利用光芬顿氧化法从水中去除纺织微塑料纤维

《Water Research》：Removal of textile microplastic fibers from water by photo-Fenton oxidation

本研究采用光催化芬顿法降解合成纤维微塑料（MFs），发现500 mg/L H?O?初始浓度下4小时降解率达40.6%，16小时接近完全降解（99%）。通过SEM-EDS和ATR-FTIR分析，证实MFs表面出现氧化石英化特征，形成微孔和裂纹，且总有机碳（TOC）显著降低，表明有效矿物化。实验验证了Shrinking Core模型对降解动力学的适用性，并评估了纤维形态和真实废水对降解效率的影响。

　　在当今社会，随着合成纤维在服装行业的广泛应用，微塑料纤维（Microplastic Fibers, MFs）已成为一个日益严重的环境问题。这些微塑料纤维通常源自于合成织物，如聚酯（Polyethylene Terephthalate, PET）或聚酰胺（Polyamide, PA），它们在洗涤过程中释放进入废水，最终进入水生生态系统并可能通过食物链影响到更广泛的生物和人类健康。因此，研究如何有效去除这些微塑料纤维成为环保科技领域的重要课题。

### 微塑料纤维的环境影响

微塑料纤维因其细小的尺寸和持久的化学性质，对环境造成了深远的影响。它们不仅在水体中广泛存在，还可能通过水循环进入土壤、沉积物和空气。在水生生态系统中，这些微塑料纤维由于其表面的高吸附能力，能够捕获多种有毒物质、病原微生物以及其他污染物。这种吸附特性不仅增加了其在环境中的迁移能力，还可能放大对生态系统的潜在危害。例如，研究表明，微塑料纤维在低至中等营养级生物体内会引起氧化应激、体重减轻和生殖功能受损等生物效应，表明其对生态系统的潜在威胁。对于人类而言，长期暴露于微塑料纤维可能带来诸如炎症反应、内分泌干扰以及有毒物质生物累积等健康风险。鉴于其广泛存在和潜在危害，科学界正积极寻求创新策略以减轻其环境影响。

### 先进氧化过程在微塑料纤维去除中的应用

为了应对这一挑战，先进的氧化处理技术（Advanced Oxidation Processes, AOPs）被提出作为一种可能的解决方案。AOPs能够有效地矿化顽固的有机污染物，因此在去除微塑料纤维方面展现出良好的前景。这些技术包括均相和非均相两种类型，前者通过H?O?、臭氧或芬顿体系生成自由基，后者则利用固态催化剂或电氧化过程进行去除。然而，尽管这些技术在去除微塑料方面取得了一定进展，但它们的去除效率仍然相对较低，且通常需要较长的反应时间和较高的试剂剂量。此外，针对微塑料纤维的研究仍然较少，因此有必要探索其他先进的氧化策略。

### 本研究的创新点与实验设计

本研究首次采用光芬顿（Photo-Fenton）工艺对纺织品微塑料纤维进行降解实验，并通过测量重量损失和分析废水中溶解有机碳（TOC）来评估其矿化能力。为了全面理解光芬顿处理对微塑料纤维的影响，研究还结合了扫描电子显微镜（SEM）与能谱分析（EDS）以及傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）等技术，以分析纤维的形态变化和化学组成。此外，实验中还考察了不同浓度的过氧化氢（H?O?）对降解效率的影响，并通过缩核模型（Shrinking Core Model, SCM）对反应动力学进行了分析。为了验证该方法在实际应用中的可行性，研究还使用了来自家庭洗衣循环收集的微塑料纤维作为真实样品进行处理。

### 实验条件与结果分析

实验中，PET微塑料纤维的初始浓度为20 mg/L，H?O?的初始浓度从50 mg/L到1000 mg/L不等，Fe3+的浓度保持为1 mg/L，反应温度控制在25°C，pH值设定为3。通过改变H?O?的浓度和反应时间，研究发现当H?O?的初始浓度为500 mg/L时，经过4小时反应，PET微塑料纤维的重量损失达到了40.6%。而在16小时的处理条件下，重量损失进一步提升至99%，同时TOC的含量低于0.5 mg/L，表明矿化程度非常高。这些结果不仅展示了光芬顿处理在去除微塑料纤维方面的潜力，还说明了其在实际应用中可能具有较高的可行性。

### 反应动力学模型的应用

在反应动力学分析中，研究采用了缩核模型（SCM）来描述PET微塑料纤维在光芬顿条件下的降解过程。该模型假设反应发生在固体颗粒的表面，并且随着反应的进行，颗粒逐渐缩小。通过实验数据拟合，研究发现当假设化学反应为速率控制步骤时，SCM能够很好地描述反应过程，且相关系数R2大于0.99。这一结果表明，光芬顿处理在PET微塑料纤维的降解过程中主要受到化学反应的控制，而不是扩散或其他因素的限制。此外，研究还分析了不同形态的纤维对降解效率的影响，发现虽然低温研磨增加了纤维的表面积，但同时也提高了结晶度，从而降低了可被氧化的非晶区域的比例，导致两种形态的纤维在降解效率上相近。

### 实际样品的处理效果

为了验证光芬顿处理在实际环境中的适用性，研究还使用了来自家庭洗衣机的滤网中收集的微塑料纤维进行实验。这些纤维在化学组成和形态上表现出较大的异质性，包括多种合成纤维如聚酯、尼龙以及天然纤维如丝和棉。在相同的实验条件下，这些实际样品的重量损失仅为28%，远低于实验室条件下PET微塑料纤维的40%。这一差异主要归因于实际样品中纤维的直径较大以及不同聚合物的氧化敏感性不同。此外，实际样品中可能存在的其他有机和无机成分也可能影响反应的进行，例如通过竞争自由基或吸收辐射。

### 技术背景与未来展望

目前，大多数微塑料纤维的去除主要依赖于传统的污水处理厂（WWTPs）中的物理分离过程，如膜生物反应器（MBRs）、快速砂滤（RSF）和溶解空气浮选（DAF）。这些技术虽然在去除微塑料纤维方面表现出较高的效率，但它们往往只是通过物理手段将纤维转移到污泥中，而非真正将其降解。因此，这些方法在减少微塑料纤维的环境影响方面存在局限性。相比之下，光芬顿等先进的氧化处理技术能够实现微塑料纤维的矿化，从而从根本上减少其对环境的污染。然而，该技术在实际应用中仍面临一些挑战，如较长的反应时间、对人工辐射的依赖以及需要维持酸性pH值等。因此，未来的研究应着重于提高光芬顿处理的能效，并探索适用于实际废水处理的太阳能辅助或连续流光芬顿系统。

### 结论

本研究证实了光芬顿处理在去除PET微塑料纤维方面的有效性。在优化条件下，经过16小时的反应，PET微塑料纤维的重量损失接近99%，并且废水中TOC的含量显著降低，表明矿化程度非常高。通过实验数据拟合，研究发现缩核模型能够很好地描述反应动力学，且化学反应是主要的速率控制因素。此外，研究还表明，虽然纤维的形态对降解效率有一定影响，但整体效果较为有限。在实际样品的处理中，由于纤维的异质性和直径较大，其降解效率低于实验室条件下的PET微塑料纤维。因此，尽管光芬顿处理在实验室中表现出色，但在实际应用中仍需进一步优化，以提高其能效和适应性。未来的研究应关注如何改进光芬顿处理技术，使其更适用于真实废水处理场景，并探索更高效的反应条件和设备配置，以实现对微塑料纤维的全面去除和矿化。