聚苯乙烯微塑料对溶解有机物在活性炭滤柱中穿透行为的影响机制及预测模型研究

本研究针对饮用水处理中微塑料(PS-MPs)与腐殖酸(HA)在活性炭(GAC)滤柱中的交互作用难题，通过动态过滤实验结合正交设计，揭示了PS-MPs丰度、紫外老化等因素对HA穿透行为的影响规律，并建立GA-BP神经网络预测模型（R2=0.9884），为优化水处理工艺提供理论支撑。

　　

随着饮用水安全问题的日益突出，溶解有机物(DOM)在活性炭滤柱中的穿透行为成为影响消毒副产物(DBPs)生成的关键因素。近年来，环境中广泛存在的微塑料(MPs)被发现可能干扰传统水处理工艺，特别是粒径小于10 μm的聚苯乙烯微塑料(PS-MPs)极易穿透常规处理单元。更令人担忧的是，这些MPs在环境老化过程中会产生表面特性改变，可能进一步影响其与DOM的相互作用机制。然而，目前关于MPs如何影响DOM在活性炭(GAC)动态过滤过程中的穿透行为，以及如何预测这种复杂交互作用的研究仍属空白。

为解答这些问题，国内研究人员以典型DOM代表物腐殖酸(HA)和PS-MPs为研究对象，通过单因素和正交实验设计，系统考察了PS-MPs丰度、紫外(UV)老化程度、流速和离子强度等因素对HA在GAC滤柱中穿透行为的影响。研究创新性地结合DLVO理论阐明了作用机制，并开发了基于遗传算法(GA)优化的反向传播(BP)神经网络预测模型，相关成果发表在《Environmental Technology》上。

研究采用的主要技术方法包括：动态过滤柱实验模拟实际水处理条件；扫描电镜(SEM)和比表面积(BET)分析表征材料形貌与孔隙结构；Zeta电位和流体力学直径测定评估颗粒相互作用；傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)解析表面化学性质；正交实验设计优化参数组合；以及BP神经网络与GA算法相结合的预测模型构建。

【PS-MPs对HA穿透行为的影响】

通过动态过滤实验发现，PS-MPs会竞争占据GAC吸附位点，其丰度增加使HA穿透率提升5.5%。UV老化后的PS-MPs因表面亲水性增强（接触角从93.16°降至70.14°）和负电荷增多（Zeta电位更负），穿透GAC滤层的能力提高，反而减少了其对HA吸附的干扰。

【作用机制解析】

DLVO理论计算显示，UV老化使PS-MPs与GAC间的最大能垒(Φ_max)升高，次级能阱(Φ_min2)绝对值减小，降低了PS-MPs在滤料表面的沉积倾向。BET分析证实老化后PS-MPs比表面积从0.4331增至0.7639 m²/g，HA吸附容量提升，TEM观测到老化颗粒表面形成更复杂的HA-PS复合体结构。

【关键影响因素排序】

正交实验表明，流速对HA去除效率影响最显著(p<0.05)，高速水流导致的"沟流效应"会缩短接触时间；其次是HA浓度和离子强度，而PS-MPs丰度影响相对最小。在10 mM NaCl条件下，Zeta电位绝对值下降使PS-MPs更易沉积，间接影响HA去除。

【预测模型构建】

基于正交实验数据建立的GA-BP神经网络模型，通过优化初始权重和阈值，将预测相关系数从0.9778提升至0.9884，对未知样本的预测误差低于1.591%。该模型能准确预测不同工况下GAC对HA的去除效率，为水厂工艺优化提供量化工具。

这项研究首次系统揭示了PS-MPs与HA在动态过滤过程中的竞争作用机制，特别是阐明了UV老化通过改变颗粒表面特性影响过滤行为的规律。所建立的预测模型突破了传统回归方法的局限，实现了多因素非线性关系的精准模拟。研究成果不仅为饮用水处理中MPs与DOM的协同控制提供理论依据，其方法论框架还可推广应用于其他新兴污染物的风险预测。未来研究需进一步考察实际水体中多种DOM组分与不同形状MPs的交互效应，并通过中试验证模型的工程适用性。