微塑料对四环素的吸附性能研究_邱强松.pdf

2 0 2 3年1月J o u r n a l o fG r e e nS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y第2 5卷 第2期收稿日期:2 0 2 2-1 0-3 1基金项目:浙江省大学生科技创新活动计划项目(编号:2 0 2 1 R 4 1 5 0 1 5);国家级大学生创新创业训练计划项目(编号:2 0 2 1 1 1 0 5 7 0 1 9)作者简介:邱强松(1 9 9 8-),男,助理工程师,研究方向为环境污染控制。通讯作者:胡旻晖(1 9 8 0-),女,讲师,硕士,研究方向为创新创业教育,低碳与环境保护教育。微微塑塑料料对对四四环环素素的的吸吸附附性性能能研研究究邱强松,邱 程,王龙,李 娜,胡旻晖,汪 华(浙江科技学院 土木与建筑工程学院,浙江 杭州3 1 0 0 2 3)摘要:以聚苯乙烯(P S)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(P E T)2种微塑料为研究对象,采用吸附实验,研究了2种微塑料对2环素的吸附性能。结果表明:微塑料对2环素的吸附符合准二级动力学方程(R20.9 6 9),整个吸附过程由快速吸附和缓慢吸附2个阶段组成。F r e u n d l i c h方程和L a n g m u i r方程均能较好地拟合微塑料对4环素的等温吸附数据。P S和P E T对4环素的最大吸附量分别为0.3 1和0.4 0m g/g。随着溶液p H值的增加,微塑料对4环素的吸附量表现出先增加后降低,在溶液p H值为5.5时最大。关键词:微塑料;P S和P E T;四环素;吸附中图分类号:X 5 0 5 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 9 4 4(2 0 2 3)0 2-0 1 8 2-0 5S t u d yo nt h eA d s o r p t i o nP e r f o r m a n c eo fM i c r oP l a s t i co nT e t r a c y c l i n eQ i uQ i a n g s o n g,Q i uC h e n g,W a n gL o n g,L iN a,H uM i n h u i,W a n gH u a(S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,Z h e j i a n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,H a n g z h o u,Z h e j i a n g3 1 0 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep o l y s t y r e n e(P S)a n dp o l y e t h y l e n e t e r e p h t h a l a t e(P E T)m i c r o p l a s t i c sw e r eu s e dt oa d s o r bt e t-r a c y c l i n e f r o ma na q u e o u ss o l u t i o n.T h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea d s o r p t i o np r o c e s so ft e t r a c y c l i n eo nb o t ht y p em i c r o p l a s t i c sw e r ew e l l d e s c r i b e db y t h ep s e u d o-s e c o n d-o r d e rk i n e t i c e q u a t i o n(R20.9 6 9).T h ea d-s o r p t i o np r o c e s sw a sc o m p o s e do fr a p i da d s o r p t i o na n ds l o wa d s o r p t i o n.B o t hF r e u n d l i c ha n dL a n g m u i r e-q u a t i o n sc a nw e l lf i tt h ea d s o r p t i o ni s o t h e r mo ft e t r a c y c l i n e.T h em a x i m u ma d s o r p t i o nc a p a c i t yo fP Sa n dP E Tf o r t e t r a c y c l i n ew a s 0.3 1a n d0.4 0m g/g,r e s p e c t i v e l y.W i t ht h e i n c r e a s eo f s o l u t i o np H,t h e a d s o r p t i o nc a p a c i t yo f t e t r a c y c l i n e i n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d,a n dr e a c h e dt h em a x i m u m w h e nt h es o l u t i o np Hw a s5.5.K e yw o r d s:m i c r o p l a s t i c s;P Sa n dP E T;t e t r a c y c l i n e;a d s o r p t i o n1 引言塑料是一种可塑性强、化学稳定性高且密度小的高分子材料,广泛应用于日常生活中。据统计,全球塑料制品生产量从1 9 5 0年的1 5 0万t增长到2 0 1 7年的3.4 8亿t1。大量废弃塑料得不到有效处理,排放到环境中,并持续累积。塑料进入环境后,会在盐分、光热以及生物等的作用下变成粒径较小的塑料颗粒。微塑料是指粒径小于5mm的塑料颗粒2。微塑料作为一种新兴污染物,广泛分布于海水、地表水、土壤、甚至极地冰川等环境中3。微塑料可以通过生物的进食进入生物体内,导致生物体的物理损伤、细胞毒性和形态变化4。同时,微塑料具有较强的疏水性和较大的比表面积,还可以作为污染物的载体,引起污染物在环境中传播和迁移5,6。抗生素作为一类新兴污染物,会对环境中的微生物群落以及耐药基因的丰度产生影响。抗生素在环境中不可避免地会吸附在微塑料表面,进而随微塑料在环境中迁移。范秀磊等7研究发现磺胺甲恶唑和阿莫西林在聚乳酸和聚乙烯微塑料上的吸附过程符合准二级动力学模型,主要吸附方式为表面吸附和颗粒内扩散。X u等8报道了四环素在3种微塑料上的281DOI:10.16663/ki.lskj.2023.02.005 邱强松,等:微塑料对四环素的吸附性能研究环境与安全最大吸附量从大到小依次为:聚苯乙烯聚丙烯聚乙烯,3种微塑料对四环素的吸附主要通过极性相互作用和-相互作用。此外,微塑料对抗生素的吸附可能还受到盐度和p H值等环境介质条件的影响9,1 0,如 陈 雨 露 等 探 讨 了 聚 丙 烯(P P)和 聚 乙 烯(P E)在海水和纯水中对抗生素磺胺嘧啶(S D Z)和环丙沙星(C I P)的吸附,研究表明2种微塑料在纯水中对抗生素的吸附量大于在海水中吸附量9。当吸附抗生素的微塑料进入生物体后,吸附的抗生素能通过解吸作用释放出来,可能对生物体产生综合毒性1 1。因此,本研究选取四环素作为抗生素的代表污染物。以2种典型微塑料聚苯乙烯(P S)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(P E T)为研究对象,分析2种微塑料对四环素的吸附特征,研究溶液p H值等对微塑料吸附四环素的影响。研究结果对于评估微塑料的生态与环境风险具有一定的理论意义。2 实验分析2.1 试验原料及试剂微塑料样品购自广州华创塑料贸易公司,过1 5 0目筛后备用。四环素购自德国D r.E h r e n s t o r f e r公司。乙腈为色谱纯,其他所需化学试剂为分析纯。2.2 微塑料表面特征分析用比表面积测定仪(A S A P2 4 6 0型,M i c r o m e r i t-i c s公司,美国)测定微塑料的比表面积;用P h e n o mP r o X(P h i l i p公司,新西兰)扫描电子显微镜分析微塑料的表面形貌。2.3 吸附动力学实验将四环素加入0.0 1m o l/L溶液中,使四环素的质量浓度为2 0m g/L。取2 0m L混合液于4 0m L棕色的样品瓶中,加入0.1g微塑料。样品瓶放入振荡培养箱中,2 5和1 5 0r/m i n条件下振荡,分别于1、2、4、6、1 2、2 4、3 6、4 8、6 0、7 2 h取 样。混 合 液 过0.2 2m滤膜,用高效液相色谱测定溶液中的四环素浓度。2.4 吸附等温实验将2 0m L初始浓度为1、4、8、1 4、2 0、4 5、6 0和9 0m g/L四环素溶液分别加入4 0m L棕色样品瓶中,再加入0.1g微塑料。样品瓶放入振荡培养箱中,2 5和1 5 0r p m/m i n条件下振荡4 8h。溶液过0.2 2m滤膜,用高效液相色谱测定溶液中的四环素浓度。2.5 p H值和N a+浓度的影响采用0.0 1m o l/L的HNO3或N a OH溶液,分别调节溶液的p H值为2、3.5、5.5、7.5和1 0,研究溶液p H值对微塑料吸附四环素性能的影响。制备不同N a+浓度(0.0 1、0.0 5、0.1和0.5m o l/LN a NO3)的溶液,分析N a+浓度对微塑料吸附四环素的影响;其余实验操作同吸附等温实验。每个实验均重复3次,同时设置空白对照组。2.6 四环素的测定方法采用高效液相色谱(2 4 8 9型,W a t e r s公司,美国)测定溶液中的四环素浓度,流动相为0.0 1m o l/L草酸和乙腈(体积比为8 51 5),流速和柱温分别为0.8m L/m i n和3 5,检测波长为3 5 5n m。2.5 数据处理利用准一级动力学方程(公式(1)与准二级动力学方程(公式(2)对微塑料吸附四环素的动力学过程进行分析:l n(qe-qt)=l nqe-K1t(1)tqt=1K2q2e+1qet(2)式(1)、(2)中:qe(m g/g)为 平 衡 时 吸 附 量,qt(m g/g)为取样时间为t时的吸附容量,k1(h-1)和k2(gm g-1h-1)分别为准一级方程和准二级方程的速率常数;t(h)为时间。利用L a n g m u i r方程(公式(3)与F r e u n d l i c h方程(公式(4)对微塑料吸附四环素的等温吸附过程进行分析:Ceqe=1KLqm+1qmCe(3)l nqe=l nKF+1nl nCe(4)式(3)、(4)中:qm(m g/g)为最大吸附量;KL为L a n g m u i r吸附常数(L/m g),KF为F r e u n d l i c h吸附常数(m g/g);Ce为平衡时四环素的质量浓度(m g/L);n无量纲,是与吸附体系的性质相关的常数。3 结果与讨论3.1 微塑料的表面特征对2种微塑料样品进行扫描电子显微镜分析,结果见图1。P S和P E T2种微塑料表面整体较平整,无明显孔隙结构,因而相比其他多孔性的材料,微塑料的比表面积较小。采用比表面积测定仪检测发现,P S和P E T的比表面积分别为0.4 3和0.2 6m2/g,远小于生物炭等多孔性材料1 2。3.2 微塑料对四环素的动力学吸附微塑料对四环素的吸附量随取样时间的变化规律如图2所示。从吸附开始到吸附3 6h,2种微塑料对四环素的吸附量随时间增加快速上升,P S和P E T对四环素的吸附量分别达到了最大吸附量的8 9.7 2%和7 6.9 6%。吸附3 6h后,2种微塑料对四环素的吸附量增长缓慢,并逐渐达到平衡。在吸附前期,溶液中的四环素