《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Removal performance and mechanisms of microplastics by superhydrophobic medium
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微塑料去除|Fe?O?-PDMS改性石英砂|超疏水介质|XDLVO理论|协同去除
张婷婷|程文清|王晓娟|严亚萍|宋希晨|周建强|刘秀云|高素霞|李浩|刘建林|曹连宝|李伟|魏碧贵
兰州交通大学环境与市政工程学院，中国甘肃省兰州市730070
摘要
微塑料作为自然环境中有机污染物的载体，引发了人们的广泛关注。从水系统中有效去除微塑料对于生态保护至关重要。本研究开发了一种经过Fe?O?-PDMS改性的石英砂（超疏水介质），用于高效去除水中的微塑料，通过柱实验研究了其对三种类型微塑料的去除性能及机制，并探讨了微塑料与共污染物的协同去除效果。结果表明，这种合成的超疏水介质表现出优异的疏水性（接触角：152.7°）和稳定性。PP、PE和PVC的去除效率分别达到了96.6%、97.8%和98.6%，其中PVC的吸附容量为0.986 mg·g?1。FTIR分析证实了超疏水介质表面成功引入了新的官能团（如C-H、C-O），而SEM分析显示其表面粗糙度显著增加。基于扩展的Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论对界面能进行定量计算后发现，超疏水介质与三种微塑料（PP、PE、PVC）之间存在强烈的吸引力，其中介质与PVC之间的总界面能最高，这主要是由于PVC与改性石英砂界面上的疏水相互作用。与对照组相比，使用该超疏水介质的柱实验显示出微塑料和共污染物的去除效率显著提高。这些发现为超疏水介质在生态友好型工程措施（如生物滞留系统和人工湿地）中的应用提供了新的见解。
引言
微塑料（MPs）是一种全球公认的新兴污染物，存在于土壤和地下水中[1]。全球每年产生的塑料废物估计为5210万吨（范围：4830万至5630万吨），其中约57%被公开焚烧，43%以未焚烧的碎片形式存在[2]。塑料污染对生态系统、基础设施和社会经济系统的长期影响迫切需要全球性的干预。塑料被广泛应用于包装、建筑、纺织、医药和电子等多个行业[3][4]。塑料的过度使用促进了有毒物质进入各种生态系统。由于微塑料能够强烈结合重金属离子并在生物体内积累，这些微小聚合物受到了越来越多的关注[5]。日常用品（如化妆品、洗涤剂、药品和油漆）是微塑料的主要来源。在自然环境中经历风化和老化过程后，这些微塑料会不断分解成更细小的碎片，即二次微塑料，从而导致更广泛的环境污染。根据形态特征，微塑料可分为四种类型：纤维状微塑料、碎片状微塑料、颗粒状微塑料和薄膜状微塑料。土壤和地下水中发现的微塑料大多数为碎片状和纤维状[6][7][8]。水生生物摄入微塑料后，可能会通过物理阻塞消化道和产生生理毒性（包括氧化应激）来抑制其进食、生长和繁殖等关键生命活动，从而威胁个体健康和种群稳定性[9]。水体中的微塑料污染已成为全球性的环境问题。处理和去除受微塑料污染的水体至关重要。
由于微塑料体积小、浓度低，从受污染的水道中分离它们非常困难。已经探索了一系列修复技术来消除受污染水环境中的微塑料和纳米塑料（NPs），如吸附[10]、混凝[11]、过滤[12]、磁分离[13]、膜分离[14]、高级氧化[15]和生物降解[16]。但由于微塑料体积小且在受污染水体中的浓度低，有效去除/分离仍然具有挑战性。在上述方法中，吸附方法一旦被污染就难以重复使用。由于对水质要求严格，高级氧化和生物降解技术也难以完全降解微塑料[17][18][19]。过滤技术是污水处理设施中常用的方法，近年来因其应用简单且能有效去除小颗粒大小的微塑料而受到广泛关注。然而，过滤在去除微塑料时存在成本高、填料难以回收和再生等问题[20]。随着过滤材料表面改性技术的发展和应用，过滤成为推进可持续高效微塑料修复技术的一种有前景的方法。
混合和过滤过程中需要消耗化学物质和填料，这些成本相对较高。膜分离过程也存在操作挑战，尤其是膜污染问题，以及填料无法再生和长期使用膜的问题。
大颗粒大小的微塑料可以通过物理拦截在过滤器中处理，或者通过人工湿地和雨水生物滞留设施等生态处理方法进行处理。深床过滤负责去除粒径小于介质直径的微塑料。介质层中的微塑料会经历迁移和粘附两个过程，导致它们附着在介质表面。研究表明微塑料具有疏水性[21]。根据疏水相互作用理论，微塑料与疏水介质之间存在显著的疏水相互作用，介质的疏水性越强，它们之间的相互作用越强，这在微塑料去除过程中起着主导作用。
鉴于此，当前的研究亟需克服传统过滤技术的局限性，调控介质表面特性是实现这一突破的关键途径。现有的过滤系统主要依赖物理筛分来拦截微塑料，但对微塑料的捕获效率有限。作为微塑料-介质界面上的主要作用力，疏水相互作用的强度直接决定了微塑料在过滤过程中的吸附效率。然而，关于超疏水介质与微塑料之间界面行为的系统研究尚不充分，特别是缺乏对疏水相互作用主导的去除过程的深入机制分析。
因此，研究疏水相互作用对微塑料去除过程的影响机制对于开发高效和可持续的微塑料污染控制技术至关重要。本研究制备了一种超疏水石英砂介质，并系统分析了其与微塑料的界面相互作用，旨在阐明超疏水介质通过增强疏水效应来去除微塑料的性能和机制，从而为开发新型微塑料去除技术提供理论基础。
材料
Fe?O?粉末（纯度>99%，粒径50 nm）、正己烷、聚二甲基硅氧烷（PDMS）及其固化剂购自上海阿拉丁生化科技有限公司。三种微塑料（聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）购自东莞恒发塑料原材料有限公司。所有三种微塑料均保持原始状态，未进行任何表面改性处理。石英砂（SiO?>98%，粒径……）
超疏水石英砂介质的疏水性和表征
在室温条件下，将超疏水颗粒分别加入含有PP、PE和PVC（浓度均为1.0 g L?1）的悬浮液中。如图S1所示，由于微塑料颗粒的存在，预吸附后的悬浮液呈现浑浊状态。然而，在与超疏水颗粒吸附5分钟后，悬浮液变得清澈透明。此外，可以观察到白色微塑料颗粒明显粘附在黑色……
结论
本研究通过逐步浸渍法成功制备了一种能够高效去除水中微塑料的超疏水介质，主要结论如下：
- 1)
制备的超疏水介质表现出优异的物理化学性质，接触角达到152.7°，稳定性良好。该介质对PP、PE和PVC的去除效率均超过96%，其中PVC的去除效率达到98.6%。
作者贡献声明
张婷婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。
李浩：实验研究，数据分析。
高素霞：数据可视化。
刘秀云：实验研究。
周建强：数据可视化，监督。
宋希晨：软件使用，资源准备。
严亚萍：数据分析，数据管理。
王晓娟：结果验证，资源准备。
程文清：软件使用，方法设计。
魏碧贵：资源准备，方法设计。
李伟：方法设计。
曹连宝：实验研究。
刘建林：方法设计，实验研究。
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
本研究得到了甘肃省教育厅的支持：产业支持项目（2025CYZC-24）、甘肃省生态文明建设重点研发专项（25YFFA014）、甘肃省教育厅：高校科研创新平台重大培育项目（2024CXPT-14）、国家自然科学基金（编号：52060014）以及兰州交通大学青年科学基金（2024062）的资助。
