吸附。吸附热力学 ∆G < 0, ∆H > 0,说明PE微塑料对Zn 2+的吸附为自发吸热过程。
  • 图 1  PE微塑料未吸附Zn2+(A)和吸附后(B)的IR光谱

    Figure 1.  The IR spectra of unabsorbed PE microplastics (A) and adsorbed PE microplastics (B)

    图 2  不同条件下PE微塑料的SEM

    Figure 2.  SEM spectra of PE microplastics under different conditions

    图 3  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+吸附动力学的拟合曲线

    Figure 3.  Fit curves of Zn2+ adsorption kinetics of three PE microplastics with different mesh numbers

    图 4  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+等温吸附和热力学吸附拟合

    Figure 4.  Isothermal and thermodynamics fitting of Zn2+ adsorption by three PE microplastics with different mesh numbers

    图 5  投加量、盐度和pH 对3种PE微塑料吸附Zn2+的行为影响

    Figure 5.  Effect of different dosage, salinity and pH on adsorption of Zn2+ by three kinds of PE microplastics

    表 1  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+吸附动力学拟合参数

    Table 1.  Zn2+ adsorption kinetics fitting parameters of three PE microplastics with different mesh numbers

    微塑料目数 准一级模型 准二级模型
    K1 Qe R2 K2 Qe R2
    30目 1.09 1.29 0.988 1.13 1.43 0.991
    100目 1.19 1.32 0.992 1.27 1.45 0.994
    500目 1.41 1.39 0.996 1.62 1.49 0.998
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    表 2  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+等温吸附拟合参数

    Table 2.  Fitting parameters of isothermal adsorption of Zn2+ for three PE microplastics with different mesh numbers

    微塑料目数 Freundlich模型 Langmuir模型 Henry模型
    KF n R2 Qm KL R2 Kd R2
    30目 205.91 0.88 0.990 2.73*107 1.02*10−5 0.983 278.19 0.987
    100目 259.73 0.89 0.980 3.08*107 1.06*10−5 0.976 327.1 0.981
    500目 471.42 0.99 0.986 2.26*105 1.93*10−3 0.985 430.69 0.988
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    表 3  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+等温吸附热力学参数

    Table 3.  Thermodynamic parameters of isothermal adsorption of Zn2+ by three PE microplastics with different mesh numbers

    微塑料目数 T/K lnk ∆G/KJ·mol−1 ∆H/KJ·mol−1 ∆S/J·mol−1·K−1
    288.15 4.74 −11.36 0.134
    30目 298.15 4.91 −12.18 28.14 0.135
    303.15 5.39 −13.57 0.137
    288.15 5.24 −12.55 0.106
    100目 298.15 5.34 −13.23 19.08 0.108
    303.15 5.66 −14.27 0.110
    288.15 5.66 −13.55 0.127
    500目 298.15 5.86 −14.52 23.62 0.128
    303.15 6.18 −15.59 0.129
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-20
  • 录用日期:  2022-01-20
  • 刊出日期:  2022-06-20

海水环境因子对聚乙烯微塑料吸附锌离子行为的影响研究

    作者简介:鲁栋梁(1981-),男,河南信阳人,副教授,理学博士,主要从事陆源污染物对近岸海域生态环境响应机制研究,E-mail: ldl@bbgu.edu.cn
    通讯作者: 段 克(1984-),男,副研究员,工学博士,主要从事海洋资源环境保护研究,E-mail: benlips@163.com
  • 1. 北部湾大学 广西北部湾海洋灾害研究重点实验室, 广西 钦州 535011
  • 2. 北部湾大学 海洋学院, 广西 钦州 535011
  • 3. 中国自然资源经济研究院, 自然资源部资源环境承载力评价重点实验室, 北京 100035
基金项目: 国家自然科学基金项目(41966002, 42166002);广西自然科学基金项目(2018GXNSFAA281295, 2021GXNSFDA075004);北部湾大学人才科研启动基金项目(2017KYQD218);大学生创新训练项目(202011607001)

摘要: 聚乙烯(PE)微塑料是一种新型海洋污染物,易与海水中的锌离子(Zn2+)吸附产生复合生态毒性,危害海洋生态系统。不同海水环境因子对PE微塑料吸附Zn2+行为的影响不同,本文探究了Zn2+浓度、微塑料的投加量、盐度和pH等对3种不同目数的PE微塑料吸附Zn2+行为的影响,并对其吸附动力学和热力学进行了讨论。结果表明,3种不同目数的PE微塑料对Zn2+的最佳吸附时间均为4 h;吸附能力为30目<100目<500目,最大平衡吸附量分别为1.428 mg/g、1.454 mg/g和1.498 mg/g;盐度(0~10)对吸附量的抑制率为7%;吸附量随pH的增加而增加,3种目数PE微塑料的最佳投加量均为0.1 g。Freundlich模型为最佳等温吸附方程,3种目数PE微塑料的拟合相关系数R2均大于0.982(p < 0.01),说明存在多层化学吸附。准二级动力学方程为最佳吸附动力学方程,3种目数PE微塑料拟合相关系数 R2均大于0.991(p < 0.01),表明该吸附过程主要为化学吸附。吸附热力学 ∆G < 0, ∆H > 0,说明PE微塑料对Zn 2+的吸附为自发吸热过程。

English Abstract

  • 随着海洋经济的快速发展,海洋环境污染和生态破坏等问题越来越严重。陆源排放和近海养殖产生的塑料污染物在海浪、海流和光照等作用下被分解为微塑料,成为一种新型污染物。微塑料是指海洋环境中粒径小于5 mm的塑料碎片[1],其比表面积大,具有疏水性基团和载体效应,易与其他有机污染物和重金属吸附造成二次污染,严重危害海洋生态系统[2]

    茅尾海是集港口运输、水产养殖、旅游业和制造业为一体的半封闭内湾,汇集了大榄江、钦江和茅岭江,但水交换能力弱,易造成污染物蓄积[3]。茅尾海是钦州市的母亲湾,还包括近江牡蛎的繁育基地和红树林自然保护区,其水质要求优于二类海水水质标准[4]。李素霞等[5]研究显示,茅尾海水体中锌离子(Zn2+)的平均浓度已远超二类标准。Zn2+易在生物体内富集,继而产生毒性效应,严重影响茅尾海的生态环境和生物多样性[6]。Zhu等[7]研究表明,茅尾海水体中的微塑料不仅含量高,且种类复杂,其中,聚乙烯(PE)微塑料为主要种类,约占微塑料种类的26%。关于微塑料吸附重金属离子的潜在生态风险,国内外学者做了大量研究[6-8],现有研究具有以下特征:(1)不同种类的微塑料对重金属离子吸附研究的对象主要为聚丙烯(PP)和聚氯乙烯(PVC);(2)研究水体多为淡水或模拟海水;(3)同种微塑料不同目数的研究鲜有报道。海水中的环境因子对PE微塑料吸附Zn2+行为的研究尚未见报道。因此,研究海水中不同环境因子对PE微塑料吸附Zn2+行为的影响,对近海环境保护和生态修复具有重要意义。

    本文主要探讨了茅尾海水体中的温度、盐度、pH等环境因子对3种不同目数的PE微塑料吸附Zn2+行为的影响,通过等温吸附曲线和吸附动力学探究其吸附机理。研究成果可为评价茅尾海水体中PE微塑料与Zn2+吸附的潜在污染风险提供理论依据,为茅尾海生态环境保护与治理、蓝色海湾和生态文明建设提供支撑。

    • PE微塑料(30目、100目、500目);氯化锌(AR)、盐酸(AR)、氢氧化钠(AR)、海水晶(北海)、Milii-Q超纯水。100 mL具塞三角烧瓶;0.45 μm的微孔滤膜;50 mL比色管;水浴恒温振荡器(SHZ-88);火焰原子吸收分光光度计(PinAAcle 900T);傅立叶红外分光光度计[Nicolette Magna FT-IR(550)];日立扫描电镜SEM(S-3400N)。

    • 海水取自茅尾海海湾中心(108.564°E,21.845°N),通过0.45 μm的微孔滤膜除去浮游颗粒物备用。标准曲线的配制:取浓度为0.25 g/L的氯化锌溶液0 mL、0.1 mL、0.2 mL、0.25 mL、0.4 mL、0.5 mL分别置于50 mL容量瓶中,用备用海水定容,采用火焰原子吸收分光光度计测定Zn2+浓度。

    • 分别称取3种不同目数的PE微塑料0 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g,置于pH为8、Zn2+浓度为2 mg/L和温度为(25 ± 2)℃的海水中,在转速为200 r/min条件下振荡4 h取样分析。

    • 分别称取3种不同目数的PE微塑料0.1 g,置于Zn2+浓度为2 mg/L的海水中,pH为8,温度为(25 ± 2)℃,采用海水晶和纯净水调节盐度分别为0、5、10、15、20和30,在转速为200 r/min条件下振荡4 h取样分析。

    • 分别称取3种不同目数的PE微塑料0.1 g,置于Zn2+浓度为2 mg/L的海水中,pH分别为6.5、7.0、7.5、8.0和8.5,温度为(25 ± 2)℃,在转速为200 r/min条件下振荡4 h取样分析。

    • 分别称取3种不同目数的PE微塑料0.1 g,置于Zn2+浓度为2 mg/L的海水中,pH为8,温度为(25 ± 2) ℃,在转速为200 r/min的条件下,分别振荡0 h、1 h、3 h、4 h、5 h和10 h取样分析。

    • 称取30目PE微塑料0.1 g,置于Zn2+浓度分别为0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L和10 mg/L的海水中,pH为8,温度为(25 ± 2)℃,在转速为200 r/min条件下振荡4 h取样分析。100目和500目的等温吸附实验参照30目的实验步骤进行。

    • 称取30目PE微塑料0.1 g,置于Zn2+浓度分别为0 mg/L、2 mg/L、4 mg/L、6 mg/L、8 mg/L、10 mg/L的海水中,温度分别为15 ℃、25 ℃和35 ℃,pH为8,在转速为200 r/min条件下振荡4 h取样分析。100目和500目的吸附热力学实验参照30目实验步骤进行。上述所有实验均设置3个平行,结果取平均值。

    • PE微塑料对Zn2+的吸附量通过吸附平衡实验吸附前、后的浓度差计算,公式如下:

      式中:qt代表吸附平衡时PE微塑料对Zn2+的吸附量,mg/g;C0代表Zn2+的初始浓度,mg/L;C1代表吸附平衡时Zn2+浓度,mg/L;V代表溶液的体积,L;m代表PE微塑料的质量,g。

    • 采用准一级吸附动力学模型(2)和准二级吸附动力学模型(3)分析PE微塑料对Zn2+的吸附动力学行为,公式如下:

      式中:k1为准一级动力学吸附速率常数,/h;Qe为平衡吸附量,mg/g;Qt为某一时刻PE微塑料对Zn2+的吸附量,mg/g;K2为准二级动力学吸附速率常数,g/(mg·h);t为吸附时间,h。

    • 采用Langmuir模型(4)、Freundlich模型(5)和Henry模型(6)分析PE微塑料对Zn2+的等温吸附行为,公式如下:

      式中:Ce为溶液中Zn2+剩余的浓度,mg/L;Qe为平衡吸附量,mg/kg;Qm是最大吸附量,mg/kg;kL是Langmuir方程常数;nKF为Freundlich方程常数;Kd为Henry方程常数。

    • 吸附热力学参数(∆H∆S∆G)根据以下公式计算。

      吉布斯自由能∆G

      平衡常数K

      热力学熵∆S

      式中:用Freundlich作图时,K=KFT为温度,K∆G为吉布斯自由能变,KJ/mol;R为理想气体常数,取8.314 J/mol;∆H为吸附焓,KJ/mol;∆S为吸附熵,J/(mol·K)。用lnK对1/T作图,通过斜率和截距求出∆H∆S,将计算结果代入吉布斯自由能公式求出∆G

    • 图1可知,在PE微塑料的IR光谱中,2935/cm和2859/cm吸收分别为聚合物分子式中n ≥ 4和n ≤3[-C-(CH2)n-C-]中C-H伸缩振动;1431/cm和674/cm分别为C-H面内弯曲和面外弯曲。PE微塑料吸附Zn2+前(图1 A)和吸附后(图1 B)的IR光谱对比显示,吸附后PE微塑料的C-H伸缩振动和弯曲振动发生了红移,表明PE微塑料已与Zn2+发生了吸附作用。由图2可知,200 μm和1 μm条件下,未吸附PE微塑料的SEM(图2 A和图2 B)表面分别呈团絮状和皱状,能通过化学或物理方法吸附重金离子。1 μm条件下,吸附后的PE微塑料SEM(图2 C)呈现多个金属离子附着在PE微塑料表面的现象,也表明PE微塑料对Zn2+具有吸附作用。上述结论与前人的研究结果类似[9],说明海水中的Zn2+可以附着在微塑料表面,并通过表面电荷作用力增加微塑料对Zn2+的吸附稳定性,从而形成聚集体。

      图  1  PE微塑料未吸附Zn2+(A)和吸附后(B)的IR光谱

      Figure 1.  The IR spectra of unabsorbed PE microplastics (A) and adsorbed PE microplastics (B)

      图  2  不同条件下PE微塑料的SEM

      Figure 2.  SEM spectra of PE microplastics under different conditions

    • 采用准一级吸附动力学模型和准二级吸附动力学模型分别对吸附行为数据拟合。3种不同目数的PE微塑料对Zn2+吸附的准一级动力学模型拟合曲线如图3A所示,准二级动力学模型拟合曲线如图3B所示。由图3可知,在吸附10 h内,3种不同目数PE微塑料的吸附量均随时间变化呈先增加后趋于平缓的特征。在吸附1 h内,吸附量呈直线增加,之后随时间增加其吸附量增加趋于缓慢,在吸附4 h时达到吸附平衡。3种不同目数的PE微塑料对Zn2+吸附动力学的拟合参数如表1所示。准一级动力学模型主要是描述吸附剂和吸附质之间范德华力的影响,为物理吸附过程。准二级动力学模型描述物理和化学共同作用的吸附结果,但以化学吸附为主,同时也表明吸附过程有多个吸附阶段[10]。由表1可知,3种不同目数的PE微塑料对Zn2+吸附行为采用准一级动力学模型拟合的相关系数R2均值为0.992(0.988 ~ 0.996),而准二级动力学模型拟合的相关系数R2均值为0.994(0.991 ~ 0.998)。因此,采用准二级动力学模型描述3种不同目数PE微塑料对Zn2+吸附机制的拟合效果更佳,同时也表明PE微塑料对Zn2+吸附主要为化学吸附,且具有多个吸附阶段[11]

      表1可知,准一级动力学模型的最大吸附量小于准二级动力学模型,在准二级动力学模型中,30目、100目和500目的最大吸附量分别为1.43 mg/g、1.45 mg/g和1.49 mg/g。500目PE微塑料的吸附量均高于30目和100目吸附剂,表明不同目数PE微塑料的吸附性能不同。Wang等人研究表明,微塑料目数越大,比表面积越大,其吸附点位越多,吸附能力越强[11-12]。因此,500目PE微塑料比表面积最大,吸附容量也最大。通过对比3种不同目数微塑料的准二级吸附动力学模型描述的吸附速率常数K2可知,500目的K2最大,主要受比表面积影响,比表面积越大,为Zn2+提供的吸附位点越多[12],该结论与文献结果一致[13]

      图  3  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+吸附动力学的拟合曲线

      Figure 3.  Fit curves of Zn2+ adsorption kinetics of three PE microplastics with different mesh numbers

      微塑料目数 准一级模型 准二级模型
      K1 Qe R2 K2 Qe R2
      30目 1.09 1.29 0.988 1.13 1.43 0.991
      100目 1.19 1.32 0.992 1.27 1.45 0.994
      500目 1.41 1.39 0.996 1.62 1.49 0.998

      表 1  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+吸附动力学拟合参数

      Table 1.  Zn2+ adsorption kinetics fitting parameters of three PE microplastics with different mesh numbers

    • 本研究设置了不同Zn2+浓度梯度的吸附实验,探究不同目数PE微塑料对Zn2+吸附行为的影响,吸附等温线分别采用Freundlich模型、Langmuir模型和Henry模型拟合分析。图4A为Freundlich等温模型拟合结果,图4C为Langmuir等温模型拟合结果,图4E为Henry等温模型拟合结果。由图4可知,随着Zn2+浓度的增加,3种不同目数的PE微塑料对Zn2+的吸附量也不断增加,500目的PE微塑料拟合曲线始终位于30目和100目两种微塑料的上面,说明PE微塑料目数越大,其吸附能力越强。PE微塑料对Zn2+吸附拟合参数如表2所示。根据拟合参数分析可知,Freundlich模型和Henry模型均能较好地描述PE微塑料对Zn2+的吸附效果,而Langmuir模型拟合的参数Qm与实际吸附量的偏差较大,表明PE微塑料对Zn2+的吸附并不是表面均匀的单分子层吸附[10]。Freundlich模型拟合相关系数R2为 0.986~0.990,Henry模型的R2为0.981~0.988,由此可知,Freundlich模型的拟合效果更佳,表明PE微塑料表面可能存在着不均匀的多层化学吸附[10]。吸附参数KF代表PE微塑料对Zn2+的吸附能力,500目PE微塑料的KF最大,100目和30目PE微塑料则相差不大。参数n代表非均质性,n越接近1,其非均质性越大[14]。拟合结果n均大于0.8,表明吸附主要受疏水性基团作用的影响,同时也存在静电作用,其非均质性较大,主要与微塑料自身的结构属性有关[10]

      图  4  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+等温吸附和热力学吸附拟合

      Figure 4.  Isothermal and thermodynamics fitting of Zn2+ adsorption by three PE microplastics with different mesh numbers

      微塑料目数 Freundlich模型 Langmuir模型 Henry模型
      KF n R2 Qm KL R2 Kd R2
      30目 205.91 0.88 0.990 2.73*107 1.02*10−5 0.983 278.19 0.987
      100目 259.73 0.89 0.980 3.08*107 1.06*10−5 0.976 327.1 0.981
      500目 471.42 0.99 0.986 2.26*105 1.93*10−3 0.985 430.69 0.988

      表 2  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+等温吸附拟合参数

      Table 2.  Fitting parameters of isothermal adsorption of Zn2+ for three PE microplastics with different mesh numbers

    • 不同温度下,3种目数的PE微塑料对Zn2+吸附行为的影响如图4B、图4D和图4F所示。3种不同目数的PE微塑料对Zn2+的吸附热力学参数如表3所示。3种不同目数的PE微塑料的吸附量均随着温度的升高而增大,表明PE微塑料对Zn2+的吸附为吸热过程,同时,不同目数PE微塑料的吸附焓∆H > 0,也表明该吸附为吸热过程。3种不同目数的PE微塑料对Zn 2+的吸附吉布斯自由能∆G均 < 0,说明该吸附为自发过程。3种不同目数PE微塑料的 ∆G随温度T的升高而减小,表明此吸附过程主要为化学吸附,吸附的驱动力会随∆G的减小而增大。因此,温度的升高会促进PE微塑料对Zn2+的吸附。由表3可知,∆S > 0,说明PE微塑料对Zn 2+的吸附是熵增加的推动结果,随着温度的增加,其∆S呈增加的趋势,其吸附界面的混乱度增大,更利于微塑料对Zn2+的吸附。

      微塑料目数 T/K lnk ∆G/KJ·mol−1 ∆H/KJ·mol−1 ∆S/J·mol−1·K−1
      288.15 4.74 −11.36 0.134
      30目 298.15 4.91 −12.18 28.14 0.135
      303.15 5.39 −13.57 0.137
      288.15 5.24 −12.55 0.106
      100目 298.15 5.34 −13.23 19.08 0.108
      303.15 5.66 −14.27 0.110
      288.15 5.66 −13.55 0.127
      500目 298.15 5.86 −14.52 23.62 0.128
      303.15 6.18 −15.59 0.129

      表 3  3种不同目数的PE微塑料对Zn2+等温吸附热力学参数

      Table 3.  Thermodynamic parameters of isothermal adsorption of Zn2+ by three PE microplastics with different mesh numbers

    • 在不同投加量下,3种不同目数的PE微塑料对Zn2+吸附4 h后的浓度变化如图5A所示。随着PE微塑料的投加量不断增加,海水中残余Zn2+浓度呈逐渐降低的趋势,当投加量为0.1 g时,残余Zn2+浓度降低的趋势开始变得平缓,表明PE微塑料的表面吸附位点已最大限度地暴露在Zn2+溶液中,能够得到较高的吸附量。当微塑料的投加量继续增加时,由于PE微塑料表面的暴露吸附位点已经达到饱和状态,导致残余Zn2+浓度的降低趋势变缓。因此,为了海洋生态健康,应该从源头治理,减少微塑料的排放。

    • 在不同盐度条件下,3种不同目数的 PE微塑料对Zn2+吸附行为的影响如图5B所示。当盐度为0~10时,3种不同目数的PE微塑料对Zn2+的吸附量呈逐渐降低的趋势。当盐度为10~30时,3种不同目数PE微塑料的吸附量变化趋势平缓,表明盐度的升高对PE微塑料吸附Zn2+具有抑制作用。Holmes等人研究表明,无机盐的存在会与Zn2+共同竞争吸附材料表面的吸附位点[15]。随着海水盐度的升高,带正电的阳离子(碱金属或碱土金属)不断增加,与Zn2+共同竞争占据PE微塑料表面的吸附位点。Naqash等人研究表明,聚乙烯醇、聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚丙烯等微塑料对重金属离子的吸附量随盐度的增加均呈现下降的趋势[16]。Ajmal等人研究表明,随着盐度的增加,微塑料对不同重金属离子的吸附效果不同[17]。因此,盐度对PE微塑料吸附Zn2+行为的影响主要取决于水体中环境因子和重金属离子的属性。

    • 在不同pH条件下,3种不同目数的PE微塑料对海水中Zn2+吸附行为的影响如图5C所示。随着pH的升高,3种不同目数PE微塑料对Zn2+的吸附量不断增大,这可能与不同pH的水环境中Zn2+存在的形态和PE微塑料的表面电荷有关。PE微塑料在不同pH水环境中可通过静电相互作用影响其吸附效果。Zhang等人对PE微塑料的零点电荷研究发现,当pH = 3时,PE微塑料表面的电势为0,当pH > 3.3时,PE微塑料表面带负电荷,能促进对带正电的金属离子的吸附 [18]。当Zn2+处于酸性环境时,PE微塑料表面带负电荷,此时PE微塑料和Zn2+会产生静电吸引力。溶液中存在大量的Zn2+和H+,这两种阳离子同时存在会产生竞争吸附,抢占微塑料表面的吸附位点[19]。因此,在酸性环境中,PE微塑料对Zn2+的吸附量相对较小,而在碱性环境中,PE微塑料对Zn2+吸附量增大,再加上碱性环境中的OH-和Zn2+结合生成絮状物沉淀,也会导致水体中Zn2+浓度的变化。

      图  5  投加量、盐度和pH 对3种PE微塑料吸附Zn2+的行为影响

      Figure 5.  Effect of different dosage, salinity and pH on adsorption of Zn2+ by three kinds of PE microplastics

    • (1)Freundlich模型为3种不同目数的PE微塑料对Zn2+的最佳等温吸附模型,3种不同目数的PE微塑料的拟合相关系数R2均大于0.982(p < 0.01),说明3种不同目数PE微塑料对海水中Zn 2+的吸附为多层化学吸附。参数n均接近1,表明PE微塑料的非均质性较强,不仅受疏水性基团作用的影响,也受静电作用的影响。准二级吸附动力学模型为3种不同目数的PE微塑料对Zn2+拟合最佳吸附动力学模型,拟合相关系数R2均大于0.991(p < 0.01);吸附热力学参数 ∆G < 0, ∆H > 0,说明PE微塑料对Zn 2+的吸附是自发和吸热过程;∆S > 0,表明PE微塑料对Zn 2+的吸附界面的混乱度增大,利于吸附。

      (2)3种不同目数的PE微塑料对Zn2+的最佳吸附时间均为4 h左右,吸附能力为30目<100目<500目;最佳投加量均为0.1 g,盐度的增大对吸附具有抑制作用,吸附量随pH的增大而增加。

参考文献 (19)

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