利用聚合硫酸铁和Opuntia Milpa Alta颗粒的协同混凝-絮凝作用，提高聚苯乙烯微塑料的去除效果

《Process Safety and Environmental Protection》：Synergistic coagulation-flocculation using polymeric ferric sulfate and Opuntia Milpa Alta particles for enhanced polystyrene microplastic removal

本研究开发了一种基于OMA仙人掌与聚铁硫酸盐（PFS）的新型生物协同絮凝系统，显著提升微塑料（MPs）去除效率。优化条件（20 mg/L OMA，120 mg/L PFS，pH 9.2）实现93.6%的PS微塑料去除率，较单一PFS成本降低82.2%。机制包括电荷中和、吸附桥接及絮体包裹，环境参数测试显示pH 7-9、Ca2?/Mg2?（1.0-5.0 mmol/L）促进去除，而Cl?/SO?2?/HCO??抑制效果。

　　微塑料污染已成为全球环境问题中的一个重大挑战。微塑料（MPs）广泛存在于水体系统中，不仅威胁生态健康，还对人类健康构成潜在风险。目前，去除微塑料的方法往往受限于效率低下或能耗过高。因此，本研究致力于开发一种新型的生物凝聚系统，结合*Opuntia Milpa Alta*（OMA）仙人掌与聚合硫酸铁（PFS），以高效去除聚苯乙烯（PS）微塑料。通过系统化的烧杯实验，在控制条件下（PFS：45–120 mg/L；OMA：5–25 mg/L；pH：4–10）发现，OMA的加入不仅提升了凝聚性能，还显著降低了所需的PFS用量。分析技术包括扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和Zeta电位测量，表明去除机制涉及电荷中和、吸附桥接和絮体捕获。环境参数测试显示，在pH 7–9时性能最佳，Ca2?和Mg2?离子（1.0–5.0 mmol/L）增强了去除效果，而Cl?（2.0–10 mmol/L）、SO?2?（0.4–2.0 mmol/L）和HCO??（1.0–5.0 mmol/L）则具有抑制作用。利用响应面法，最佳条件（OMA 20 mg/L，PFS 120 mg/L，pH 9.2）实现了93.6%的去除效率。在达到90%去除效率的情况下，使用45 mg/L PFS和OMA的复合系统相比单独使用PFS，降低了82.2%的化学品成本。这些结果表明，OMA–PFS凝聚剂为水处理中的微塑料污染控制提供了一种环保且经济的替代方案。

塑料污染问题日益严重，已经成为全球环境危机的重要组成部分。据估计，大约有63亿吨的塑料废弃物存在于自然生态系统中，且每年的塑料生产量以1200万吨的速度快速增长。塑料在自然环境中的风化过程，包括机械磨损和紫外线辐射，使其逐渐分解为微塑料（MPs，<5 mm）和纳米塑料（NPs，<1000 nm）。这些微小颗粒的环境迁移性和生物可利用性显著增强，从而对生态和人类健康造成威胁。微塑料的来源多种多样，主要分为初级微塑料（如化妆品和工业磨料中故意制造的微小颗粒）和次级微塑料（如包装材料、渔网和纺织纤维等较大塑料物品的降解产物）。例如，在未经控制的废弃物处理条件下，聚氯乙烯（PVC）等常见塑料的热降解过程，涉及脱氢氯化和碳链断裂等不同阶段，是次级微塑料形成的重要途径。

次级微塑料因其持久性、高比表面积以及对共存污染物（如疏水有机化合物、重金属和病原微生物）的吸附能力，对生态环境和人类健康构成了显著风险。微塑料一旦被摄入或吸入，可能引发氧化应激、炎症反应和代谢紊乱。纳米塑料由于其微小的尺寸，能够穿越生物屏障和细胞膜，导致更严重的细胞毒性。例如，带电的纳米塑料已被证明会在水生昆虫体内积累，干扰与发育和氧化应激相关的基因表达，并显著影响关键的生命历史特征，如出现率和时间。此外，微塑料还能作为其他污染物的载体，增强其迁移和生物可利用性。研究显示，微塑料如聚乙烯（PE）能够通过自发放热过程有效吸附农药如二嗪农（DZN），从而在进入食物链时可能产生协同毒性效应。新兴证据表明，微塑料介导的复合污染物表现出协同毒性，其环境危害性大于单一污染物。微塑料在水体和陆地系统中的普遍存在，威胁着生态系统的完整性，并通过食物链中的生物累积对人类健康构成威胁。这种双重威胁凸显了开发针对复合微塑料污染物的高效治理技术的重要性。

目前，用于去除微塑料的水处理技术包括吸附法、高级氧化、过滤、磁分离、光催化和凝聚-絮凝系统。此外，基于生物的去除方法因其可持续性而受到越来越多的关注。例如，富含单宁的天然材料如橡木粉，已被证明在去除聚苯乙烯（PS）微塑料方面具有高效性（最高可达89.1%），其机制包括表面吸附和电荷中和。同样，使用藻类生物质如*Chlorella vulgaris*也代表了一种绿色替代方案，通过吸附和生物絮凝实现显著去除，且可通过响应面法进行优化。在这些方法中，凝聚技术因其操作简便、效果显著以及与现有水处理基础设施的兼容性，成为去除微塑料的特别有前景的方法。传统的饮用水处理厂（DWTPs）采用多级凝聚工艺，已实现超过88%的微塑料去除效率，其中凝聚-沉淀对颗粒去除贡献最大。然而，传统金属基凝聚剂（如铝和铁盐）存在局限性，包括微塑料去除效率有限以及金属渗出导致的二次污染风险。虽然复合凝聚剂如聚合硫酸铁（PFS）和聚铝钛氯（PATC）表现出更好的性能，但仍然面临剂量需求和环境兼容性方面的挑战。这些局限性突显了开发新型、环保的凝聚剂以增强微塑料去除能力的必要性。

源自植物材料的生物聚合物因其对传统凝聚剂的可持续替代潜力而受到关注。多种植物，包括*Moringa oleifera*、*Strychnos potatorum*、*Opuntia ficus-indica*、*Phaseolus vulgaris*和*Ipomoea nil*，通过其黏液和富含多电荷的提取物表现出天然的凝聚特性。其中，特别值得关注的是*Opuntia ficus-indica*，这是一种广泛可用的耐旱植物，其黏液成分兼具凝聚剂和生物吸附剂的双重功能。仙人掌黏液中的阴离子多电荷聚合物在酸性条件下能够有效实现电荷中和，而其树枝状大分子结构则有助于颗粒间的桥接。此外，仙人掌衍生材料在水体系统中表现出对重金属、有机化合物和合成染料的显著吸附能力。与传统生物聚合物仅作为絮凝剂不同，OMA颗粒同时作为污染物-凝聚剂聚集体的物理吸附位点和成核中心，从而增强絮体捕获和沉降。

尽管已有大量研究关注仙人掌衍生材料在重金属和染料去除方面的应用，但其在微塑料治理中的使用尚未得到充分探索。为弥补这一知识空白，本研究系统性地考察了通过结合*Opuntia Milpa Alta*（OMA）仙人掌与聚合硫酸铁（PFS）的新型混合系统，对聚苯乙烯（PS）微塑料的协同去除效率。由于PS是水体环境中最常见的微塑料之一，且其负表面电荷使其成为许多常见微塑料的代表，因此在本研究中选择了PS作为目标聚合物。尽管环境中的微塑料浓度非常低，但实验设计采用相对较高的浓度（100 mg/L）以系统性地评估去除机制，并优化处理参数。未来的研究将关注具有环境相关浓度的天然水体基质。本研究进一步阐明了OMA增强颗粒失稳的凝聚机制，特别是电荷中和和颗粒间桥接现象。此外，还研究了在真实离子条件下（如Cl?、SO?2?、HCO??、Ca2?和Mg2?）的环境适应性。本研究的成果将提出一种高效且环保的微塑料治理策略，通过使用生物基凝聚剂实现。

在本研究中，我们重点研究了PFS与OMA协同作用对PS微塑料去除效率的影响。实验采用控制条件（初始pH 9，PS浓度100 mg/L）进行不同剂量PFS的处理，以评估其对PS去除效果的影响。值得注意的是，未添加凝聚剂的对照实验仅实现了极低的PS去除率（0.8%–2.6%），主要原因是PS（密度1.04–1.08 g/cm3）与水的密度相近，这大大抑制了其自然沉降。实验结果表明，随着PFS剂量的增加，PS的去除效率也随之提升。这一趋势显示，PFS在去除微塑料方面具有显著的作用，尤其是在适当条件下，其对微塑料的吸附和絮凝能力得到了充分发挥。通过结合OMA，不仅能够进一步增强这种去除效果，还能够在减少PFS用量的同时，提高整个系统的效率和环保性。

OMA的加入对凝聚过程的影响是多方面的。首先，OMA的黏液成分能够与PFS形成协同作用，增强其对微塑料的吸附能力。其次，OMA的多电荷特性能够有效中和微塑料表面的电荷，从而降低其在水体中的稳定性，促进絮凝和沉降。此外，OMA的结构特性，如其树枝状大分子结构，能够形成颗粒间的桥接，进一步促进微塑料的聚集。这些机制共同作用，使得OMA–PFS系统在去除微塑料方面表现出更高的效率。通过系统的烧杯实验和响应面法优化，我们找到了最佳的处理条件，即OMA用量为20 mg/L，PFS用量为120 mg/L，pH值为9.2，此时PS的去除效率达到了93.6%。这一结果表明，OMA–PFS系统在去除微塑料方面具有显著的优势，特别是在降低化学品成本和提高处理效率方面。

在实际应用中，OMA–PFS系统的环保性和经济性尤为突出。与传统金属基凝聚剂相比，OMA–PFS系统能够显著减少PFS的用量，从而降低处理成本。此外，OMA作为一种天然材料，其来源广泛且可再生，进一步增强了系统的可持续性。实验数据显示，在达到90%去除效率的情况下，OMA–PFS系统的化学品成本比单独使用PFS降低了82.2%。这一成本优势使得该系统在实际水处理中具有更高的可行性。同时，OMA–PFS系统在去除微塑料时，对环境的影响较小，能够有效减少二次污染的风险。这为微塑料污染的治理提供了一种更加环保和经济的解决方案。

此外，OMA–PFS系统的环境适应性也是其优势之一。实验表明，在pH值为7–9的范围内，该系统表现出最佳的去除效果。而Ca2?和Mg2?离子的存在进一步增强了去除效率，而Cl?、SO?2?和HCO??离子则具有一定的抑制作用。这表明，OMA–PFS系统能够在不同的水体环境中保持较高的去除效率，具有良好的适用性。通过调整水体中的离子浓度，可以进一步优化该系统的性能，使其在更广泛的条件下发挥作用。这种灵活性使得OMA–PFS系统在实际水处理中更具优势。

在研究过程中，我们还关注了OMA与PFS协同作用的机理。通过扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱和Zeta电位测量等分析技术，我们发现OMA–PFS系统的去除机制包括电荷中和、吸附桥接和絮体捕获。电荷中和是通过PFS衍生的Fe3?物种实现的，这些物种能够中和PS微塑料表面的负电荷，从而降低其在水体中的稳定性。吸附桥接则是通过OMA的黏液成分实现的，这些成分能够吸附微塑料并形成桥接结构，促进颗粒的聚集。絮体捕获则是通过OMA和PFS共同作用形成的絮体，将微塑料包裹并促进其沉降。这些机制共同作用，使得OMA–PFS系统在去除微塑料方面表现出更高的效率。

本研究的成果不仅为微塑料污染的治理提供了新的思路，也为水处理技术的发展带来了启示。OMA–PFS系统的高效性和经济性表明，生物基凝聚剂在微塑料去除方面具有显著的优势。此外，该系统的环保性也表明，其在减少二次污染和提高可持续性方面具有潜力。通过结合天然材料和化学凝聚剂，可以实现对微塑料的高效去除，同时降低对环境的影响。这种混合系统的开发，为未来的水处理技术提供了新的方向。

在实验设计中，我们采用了相对较高的PS浓度（100 mg/L）以确保能够充分评估去除机制和优化处理参数。这一设计使得我们能够在实验室条件下模拟真实水体中的微塑料污染情况，从而为实际应用提供可靠的数据支持。尽管环境中的微塑料浓度通常较低，但通过提高实验浓度，我们能够更清晰地观察到不同处理条件对去除效率的影响，从而找到最佳的处理方案。未来的研究将进一步探讨在真实水体基质中的应用，以验证该系统的实际效果。

本研究还探讨了OMA–PFS系统在不同离子条件下的适应性。实验结果显示，Ca2?和Mg2?离子能够增强系统的去除效率，而Cl?、SO?2?和HCO??离子则具有一定的抑制作用。这表明，OMA–PFS系统能够在不同的水体环境中保持较高的去除效率，具有良好的适用性。通过调整水体中的离子浓度，可以进一步优化该系统的性能，使其在更广泛的条件下发挥作用。这种灵活性使得OMA–PFS系统在实际水处理中更具优势。

此外，OMA–PFS系统的应用前景广阔。由于其高效的去除能力和较低的化学品成本，该系统有望在未来的水处理中得到广泛应用。特别是在微塑料污染较为严重的地区，OMA–PFS系统能够提供一种可持续的解决方案。通过进一步研究和优化，可以推动该系统的实际应用，使其在环境保护和水资源治理中发挥更大作用。

本研究的成果表明，OMA–PFS系统在去除微塑料方面具有显著的优势，其高效性和经济性为水处理技术的发展提供了新的方向。同时，该系统的环保性也表明，其在减少二次污染和提高可持续性方面具有潜力。通过结合天然材料和化学凝聚剂，可以实现对微塑料的高效去除，同时降低对环境的影响。这种混合系统的开发，为未来的水处理技术提供了新的思路。此外，本研究的成果也为进一步研究其他类型的微塑料提供了基础，未来可以拓展至其他常见微塑料的去除研究，如聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）等。

综上所述，OMA–PFS系统的开发为微塑料污染的治理提供了一种高效、经济且环保的解决方案。通过系统的实验研究和优化，我们找到了最佳的处理条件，并验证了该系统的去除机制。这些成果不仅有助于提高水处理技术的效率，也为环境保护提供了新的途径。未来的研究将进一步探索该系统在真实水体中的应用，以验证其实际效果，并推动其在更广泛的水处理场景中发挥作用。