等离子体改性微塑料促进Cd(II)迁移的分子机制及环境风险研究

针对等离子体处理水中残留微塑料(MPs)可能成为重金属载体的环境风险问题，研究人员通过批实验和柱实验探究了介质阻挡放电(DBD)等离子体改性前后聚乙烯(PE)和聚酰胺(PA)对Cd(II)的吸附共迁移行为。发现等离子处理通过表面极性官能团嫁接显著增强MPs对Cd(II)的吸附能力，DFT计算揭示其机制源于空间位阻降低及氢键/范德华力增强。研究为评估等离子技术应用后MPs的环境归趋提供了重要依据。

　　

随着工业发展，重金属污染已成为全球性环境难题。其中镉(Cd)因其高生物毒性和长半衰期备受关注，全球约2.35亿公顷耕地已遭受重金属污染。与此同时，环境中广泛存在的微塑料(MPs)因其巨大比表面积，可能成为重金属的"特洛伊木马"。介质阻挡放电(DBD)等离子体技术虽能高效降解水中有机污染物，却难以彻底分解MPs，这些经等离子体表面改性的MPs可能以未知方式改变重金属的环境行为。

针对这一科学盲区，国家自然科学基金资助项目团队开展了创新性研究。通过结合宏观实验与微观计算，首次系统揭示了等离子体改性MPs对Cd(II)迁移的促进机制。研究发现，DBD等离子处理使PE和PA两种MPs表面产生更多褶皱裂纹，比表面积增加，同时引入丰富含氧官能团。批实验显示改性MPs对Cd(II)吸附量提升显著，FT-IR证实羧基等官能团是关键吸附位点。密度泛函理论(DFT)计算从分子层面阐明，改性MPs与Cd(II)的相互作用能提高2-3倍，主要源于空间位阻降低及增强的氢键/范德华力。

柱迁移实验则发现，在pH=7、离子强度1mM的模拟地下水中，改性MPs可使Cd(II)在石英砂柱中的穿透率提高15%-20%。DLVO理论分析表明，改性MPs表面电位更负，与砂粒间的排斥能垒降低是共迁移增强的主因。特别值得注意的是，改性MPs能显著抑制Cd(II)在柱底的沉积，这种"载体效应"在环境风险评估中需重点考量。

该研究创新性地将等离子体技术、环境行为研究和理论计算相结合，首次阐明等离子体改性MPs对重金属迁移的促进作用机制。成果发表于《Environmental Pollution》，不仅为评估新兴污染控制技术的潜在环境风险提供了范式，更警示在推广等离子体水处理技术时，需配套开发MPs深度去除工艺。未来研究应关注改性MPs-重金属复合体在真实环境中的长距离迁移规律及生态效应，为环境管理决策提供科学依据。

主要技术方法：

1. 介质阻挡放电(DBD)等离子体处理系统制备改性MPs
2. 批吸附实验考察pH/离子强度对Cd(II)吸附的影响
3. 柱实验模拟多孔介质中MPs-Cd(II)共迁移行为
4. 扫描电镜(SEM)和比表面积(BET)分析MPs形貌变化
5. 傅里叶变换红外光谱(FT-IR)表征表面官能团
6. 密度泛函理论(DFT)计算分子间相互作用能
7. DLVO理论解析胶体-砂粒相互作用

研究结果：
化学物质表征：
实验采用分析纯CdCl₂
配制Cd(II)溶液，石英砂经酸洗去除金属杂质，确保背景干扰最小化。

MPs结构及理化性质：
SEM显示等离子处理使MPs表面褶皱和裂纹增多，BET比表面积增加30%-50%。FT-IR证实处理后含氧官能团(如C=O)显著增加，zeta电位降低5-8mV，亲水性增强。

吸附行为：
改性MPs对Cd(II)的吸附量提升2-3倍，最佳pH=6时PE-MPs吸附量达12.3mg/g。离子强度实验表明外层络合是主要吸附机制。

迁移机制：
在1mM NaCl背景下，改性MPs使Cd(II)穿透率从65%提升至80%以上。DLVO计算显示改性MPs与砂粒间排斥能垒降低40%，这是共迁移增强的关键。

结论与讨论：
本研究证实等离子体处理通过物理刻蚀和化学改性双重作用，使MPs成为更高效的重金属载体。DFT计算首次从电子云密度角度揭示，羧基氧原子与Cd(II)的轨道杂化是吸附增强的量子化学基础。环境意义在于指出：等离子体技术虽能净化水质，但残留改性MPs可能加剧重金属扩散风险。建议未来研究应关注实际环境中共存污染物对MPs载体效应的调控作用，并开发针对改性MPs的深度去除技术。