等离子体活化水高效降解水体中聚苯乙烯微塑料：机理解析、生命周期评估与环境安全性研究

本文系统阐述了等离子体活化水（PAW）技术在2小时内实现81.8%聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）降解效率的突破性进展。研究通过原位电子顺磁共振（EPR）/化学探针、发射光谱（OES）与密度泛函理论（DFT）联合验证了•OH引发苯甲位氢提取-过氧化-β断裂的链式降解机理，结合多尺度表征（SEM/FTIR/UV-Vis/TOC/Mw）揭示了从表面粗糙化到低分子产物释放的演化路径。生命周期评估（LCA）显示该技术碳足迹低于光催化和活性炭吸附，技术经济分析（TEA）表明连续流操作与可再生能源可优化成本效益。

　　

研究亮点

通过等离子体活化水（PAW）实现水体中聚苯乙烯微塑料（PS-MPs）的高效降解，构建了反应器-分子-系统一体化研究框架。在初始浓度1 g/L条件下，2小时降解效率达81.8%。结合原位电子顺磁共振（EPR）、化学探针与发射光谱（OES）解析气液界面自由基微环境，密度泛函理论（DFT）计算表明•OH引发的苯甲位氢提取-过氧化-β断裂是动力学最优的主链断裂路径。有限元场模拟揭示了针尖高压热点与界面自由基通量的关联性。

结论

本研究提出的一体化框架在2小时内实现81.8%的聚苯乙烯微塑料去除率，同步完成了机理验证、系统性能评估与生态相关性闭环。原位EPR与化学探针、OES共同解析界面自由基微环境；DFT理论支持以羟基自由基（•OH）引发苯甲位氢提取为起点的过氧化-β断裂降解路径；多尺度表征（SEM/FTIR/UV-Vis/TOC/Mw）显示从表面粗糙化到氧化断链的阶段性演化，气相色谱-质谱联用（GC-MS）证实低分子量产物的释放。时序生态毒性测试表明延长处理可降低急性毒性，产出物对小球藻（Chlorella vulgaris）和绿豆（Vigna radiata）毒性较低，部分产物可被微生物利用。生命周期评估（LCA）显示该技术碳足迹低于光催化与活性炭吸附，技术经济分析（TEA）指出连续流操作与可再生能源供电具备成本优势。