医用口罩中微塑料对铅的吸附性能研究
1. 研究背景
1.1 医用口罩的普及与污染
1.1.1 医用口罩在疫情防控中的作用
- 医用口罩在疫情期间成为了全球需求量最大且必不可少的医疗物资。
- 医用口罩能有效阻挡病毒和细菌的传播，保护人们的安全与健康。
- 在疫情得到控制之后，随之产生了大量的废弃医用口罩。
1.1.2 废弃口罩的环境污染问题
- 废弃口罩在环境中很难被降解，导致环境被污染。
- 废弃口罩的原材料主要是聚丙烯（PP）纤维，聚丙烯材料的降解条件较为苛刻。
- 大量的废弃口罩成为了需要妥善处理的环境问题。
1.2 微塑料的污染与危害
1.2.1 微塑料的定义与来源
- 微塑料是指粒径小于5mm的塑料颗粒，主要来源于塑料垃圾的分解。
- 微塑料在环境中分布极为广泛，对环境和生物体造成污染。
1.2.2 微塑料对环境和生物体的危害
- 微塑料能与水源水体中常见的一类重金属污染物铅在较低的浓度下结合导致复合污染。
- 微塑料被生物体摄入后，可能会在生物体内积累，对生物体造成长期的危害。
2. 研究目的与意义
2.1 研究目的
2.1 研究目的
- 研究聚丙烯（PP）微塑料和医用口罩对重金属铅的吸附能力，为废弃口罩的资源化利用提供理论依据。
- 探讨微塑料对重金属铅的吸附机理，为解决微塑料污染问题提供新的思路。
2.2 研究意义
2.2 研究意义
- 有助于提高人们对微塑料污染问题的认识，促进环保意识的提升。
- 有助于推动废弃口罩的资源化利用，实现可持续发展。
- 有助于为解决微塑料污染问题提供新的解决方案，保护环境和人体健康。
3. 研究方法与实验设计
3.1 实验材料与仪器
3.1.1 实验材料
- 聚丙烯（PP）微粒：粒径为100目，购于上海阿拉丁试剂有限公司。
- 一次性医用外科口罩：购于南昌市东海医疗器材有限公司。
3.1.2 仪器与试剂
- 电热鼓风干燥箱：DZF-6020B。
- 水浴恒温振荡箱：THZ-82A。
- BET比表面积及孔径分析：日本 MircrtracBEL（麦奇克拜尔）BELSORP MINI X。
- 电子天平：GG500。
- 超声波清洗器：SB-5200DT。
- 傅里叶变换红外光谱：日本-岛津-IRTracer。
- 扫描电镜：蔡司Sigma300。
3.2 实验方法
3.2.1 实验材料的预处理
- 将医用口罩剪碎成大概为50×50 mm的碎屑。
- 将6个100 mL的容量瓶放入超声波清洗器中超声1.5 h，保证标准曲线的准确度。
3.2.2 标准工作曲线的制备
- 用铅标准溶液分别配制不同浓度梯度的标液，铅标准工作曲线做6个点，设置的浓度梯度为0.5、1、1.5、2、2.5、3 mg/L。
- 以超纯水做空白样本，从低浓度到高浓度的顺序，用火焰原子吸收法分别依次测定标液中的Pb2+的吸光度。
3.2.3 预实验
- 经过实验的前期摸索，发现未经老化的聚丙烯（PP）微粒和口罩碎屑由于质轻且疏水性都很强，整个实验过程中它们会漂浮在溶液上方而不能充分与其接触，从而预实验结果显示PP对重金属铅几乎没有表现出吸附能力。
- 为了使两种疏水性的实验材料与重金属溶液充分接触，选择添加少量表面活性剂（SAA）来降低溶液的表面张力，提高了微塑料的亲水性。
3.2.4 吸附动力学实验
- 称量0.05 g硝酸铅，放入250 mL的容量瓶中，配制浓度为0.2 g/L的Pb2+的储备液，用超纯水定容。
- 准确称取0.2 g的PP微粒/医用口罩和0.16 g十二烷基硫酸钠，并移取10 mL Pb2+储备液，将它们移入250 mL锥形瓶中，加入90 mL的超纯水，锥形瓶瓶口用塑料膜密封，放入水浴恒温振荡箱中。
- 振荡箱转速的设置不宜过高，否则实验中的微塑料会因剧烈摇晃而沾到锥形瓶溶液上方的瓶壁上，从而影响实验的准确性，故转速设定为120 r/min，室温下振荡42 h。
- 设置三组平行样。设10个采样时间点（0、0.25、0.5、1、1.5、2、4、18、24、42 h），用一次性注射器取样，经滤膜过滤之后注入离心管中保存。
- 用火焰原子吸收法测定样品中铅离子的含量。
3.2.5 吸附等温试验
- Pb2+溶液分别设10个浓度梯度（0、2.5、5、7.5、10、12.5、15、17.5、20、25 mg/L）。
- 准确称取0.2 g的PP微粒/医用口罩，并移取10 mL相应浓度的Pb2+溶液，将它们移入250 mL锥形瓶中，加入90 mL的超纯水，锥形瓶瓶口用塑料膜密封，放入水浴恒温振荡箱中。
- 振荡箱转速的设置不宜过高，否则实验中的微塑料会因剧烈摇晃而沾到锥形瓶溶液上方的瓶壁上，从而影响实验的准确性，故转速设定为120 r/min，室温下振荡42 h。
- 设置三组平行样。在吸附平衡后，用一次性注射器取样，经滤膜过滤之后注入离心管中保存。
- 用火焰原子吸收法测定样品中铅离子的含量。
4. 实验结果与讨论
4.1 标准曲线
4.1.1 铅标准工作曲线的绘制
- 实验测定了不同浓度梯度的铅标准溶液的吸光度，绘制了铅标准工作曲线。
- 结果表明，铅浓度与吸光度之间具有良好的线性关系，相关系数R2≥0.999。
4.1.2 铅标准工作曲线的应用
- 利用铅标准工作曲线，可以准确测定样品中铅离子的含量。
- 为实验提供了可靠的定量分析方法。
4.2 吸附动力学
4.2.1 吸附动力学曲线
- 实验测定了PP微粒和医用口罩对Pb2+的吸附动力学曲线。
- 结果表明，PP微粒和医用口罩对Pb2+的吸附速率较快，在短时间内即可达到吸附平衡。
4.2.2 吸附动力学模型
- 实验结果表明，PP微粒和医用口罩对Pb2+的吸附过程都更符合拟二级动力学模型。
- 拟二级动力学模型能够较好地描述PP微粒和医用口罩对Pb2+的吸附动力学过程。
4.3 吸附等温线
4.3.1 吸附等温曲线
- 实验测定了不同浓度Pb2+溶液下PP微粒和医用口罩的吸附等温曲线。
- 结果表明，随着Pb2+浓度的升高，PP微粒和医用口罩对Pb2+的吸附量逐渐增加。
4.3.2 吸附等温模型
- 实验结果表明，用Langmuir模型和Freundlich模型均能很好地拟合PP对Pb2+的等温吸附过程。
- Langmuir模型和Freundlich模型能够较好地描述PP微粒和医用口罩对Pb2+的吸附等温过程。
4.4 微塑料的表征
4.4.1 扫描电镜的测定
- 对PP微粒和医用口罩进行了扫描电镜的测定。
- 结果表明，PP微粒和医用口罩表面都具有多孔结构和裂缝，具有较大的比表面积，从而具有较强的吸附能力。
4.4.2 比表面积的测定
- 对PP微粒和医用口罩进行了比表面积的测定。
- 结果表明，PP微粒和医用口罩的比表面积分别为20.5 m2/g和18.9 m2/g，具有较大的比表面积，从而具有较强的吸附能力。
4.4.3 傅里叶红外的测定
- 对PP微粒和医用口罩进行了傅里叶红外的测定。
- 结果表明，PP微粒和医用口罩表面都存在官能团，可能与Pb2+发生络合作用，从而增强了其对Pb2+的吸附能力。
5. 结论与展望
5.1 结论
5.1 结论
- PP微粒和医用口罩对Pb2+的吸附能力较强，PP微粒的吸附效果略高于医用口罩。
- 两者对Pb2+的吸附过程都更符合拟二级动力学模型。
- 用Langmuir模型和Freundlich模型均能很好地拟合PP对Pb2+的等温吸附过程。
- PP微粒和医用口罩对Pb2+的吸附能力随Pb2+浓度的升高而上升。
- 医用口罩在Pb2+浓度为5mg/L溶液中时，医用口罩吸附Pb2+的能力要大于PP微粒。
- PP微粒在吸附Pb2+时可能发生了化学吸附，导致有官能团被破坏。
- 医用口罩在吸附Pb2+时受到其分子其他部分的影响，使纤维融合在一起、导致纤维变形，改变原先结构。
- 微塑料对重金属铅离子的吸附主要以物理吸附为主。
5.2 展望
5.2 展望
- 进一步研究微塑料对其他重金属离子的吸附性能，以期实现废弃口罩的资源化利用。
- 探讨微塑料对重金属离子的吸附机理，为解决微塑料污染问题提供新的思路。
- 开发新型微塑料材料，提高其对重金属离子的吸附能力，为重金属污染治理提供新的解决方案。
