微塑料对双氯芬酸钠和文拉法辛的吸附机制：基于光谱学与密度泛函理论的分子水平解析

针对微塑料(MPs)与药物活性化合物(PhACs)协同污染的环境风险，研究人员通过批式吸附实验结合光谱分析(FTIR/XPS)和密度泛函理论(DFT)，揭示了聚苯乙烯(PSMPs)和聚乳酸(PLAMPs)对双氯芬酸钠(DCF)和文拉法辛(VLF)的吸附机制。发现静电作用主导吸附过程，最大吸附量达6.234 mg g-1 ，为水环境中复合污染治理提供理论依据。

　　

在全球"塑料圈"污染日益严重的背景下，微塑料(MPs)与药物活性化合物(PhACs)的复合污染问题正引发环境科学界的深度忧虑。传统塑料如聚苯乙烯(PS)难以降解，而新兴的可降解塑料聚乳酸(PLA)虽被誉为环保替代品，却在分解过程中产生更多MPs碎片。更令人担忧的是，这些直径小于5毫米的塑料颗粒如同"特洛伊木马"，能吸附水体中的药物残留——比如止痛药双氯芬酸钠(DCF)和抗抑郁药文拉法辛(VLF)，通过食物链将污染物"快递"给高等生物，甚至干扰水生生物的内分泌和神经信号传导。尽管欧盟已将这两种药物列入重点监控清单，但污水处理厂对其去除率不足40%，使得MPs-PhACs复合体成为潜伏在水环境中的"生态炸弹"。

为破解这一难题，中国联合塑料有限公司等机构的研究团队在《Journal of Cleaner Production》发表重要成果。研究采用批式吸附实验量化PSMPs和PLAMPs对DCF/VLF的吸附能力，结合傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)表征表面官能团变化，并运用密度泛函理论(DFT)计算分子间结合能，首次从分子尺度揭示了MPs与PhACs的相互作用机制。

主要技术方法
研究通过控制溶液化学条件（pH、离子强度等）进行吸附动力学、等温线和热力学实验；采用扫描电镜(SEM)观察MPs形貌特征；利用FTIR和XPS分析吸附前后官能团变化；基于DFT计算模拟DCF/VLF与MPs的电子云重叠和结合能。

研究结果

微塑料和药物活性化合物的特性
实验选用≤75 μm的PSMPs和PLAMPs，SEM显示PLAMPs表面具有更多孔隙结构。EDS能谱证实PLAMPs含氧量(33.5%)显著高于PSMPs(2.1%)，这与其可降解特性相关。

微塑料的形态表征
PSMPs表面呈现不规则裂纹，而PLAMPs则布满微孔。比表面积测试表明PLAMPs(12.3 m²
g^-1
)是PSMPs(4.7 m²
g^-1
)的2.6倍，这直接影响了其吸附性能。

吸附动力学
伪一级动力学模型(R²

0.98)优于伪二级模型，说明DCF/VLF在MPs上的吸附以物理作用为主。PLAMPs对VLF的吸附速率常数(k₁
=0.147 h^-1
)高于PSMPs(0.112 h^-1
)，可能与PLAMPs的含氧官能团有关。

吸附等温线
Langmuir模型拟合度最佳，证实为单分子层吸附。PSMPs对VLF的最大吸附量(6.234 mg g^-1
)比DCF(3.296 mg g^-1
)高出89%，源于VLF分子中苯环与氨基的协同作用。

吸附机理分析
FTIR谱图中C=O(1720 cm^-1
)和C-O(1150 cm^-1
)峰强度显著增加，XPS显示PLAMPs吸附后O1s峰位移1.3 eV。DFT计算表明静电相互作用占主导，DCF羧酸根与MPs表面形成-28.6 kJ mol^-1
的强结合能，其次为范德华力(-12.4 kJ mol^-1
)和氢键(-9.8 kJ mol^-1
)。

结论与意义
该研究首次系统比较了可降解与不可降解MPs对PhACs的吸附差异，发现虽然PLAMPs被寄予环保厚望，但其多孔结构反而增强了污染物运移风险。通过DFT计算突破传统实验局限，证实静电作用在吸附过程中起决定性作用，这为开发MPs-PhACs复合污染靶向清除技术（如调控溶液pH破坏静电平衡）提供了理论支撑。研究警示在推广可降解塑料时，必须同步评估其环境行为，避免陷入"绿色悖论"。这些发现对完善全球"塑料圈"污染治理策略具有重要指导价值。