基于群体平衡模型与扩展DLVO理论的水环境中纳米塑料团聚行为模拟研究

本研究针对纳米塑料(NPs)在水体中的环境行为预测难题，创新性地将群体平衡方程(PBE)与扩展DLVO(XDLVO)理论耦合，建立了可量化评估水质参数(如离子强度、NOM、UV辐射)对NPs团聚影响的动力学模型。通过整合多组文献实验数据验证，模型成功揭示了ζ电位在团聚过程中的关键调控作用，为预测NPs在淡水-海水过渡带中的迁移归趋提供了理论工具，对污染风险评估和过滤系统优化具有重要指导价值。

　　

纳米塑料的环境行为之谜与破解之道
在海洋微塑料污染引发全球关注的今天，尺寸更小、反应活性更高的纳米塑料(NPs)正在成为环境科学的新焦点。这些小于100nm的塑料碎片不仅会吸附重金属、农药等有毒物质，还能搭载病毒细菌进行远距离迁移，其环境风险远超微塑料。然而，NPs究竟会长期悬浮随水流扩散，还是通过团聚沉降沉积，这一关键科学问题至今缺乏定量预测工具。传统研究多局限于单一水质条件下的实验观察，无法解释复杂自然水体中多种化学-生物因子的协同作用，更难以预测气候变化背景下UV辐射、冻融循环等动态因素的影响。

针对这一挑战，Bergen Technical High School的研究团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表创新成果。研究者创造性地将描述颗粒数量演变的群体平衡方程(PBE)与量化界面作用的扩展DLVO(XDLVO)理论相结合，建立了首个能同时整合水质参数(离子强度I、pH、NOM)、NPs特性(ζ电位、粒径)和环境因素(UV、温度)的团聚动力学模型。研究选取文献中12组典型数据验证模型，涵盖淡水到海水盐度梯度，特别关注了聚苯乙烯(PS)NPs这一代表性物质。关键技术包括：1)基于XDLVO理论计算范德华力、静电作用和酸-碱作用能；2)通过PBE构建包含布朗运动、流体剪切等机制的团聚速率方程；3)利用动态光散射法获取的水力直径数据进行验证。

模拟PS纳米塑料颗粒的团聚行为
模型成功再现了不同盐度条件下的临界团聚浓度：PS NPs在NaCl溶液中保持稳定直至100mM，而在FeCl₃
溶液中仅需1mM即可引发团聚。这归因于三价铁离子显著改变ζ电位，使颗粒表面电荷由负转正。研究还发现，5mg/L的藻酸盐(NOM)可通过增强空间位阻抑制团聚，这与Oriekhova等学者的实验结果高度吻合。

环境因子的调控机制
模型揭示了UV辐射对可生物降解PBAT NPs的独特稳定化作用：经UV老化的PBAT NPs在1000mM NaCl中仍保持分散，而冻融循环(-10°C~10°C)则会破坏PS NPs的稳定性。球形NPs比非球形颗粒更耐受海水盐度的发现，为理解形态效应提供了量化依据。

跨材料预测能力
模型扩展应用表明，聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等常见塑料的团聚行为可通过调整表面特性参数进行预测，这对缺乏实验数据的材料风险评估尤为重要。

这项研究突破了传统经验模型的局限，首次实现了从相互作用能到宏观团聚行为的机理关联。所建模型不仅能预测NPs在河口盐度梯度区的迁移规律，还可指导设计促进NPs团聚的高效过滤系统。特别值得注意的是，模型对UV辐射效应的成功捕捉，为评估气候变化背景下NPs的环境行为演变提供了新工具。未来通过整合更多生物膜-塑料相互作用数据，该框架有望发展成为纳米塑料环境风险评估的标准方法。