聚乙烯微塑料在饱和多孔介质中的传输与滞留：物理化学性质的影响

《Environmental Pollution and Management》：Transport and retention of polyethylene microplastics in saturated porous media: Effect of physicochemical properties

微塑料（PE-MPs）在饱和多孔介质中的迁移受pH和离子强度显著影响。实验室砂柱实验表明，高pH（9）和低离子强度（0.1 mM）促进PE-MPs迁移，而低pH（5）和高离子强度（10 mM）增强滞留，归因于电化学作用变化。研究结果为地下水保护、雨水管理及过滤系统设计提供科学依据。

　　微塑料（Microplastics, MPs）作为一类新型污染物，因其在生态系统中的广泛存在及其潜在的生态和健康风险而受到全球关注。微塑料通常指尺寸在1微米至5毫米之间的塑料颗粒，它们主要来源于合成聚合物的降解或人为排放。由于其体积小、比表面积大，微塑料能够与多种有机和无机污染物相互作用，并可能被水生和陆地生物摄入，从而对生态系统和人类健康构成威胁。此外，微塑料还可能通过环境介质之间的迁移（如水与土壤）进入地下水系统，进一步扩大其影响范围。因此，理解微塑料在地下水等饱和多孔介质中的迁移与滞留行为，对于准确评估其潜在风险以及制定有效的地下水保护策略具有重要意义。

本研究聚焦于聚乙烯微塑料（Polyethylene Microplastics, PE-MPs）在饱和多孔介质中的迁移和滞留行为。研究对象为尺寸在150至180微米之间的PE-MPs，这一尺寸范围在自然环境中较为常见。为了更贴近实际环境条件，研究通过实验室控制的沙柱实验模拟了不同水化学条件下的PE-MPs迁移过程。实验中系统考察了pH值（5、7、9）和离子强度（0.1、1、10毫摩尔/升NaCl）对PE-MPs迁移行为的影响。通过对比不同条件下微塑料的迁移效率和滞留情况，研究揭示了水化学参数在控制微塑料命运中的关键作用。

研究结果表明，较高的pH值（pH 9）显著增强了PE-MPs的迁移能力。在pH 9条件下，微塑料与沙粒表面之间的静电吸引力被削弱，从而减少了其在多孔介质中的滞留。这种现象与DLVO理论（Derjaguin–Landau–Verwey–Overbeek理论）相吻合，该理论描述了颗粒之间的相互作用力，包括范德华力和静电相互作用。在低pH条件下，微塑料与沙粒表面之间的静电排斥力减弱，导致微塑料更容易沉积在介质中，从而降低其迁移效率。同样，较低的离子强度（0.1毫摩尔/升NaCl）也有助于微塑料的迁移，因为它减少了离子对颗粒表面电荷的屏蔽作用，使得微塑料与介质之间的静电相互作用更加显著。相反，较高的离子强度（1和10毫摩尔/升NaCl）则会增强微塑料的沉积，降低其迁移率。这些发现表明，水化学条件在微塑料在多孔介质中的迁移和滞留过程中起到了决定性作用。

实验中使用的沙柱介质由二氧化硅砂组成，这是一种广泛用于模拟自然土壤的实验材料。二氧化硅砂的粒径范围为1.18至2.36毫米，对应的ASTM筛号为16至8号。为了确保实验的准确性，二氧化硅砂在实验前经过预处理，包括使用去离子水清洗、浸泡在0.1摩尔/升氢氧化钠（NaOH）溶液中24小时，以及随后浸泡在0.1摩尔/升硝酸（HNO?）溶液中24小时。这一过程去除了可能影响实验结果的杂质，并确保了沙粒表面的电荷特性符合实验需求。实验中还采用了高精度的沙柱设计，包括使用硼硅酸盐玻璃柱，以减少材料对实验结果的干扰。实验过程中，通过连续搅拌和超声波处理，确保了PE-MPs悬浮液的均匀性，从而提高了实验数据的可靠性。

实验结果显示，在不同离子强度条件下，PE-MPs的迁移行为存在显著差异。当离子强度较低时（0.1毫摩尔/升NaCl），PE-MPs的迁移效率较高，表现为较早的突破时间和较高的峰值浓度。而在较高离子强度条件下（1和10毫摩尔/升NaCl），迁移效率明显下降，突破曲线的峰值较低且分布范围较广。这表明，随着离子强度的增加，微塑料与沙粒之间的相互作用力增强，导致更多的微塑料沉积在介质中，从而减少了其向地下水迁移的可能性。实验中还发现，随着离子强度的增加，微塑料的回收率显著降低，例如在0.1毫摩尔/升NaCl条件下，回收率为2.74%，而在10毫摩尔/升NaCl条件下，回收率仅为1.64%。这种变化趋势与之前关于其他微塑料（如PET和PP）在不同离子强度条件下的迁移研究结果相一致，进一步支持了离子强度对微塑料迁移行为的调控作用。

除了离子强度，pH值对PE-MPs的迁移也产生了重要影响。在pH 9条件下，微塑料的迁移效率最高，表现为突破曲线的峰值浓度达到0.0219，而pH 5条件下迁移效率最低，仅为0.011。这一结果表明，较高的pH值通过增强微塑料与沙粒之间的静电排斥力，促进了其迁移。相比之下，较低的pH值则增强了微塑料与沙粒之间的吸附作用，从而降低了其迁移率。文献指出，二氧化硅砂在典型地下水条件下的表面电荷为负，且其电荷强度随pH值的升高而增加。因此，在高pH条件下，微塑料与沙粒之间的静电排斥力增强，使得微塑料更难沉积在介质中，从而更容易迁移。相反，在低pH条件下，微塑料与沙粒之间的静电吸引力增强，导致更多的微塑料滞留于介质中，降低了其在地下水中的迁移潜力。

实验中还发现，PE-MPs的迁移行为与微塑料的物理化学特性密切相关。与具有羧基或羟基等官能团的其他微塑料（如PET和PP）相比，PE-MPs由于缺乏这些官能团，其在水中的悬浮稳定性较低。此外，PE-MPs的疏水性可能促使其更容易与非极性表面相互作用，例如某些多孔介质中的矿物表面或有机质。这种特性可能导致PE-MPs在低pH条件下更容易沉积在介质中，而在高pH条件下则更倾向于迁移。此外，微塑料的密度也是影响其迁移的重要因素。PE-MPs的密度较低（约为0.96克/立方厘米），这可能使得其在饱和多孔介质中的迁移受到重力沉降和浮力的影响。例如，Li等人的研究表明，低密度微塑料在饱和介质中的迁移受到浮力的显著抑制，从而降低了其迁移效率。

实验中采用的PE-MPs悬浮液浓度为200毫克/升，这一浓度虽然高于自然环境中通常观察到的微塑料浓度，但与之前实验室规模研究中使用的浓度相似，有助于揭示微塑料在多孔介质中的基本迁移机制。实验过程中，通过连续注入悬浮液并随后用背景溶液冲洗，确保了微塑料在介质中的充分迁移和沉积。实验结果显示，在高pH和低离子强度条件下，微塑料的迁移效率显著提高，而在低pH和高离子强度条件下，迁移效率则明显下降。这些发现不仅有助于理解微塑料在地下水等饱和多孔介质中的行为，也为开发有效的微塑料污染防控策略提供了科学依据。

此外，实验还发现，不同粒径的微塑料在多孔介质中的迁移行为存在显著差异。较小的微塑料颗粒（如100纳米）由于其较大的比表面积和更强的悬浮能力，通常比较大的颗粒更容易迁移。而较大的颗粒（如150至180微米）则更容易因孔隙结构的限制而被滞留，这一现象称为“筛分效应”。在本研究中，所使用的PE-MPs尺寸（150至180微米）属于较大的颗粒，因此在实验中表现出较高的滞留率。这一结果与之前关于其他微塑料颗粒的研究结果一致，表明粒径是影响微塑料迁移的重要因素之一。

本研究的实验设计和结果分析为理解微塑料在自然环境中的迁移提供了重要的科学依据。通过模拟地下水中的化学条件，研究揭示了pH值和离子强度对微塑料迁移行为的调控作用。这些发现不仅有助于评估微塑料在地下水系统中的潜在风险，也为设计和优化微塑料污染防控技术提供了理论支持。例如，研究结果表明，在高离子强度或低pH条件下，微塑料更容易被滞留于土壤或沙滤系统中，这为水处理厂和地下水保护工程提供了优化方向。在高pH和低离子强度条件下，微塑料的迁移效率较高，这可能意味着在某些自然环境中，微塑料更容易进入地下水系统，从而需要采取更严格的管理措施。

从政策和管理角度来看，本研究的结果强调了水化学条件在微塑料迁移中的关键作用。因此，在制定地下水保护政策和管理措施时，应充分考虑水化学参数对微塑料行为的影响。例如，在城市排水系统或工业排放中，高离子强度的废水可能更容易促进微塑料在土壤中的滞留，从而减少其向地下水迁移的可能性。而在某些自然环境中，如酸性土壤或低离子强度的地下水系统，微塑料的迁移潜力可能更高，因此需要采取相应的防控措施。此外，研究还指出，微塑料的迁移行为不仅受水化学条件的影响，还可能受到介质物理特性和颗粒间相互作用的影响，因此未来的研究应进一步探讨这些因素对微塑料迁移的具体影响机制。

总的来说，本研究通过实验室控制的沙柱实验，系统地评估了pH值和离子强度对聚乙烯微塑料在饱和多孔介质中的迁移和滞留行为的影响。研究结果表明，高pH和低离子强度条件有利于微塑料的迁移，而低pH和高离子强度条件则增强了微塑料的滞留。这些发现为理解微塑料在地下水等环境中的行为提供了新的机制视角，并为制定有效的微塑料污染防控策略奠定了科学基础。未来的研究可以进一步探讨微塑料的物理化学特性（如表面粗糙度、官能团类型和粒径分布）对迁移行为的影响，以更全面地模拟自然环境中的微塑料迁移过程。此外，结合定量模型和多孔介质的异质性特征，研究可以更准确地预测微塑料在不同环境条件下的迁移趋势，从而为地下水保护和污染治理提供更科学的依据。