光照对微塑料老化的影响过程和机制

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:sbt200905
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全球范围内大规模使用和丢弃的塑料制品会在环境因子作用下逐步降解成微塑料,这使得微塑料作为一种新型污染物引起了学者们的广泛关注。微塑料进入环境后会在各种环境因素的影响下持续老化,这将改变微塑料的粒径、表面电荷分布及官能团组成等物理化学特性,使其表面特性和微观结构发生改变。并且微塑料在环境中不可避免与其他污染物共存,微塑料与污染物的交互作用可能影响自身的环境行为。因此,探究微塑料在自然环境中的老化过程与机制,揭示金属离子与微塑料间的微观界面作用机理,探索这种微观界面作用对微塑料老化的影响与规律,对于科学评估微塑料的环境行为及生态风险具有重要的理论和现实意义。本论文以目前广泛使用的聚苯乙烯(PS-MPs)为微塑料模型,结合动力学过程中的二维红外相关光谱(2D-FTIR-COS)及作用前后的表面形貌及微观结构的分析表征,系统研究了光照对PS-MPs老化的影响过程和机制。针对环境中广泛存在的重金属污染,本论文探讨了Cu2+和Pb2+对PS-MPs光老化的影响。针对环境中广泛存在的塑料口罩污染,本论文探讨了塑料口罩在不同环境条件下的老化过程及其对重金属的吸附。本论文的主要研究结果如下:(1)PS-MPs在紫外照射下表面会变得粗糙,出现裂纹和凹坑。紫外可见光谱(UV-Vis)表明该过程中存在着苯环的开环和羰基的形成。基于傅里叶变换红外光谱(FTIR)及其二维相关光谱(2D-COS)分析,本论文观察到PS-MPs表面有羰基和羟基的形成,并初步确定其光转化顺序为698(C-H)>752(C-H)>1030(C-O)>3645(OH/OOH)>1740(C=O)。X射线光电子能谱(XPS)进一步表明PS-MPs的光转化是含碳官能团逐渐部分转化为含氧官能团的过程。(2)Cu2+和Pb2+可以加速PS-MPs老化(光照7天后,Cu2+和Pb2+作用下老化PS-MPs的羰基指数值分别从原始PS-MPs的0.030增加0.048和0.086,而对照组为0.034)。这一过程与大量活性氧的产生有关,因为Cu2+作用下老化PS-MPs悬浮液中检测到的·OH明显高于超纯水,而Pb2+作用下的~1O2则更多。然而,这些光老化效应被活性氧猝灭剂显著抑制,这表明过量活性氧的产生是Cu2+和Pb2+促进PS-MPs光老化的主要原因。另外,本研究发现过量ROS会加速PS-MPs表面羰基的形成,并导致PS-MPs的物理化学性质发生改变。(3)塑料口罩在河水及海水中的老化明显低于空气和超纯水,因为水环境中存在的杂质或离子会吸附在口罩表面导致光屏蔽,这将导致塑料口罩在水环境中停留更长时间。塑料口罩中间层对紫外光最敏感,其在老化过程中会发生裂纹、断裂甚至是细小纤维的消失。FTIR和2D-COS表明塑料口罩的老化是甲基、甲烯以及碳碳单键逐步转化为羰基和羟基的过程。综上所述,环境中的微塑料会在光照作用下发生老化,使得微塑料的理化性质发生改变;环境中存在的Cu2+和Pb2+会通过产生过量ROS来加速微塑料的老化进程;塑料口罩在自然水体中老化速度缓慢,口罩中间层对光照最敏感。本研究为科学评估微塑料在环境中的生态风险提供理论依据。
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