《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Polyvinyl Alcohol as a Key Mediator in the Co-transport of Polyethylene Microplastics and Pb(II): Role of Molecular Weight and Hydrophilicity
编辑推荐：
微塑料（MPs）作为重金属的环境载体备受关注，聚乙烯（PE）微塑料与铅离子（Pb(II)）的共迁移机制研究尚不充分。本研究通过吸附实验和柱试验，系统考察水溶性聚乙烯醇（PVA）对PE MPs吸附及Pb(II)共迁移的影响。结果表明：未电离PVA通过静电屏蔽效应降低Pb(II)吸附率，尤其在高离子强度条件下；而PVA1788因含氧基团增强PE MPs水动力活性，促进Pb(II)共迁移，其效果显著优于PVA0588。研究揭示了PVA聚合度及胶体稳定性对微塑料-重金属协同迁移的关键调控作用，为复合污染地下水修复提供理论支撑。
白双云|周学荣|吴兰|徐东英|赵飞|纪彦天|尹贤强
中国西北农林科技大学自然资源与环境学院，杨陵712100
摘要
微塑料（MPs）相对于大塑料具有更大的比表面积和孔隙率，这使其更易于成为重金属的环境载体。聚乙烯醇（PVA）通常与胶体颗粒相互作用，可以增强微塑料的亲水性，从而促进其迁移。然而，像PVA这样的水溶性聚合物在调节这一过程中的关键作用却尚未得到定量研究。通过批量吸附和柱实验，探讨了聚乙烯醇（PVA0588和PVA1788）对聚乙烯微塑料（PE MPs）吸附和共迁移Pb(II)的影响。吸附实验结果表明，未带电的PVA通过静电屏蔽作用降低了Pb(II)的吸附效率，尤其是在高离子强度和多价阳离子存在的情况下。相反，共迁移实验显示PVA促进了PE MPs与Pb(II)的共迁移，这归因于PVA中的含氧官能团，这些官能团增强了PE MPs的移动性，使其更易于作为Pb(II)的载体。此外，PVA1788的聚合度和胶体稳定性优于PVA0588，因此PVA1788的效果更为显著。这些发现表明，引入PVA会增强吸附在PE MPs上的Pb(II)的迁移性，从而加剧了由微塑料介导的污染物的环境威胁。
引言
由于塑料具有重量轻、耐水、耐腐蚀、成本效益高和耐用性等优点，它们被广泛应用于制造、建筑和包装领域[1]。然而，塑料在化学、生物和物理作用下可以降解为直径小于5毫米的微塑料（MPs）[2]。这些微塑料容易渗透到地下生态系统中并在生物体内积累，引发更广泛的生态和环境问题[3]。重金属是天然存在的元素，也可能是人类活动的产物而被释放到环境中[4]，[5]。研究表明，由于微塑料尺寸小、疏水性高和比表面积大，它们能够在其表面结合金属离子和有机污染物[6]，[7]，[8]。因此，微塑料携带的重金属对环境和公共健康构成了严重威胁。
水溶性聚合物聚乙烯醇（PVA）以其优异的亲水性、耐化学性以及成膜能力而闻名[9]。这些特性使其在粘合剂、纺织品、生物医学领域、包装和3D打印技术中得到广泛应用。PVA丰富的羟基（-OH）不仅提高了其水溶性，还增强了其与重金属离子的相互作用，可能改变这些金属的环境迁移性和生物可利用性[10]。环境中的PVA主要来源于工业废水、药物排放、农业薄膜和农药包装。然而，大多数PVA在污水处理过程中无法完全降解，也无法有效去除。每年有超过6500万吨PVA进入全球水生生态系统[11]。此外，地中海海域中，直径大于700微米的漂浮颗粒中PVA的比例约为1.2%[12]。因此，PVA在废水排放中大量存在，并可能从土壤中渗入地下水，同时将重金属带入水流中，增加其危害性[13]。PVA在环境研究中的作用日益受到重视，尤其是在微塑料和重金属污染方面，它会影响微塑料在多孔介质中的聚集和迁移行为[14]。然而，迄今为止，人们对PVA对饱和多孔介质中微塑料和重金属共迁移行为的影响关注有限，这是一个亟需系统研究的关键空白。
目前，由于潜在的生态和毒理学风险，人们对微塑料和重金属在地下水中的共存现象越来越关注[15]。其中，聚乙烯（PE）作为一种常见的塑料聚合物，因其广泛使用、耐用性和密封性能而特别值得关注。PE颗粒密度低且疏水性强，不溶于水，容易在表面积累，这使得观察其迁移机制变得复杂，尤其是在水流缓慢的水环境中[16]。铅（Pb(II)）具有高溶解性、高迁移性、急性毒性以及易生物积累的特点，是一个重要的环境问题[17]。当PE MPs和Pb(II)共存于环境系统中时，它们可能会产生协同作用，导致复杂的污染动态。此外，作为环境中常用的水溶性聚合物，PVA常与其他微塑料一起用作化学添加剂[18]，这不可避免地会对微塑料和重金属的迁移性产生更深远的影响。
鉴于Pb(II)、微塑料和PVA可能存在于同一系统中，但这一点尚未得到深入研究。因此，本研究旨在阐明PVA在饱和多孔介质中对PE MPs和Pb(II)的作用机制及其对共迁移过程的影响。本研究的目标如下：(1) 通过吸附实验阐明PVA对PE MPs上Pb(II)吸附行为的影响；(2) 探究不同物理化学条件下PVA对PE MPs与Pb(II)共迁移的影响；(3) 揭示PVA在饱和多孔介质中促进PE MPs与Pb(II)共迁移的关键机制。本研究克服了单一污染物研究的局限性，为开发针对混合污染物的先进地下水修复策略提供了坚实的科学基础。
部分内容
试剂和化学品
石英砂（20-40目）购自中国西安周至的一家制造商。石英砂经过HCl和NaOH的顺序处理，然后用去离子水彻底清洗以去除表面残留杂质。PE MPs（平均粒径约为6.5微米）由中国联合塑料化工有限公司（东莞）提供。PVA0588和PVA1788由中国麦克林生化有限公司（上海）提供。PE MPs的物理化学性质
在添加PVA之前和之后，采用了一系列表征方法来研究PE MPs。使用扫描电子显微镜（SEM）观察了PVA处理前后PE MPs的表面形态（图1）。结果表明，PE MPs具有粗糙的表面和不规则的结构以及发达的孔隙结构。经过PVA0588处理后，PE MPs的表面变得更加光滑，但仍保留了一些裂纹和孔隙。值得注意的是，PVA1788处理后结论
本研究探讨了在PVA存在下，PE MPs在饱和多孔介质中对Pb(II)的吸附和共迁移行为，并研究了不同因素对它们相互作用的影响。在PVA存在的情况下，Pb(II)在PE MPs上的吸附行为最好用伪二级模型和朗缪尔等温线来描述。PVA1788溶液由于粘度较高和流动性较低，表现出更强的抑制作用。在共迁移系统中，
作者贡献声明
纪彦天：验证、方法学、数据分析。赵飞：方法学、实验研究。尹贤强：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、数据管理。白双云：写作——初稿撰写、实验研究、数据分析、概念构思。周学荣：写作——初稿撰写、方法学、实验研究、数据管理。徐东英：写作——初稿撰写、软件应用。吴兰：写作——初稿撰写、数据收集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：42077141）的支持。
