Adsorption mechanism of typical monohydroxyphenanthrene on polyvinyl chloride microplastics

Abstract

为丰富微塑料与有机污染物间的相互作用机制相关数据,以3-羟基菲(3-OHP, C14H10O)为菲单羟基衍生物代表污染物,聚氯乙烯(PVC)微塑料为研究对象,研究了PVC微塑料在水环境中对3-OHP的吸附行为,并就相关吸附机制进行了深入探讨。该研究借助扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱(FT-IR)等仪器对PVC微塑料进行表征,利用紫外分光光度计得出目标污染物的紫外吸收光谱标准曲线,标准曲线拟合相关系数(R2)>0.99。为保证紫外吸收光谱的准确性,污染物浓度梯度设置为吸光度(Abs)大于0.438,之后根据标准曲线方程计算其浓度,结合相关吸附模型(吸附动力学、吸附等温线和吸附热力学)并配合密度泛函理论(density functional theory, DFT)探讨了在水环境中PVC微塑料对3-OHP的吸附机制。结果如下:(1)吸附动力学实验结果显示伪二级动力学模型拟合程度最好,吸附动力学拟合系数R2=0.998。因此,PVC吸附3-OHP可能是以表面吸附和外液膜扩散的吸附方式,吸附发生24 h后的平衡吸附量为36.866 μg/g; (2)吸附等温线实验表明Langmuir和Freundlich等温线模型拟合度较高,吸附等温线拟合系数R 2分别为0.956和0.907,更加适合描述PVC对3-OHP的吸附过程,吸附模式主要为单层吸附,也存在小部分多层吸附,PVC对3-OHP的最大吸附量为408 μg/g; (3)吸附热力学结果显示PVC微塑料对3-OHP的吸附效率随着温度升高而降低,这表明PVC对3-OHP的吸附为自发、放热的吸附反应;(4)盐度实验结果表明,盐度对3-OHP在PVC上的吸附效率影响不大;(5)DFT理论计算结果表明PVC对3-OHP结合能相对较低,因此推测PVC对3-OHP的主要吸附机制可能是疏水作用,还可能存在弱氢键作用、卤素键作用以及π-π共轭作用。研究揭示了PVC微塑料与有机物相互作用方式,明确了PVC微塑料对3-OHP的吸附模式,探讨了PVC微塑料对3-OHP的相互作用机制,有助于更好地了解PVC微塑料在水溶液中的环境行为。该研究为科学评价微塑料的环境影响提供数据参考,并进一步补充了微塑料的毒理学机制数据。