紫外高级氧化对微塑料-难降解有机物复合污染的控制机制与效能评估

Microplastics contamination is increasing deterioration in natural fresh waters. It is an urgent issue to develop practicable advanced treatments for the combined contamination of microplastics and refractory organic matter due to their potential risk to drinking water safety. In order to develop efficient treatment methods for this combined contamination, two critical tasks should be performed: (1) investigating the multi-phase distribution patterns of its compositions in water mixture, (2) revealing the molecular energy transport principle and substance transformation mechanism in treatment processes. In the current project, several microplastics and refractory organic matter with distinct physicochemical feature will be selected as targeted contaminations. First, they will be mixed to become combined contamination using static adsorption experiments, and then the distribution pattern of specific organic contaminant in water and microplastic will be investigated. Second, the purification experiments of combined contamination by typical ultraviolet-based advanced oxidation processes (UV-AOPs) will be conducted using a device with our own proprietary intellectual property rights. The effects of apparent quantum yield, optimal UV wavelengths and active free radicals on the dynamics of purification treatments will be analyzed. Furthermore, the impact mechanisms of microplastics on the UV-AOPs will be investigated by particular experiments. A comprehensive evaluating method, which considering the identification of degrading products, the toxicological analysis of degrading products and the calculation of electrical consumption, will be used to select and optimize the feasible UV-AOPs treatment methods. The research results will provide useful theoretical and technical information for the development of practicable treatment methods for the microplastics-refractory organic matter combined contamination in water.

淡水水体微塑料污染日趋严重，微塑料与有机物耦合形成的复合污染对饮用水安全具有潜在威胁，亟需开发适用的深度处理方法。明确该复合污染各成分在水中的多相分布特性，并揭示处理过程中分子尺度上的能量利用规律和物质转化机理，是实现其有效控制的关键因子。本项目拟选择若干种具有不同理化特性的微塑料和有机污染物，通过静态吸附/吸收形成复合污染混合体，并调查特定有机物在水-微塑料两相间的浓度分布规律；以复合污染混合体为目标物，采用具有自主知识产权的反应装置开展多种紫外高级氧化技术（UV-AOPs）降解研究，深入分析表观量子产率、有效UV波长、活性自由基等因素对反应动力学的影响，并调查微塑料对UV-AOPs的影响机理；将降解产物分析、产物毒理分析和能级电耗分析耦合形成综合评估方法，用于筛选适用的UV-AOPs技术并进行条件优化。研究结果将为建立水中微塑料-有机物复合污染的控制方法提供理论依据和技术支持。

淡水水体微塑料污染日趋严重，微塑料与有机物耦合形成的复合污染对饮用水安全具有潜在威胁，亟需开发适用的深度处理方法。明确该复合污染各成分在水中的多相分布特性，并揭示处理过程中分子尺度上的能量利用规律和物质转化机理，是实现其有效控制的关键因子。本项目以多种不同特性的微塑料和有机污染物为目标，研究水处理常规消毒方法和高级氧化方法对微塑料表面特性的改变和对有机污染物的降解机制。重要结果和关键数据如下：（1）通过静态吸附/吸收形成复合污染混合体，确定有机物在水-微塑料两相间的浓度分布规律，发现微塑料材质和表面特性对吸附能力有显著影响；（2）以复合污染混合体为目标，开展多种紫外高级氧化技术降解研究，深入分析表观量子产率、有效波长、活性自由基等因素对反应动力学的影响；（3）以铁基和钛基有机金属框架为基底，进行适当的改性和修饰，增强其降解效率和水稳定性（在水中维持至少7d的稳定性，骨架解体释放率<0.1%），尝试用其降解微塑料衍生有机污染物；（4）建立适用于微塑料颗粒的沉降性能研究方法，通过该方法，确定微塑料颗粒在水中的沉降速率（精确至0.01 mm/s）和沉降率（平均回收率>95%），评估微塑料沉降行为变化情况，发现表面疏水性和颗粒大小是影响沉降行为的重要因素；（5）以水处理常用消毒方法和氧化方法处理微塑料，研究其对微塑料沉降和吸附性能的影响，发现氯化消毒对各种材质微塑料的沉降性能影响微弱，但可增强聚乙烯微塑料对水中有机物的吸附能力（增强~20%），紫外消毒则能显著增强各种材质微塑料的沉降率和沉降速率，并抑制多种微塑料对水中有机物的吸附能力（抑制率>80%）；（6）研究预氧化法对后续混凝沉淀过程微塑料去除效果的影响，发现高锰酸盐氧化能有效促进常规混凝-沉淀过程对多种微塑料的去除率（平均提高>30%）。研究结果为建立水中微塑料-有机物复合污染控制方法提供理论依据。