CN108407145B - 一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其包括箱体，以及设置在箱体内的进料器，进料器出口下方设置有料槽，料槽末端与传辊筒电极左侧连接；位于传辊筒电极右侧斜上方设置有高压复合电极，高压复合电极与高压电源连接，传辊筒电极接地；传辊筒电极与高压复合电极之间形成静电场，使空气发生电离，产生大量电子；位于传辊筒电极下方设置有V型料斗，V型料斗下部与用于产生水平方向电场力的分离电场装置连接，分离电场装置由高压电源供电；位于分离电场装置一侧壁由上至下依次设置有第一收集槽、第二收集槽、第三收集槽和第四收集槽。本发明能广泛在环境监测及水体沉积物中微塑料分离技术领域中应用。

Description

一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置

技术领域

本发明涉及一种环境监测及水体沉积物中微塑料分离技术领域，特别是关于一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置。

背景技术

塑料材料自发明以来，由于其良好的性能，得到了人们广泛的应用。但是，被废弃的塑料产品，会长时间积累在环境中，受物理、化学作用破碎成小的塑料碎片，而且能够进行远距离迁移，一部分塑料废弃物在风力、降水、河流流动等作用下进入海洋环境，经阳光辐射、生物侵蚀、潮汐和海浪冲刷等物理作用下破碎成更小的碎片。目前，人们把这些尺寸大小在1nm至5mm的塑料材质纤维、颗粒和碎片定义为微塑料。微塑料在海洋环境中广泛分布，由于其较大的比表面积，更易吸附有机污染物和重金属。同时，微塑料容易被海洋生物摄取，造成危害。微塑料正逐渐作为一种新型的环境污染物引起人们广泛的关注。

开展微塑料污染研究，关键的一步在于环境样品中微塑料的分离提取。目前，对于漂浮在水面上的微塑料通过过滤进行收集，沉积物或土壤等固体样品中微塑料的分离主要通过Thompson等提出的密度分选法，使用NaCl溶液从沉积物中分离微塑料，但该方法只适用于密度小于1.2g/cm3的聚合物，不能分离密度较高的聚合物，Liebezeit等和Corcoran等分别使用高密度盐氯化锌和多钨酸钠成功提取了高密度聚合物，但样品分析量和分析成本较高。Nuelle等用两步分选法，流化预提取解决了相应的问题，但是操作程序繁琐。微塑料的提取分离没有标准化和系统化的方法。目前，对于微塑料的定性分析主要有扫描电镜、电子显微镜扫描、红外光谱、拉曼光谱、热解吸气相色谱-质谱等，普遍存在分析成本较高的问题。因此，对微塑料进行简单分离，对于后续的分析提供更多的便利。

静电分选技术是一种比较成熟的分选手段，上世纪中叶开始，静电分选就已经被应用于煤与矿石的分选，自上世纪70年代以来，学者们开始研究静电分选技术应用于混合塑料的分选，静电分选技术是干法工艺，没有用水二次污染之忧，而且操作简便，没有繁琐的提取程序，可以直接将不同的微塑料分开。

微塑料正在成为海洋环境研究中的热点，目前对于微塑料提取分离没有系统化和标准化的方法，现行的方法都有一定的不足，所以提取分离方法的开发和改进尤为关键，这也是将来海洋环境监测的基础。开发一种简便可靠适用性广的提取分离方法，具有重要的实际意义和应用价值。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，该装置通过静电技术对不同的微塑料进行分离，大大减少了人工提取分离的工作量，提高了分离效率。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：它包括箱体，以及设置在所述箱体内的进料器、料槽、高压复合电极、传辊筒电极、V型料斗、分离电场装置、高压电源、第一收集槽、第二收集槽、第三收集槽和第四收集槽；所述进料器出口下方设置有所述料槽，所述料槽末端与所述传辊筒电极左侧连接；位于所述传辊筒电极右侧斜上方设置有所述高压复合电极，所述高压复合电极与所述高压电源连接，所述传辊筒电极接地；所述传辊筒电极与所述高压复合电极之间形成静电场，使空气发生电离，产生大量电子；位于所述传辊筒电极下方设置有所述V型料斗，所述V型料斗下部与用于产生水平方向电场力的所述分离电场装置连接，所述分离电场装置由所述高压电源供电；位于所述分离电场装置一侧壁由上至下依次设置有所述第一收集槽、第二收集槽、第三收集槽和第四收集槽。

进一步，所述V型料斗左侧上部设置有挂刷，所述挂刷端部与所述传辊筒电极接触。

进一步，所述进料器采用直槽式进料器。

进一步，所述传辊筒电极经转轴设置在所述箱体内，辊筒壁接地。

进一步，所述传辊筒电极采用钢材料，并在其表面镀铬制成。

进一步，所述高压复合电极采用复合弧形电极。

进一步，所述高压复合电极的曲率半径远小于所述传辊筒电极的曲率半径。

进一步，所述第一收集槽、第二收集槽、第三收集槽和第四收集槽外部均设置有计数器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将微塑料的提取过程简化为一个装置的运行过程，大大减少了人工提取分离的工作量。2、本发明将微塑料混合物进行分离，可以得到较为纯净的不同材质的微塑料，可以为后续的分析提供更多的便利。3、本发明优化了静电发生装置和静电分离装置，进一步提高了分离效率。4、本发明原理简单，装置的成本低，适用范围广，有利于进一步推广。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，该装置包括箱体，以及设置在箱体内的进料器1、料槽2、传辊筒电极3、高压复合电极4、高压电源5、V型料斗6、分离电场装置7、第一收集槽A、第二收集槽B、第三收集槽C和第四收集槽D。

进料器1出口下方设置有料槽2，料槽2末端与传辊筒电极3左侧连接。位于传辊筒电极3右侧斜上方设置有高压复合电极4，高压复合电极4与高压电源5连接，传辊筒电极3接地；传辊筒电极3与高压复合电极4之间形成静电场，使空气发生电离，产生大量电子。位于传辊筒电极3下方设置有V型料斗6，V型料斗6下部与用于产生水平方向电场力的分离电场装置7连接；分离电场装置7由高压电源5供电。位于分离电场装置7一侧壁由上至下依次设置有第一收集槽A、第二收集槽B、第三收集槽C和第四收集槽D。

使用时，材质不同的微塑料经进料器1落入料槽2，通过料槽2微塑料向前运动，进入传辊筒电极3与高压复合电极4之间形成的静电场，使微塑料通过静电场后带上电子，落入V型料斗6后进入分离电场装置进行分离。由于材质不同的微塑料的荷质比不同，故在电场中的飞行轨迹不同，从而进行分离。荷质比大的微塑料受到较大的电场力和偏移迅速，进入位于上部的收集槽，荷质比小的微塑料则运动到下部的收集槽，从而达到不同微塑料之间的分离。

上述实施例中，位于V型料斗6左侧上部设置有挂刷，挂刷端部与传辊筒电极3接触；用于将传辊筒电极3上的微塑料刷掉落入V型料斗6内。

上述各实施例中，进料器1采用直槽式进料器，以保证微塑料能够平缓的进入静电场。

上述各实施例中，传辊筒电极3经一根转轴设置在箱体内，辊筒壁接地。传辊筒电极3采用钢材料，并在其表面镀铬制成。工作时，该传辊筒电极3顺时针旋转，工作转速在0～500r/min可调。在本实施例中，传辊筒电极3的直径优选为300mm，长度优选为450mm。

上述各实施例中，高压复合电极4采用复合弧形电极，高压复合电极4的曲率半径远小于传辊筒电极3的曲率半径，即两者之间曲率半径相差较大，进而使得两者之间产生的静电场为不均匀电场。

上述各实施例中，高压复合电极4的工作电压调节范围为5kv—30kv；并在高压复合电极4与高压电源5之间设置有过载保护，当施加的电压高于35kv时，会自动断开，保护装置。

上述各实施例中，高压复合电极4与传辊筒电极3之间的距离可以通过设置在箱体外部的手轮进行调节。电极与辊筒之间的距离由齿轮齿条传动机构实现与接地辊筒之间间隙和角度的调整，齿轮齿条支撑在箱体上，通过箱体外手轮的转动来调节高压复合电极4与接地辊筒之间的间隙。

上述各实施例中，分离电场装置7内左侧极板与高压电源5连接，右侧极板接地，两极板之间形成分离电场，最高工作电压为30kV。

上述各实施例中，在第一收集槽A、第二收集槽B、第三收集槽C和第四收集槽D外部均设置有计数器8，用于对于收集到的微塑料颗粒数量进行统计。在本实施例中，每个收集槽的高度均设置为20cm。

综上所述，本发明的工作原理为：利用曲率半径相差很大的两电极之间施加高电压，形成不均匀电场，高压复合电极4附近发生电晕放电，从而使空气电离，产生大量的正、负离子，他们将分别向与之极性相反的电极运动，在电晕区以外的空间电荷——负离子和电子，它们在电场力的作用下，向正电极高速运动，当碰撞到待分选微塑料时，便失去自身速度而附着在微塑料上，从而使微塑料带电。由于微塑料的电性差异造成了荷电量的不同，在随后的运动中，不同的微塑料电荷消散的速率不同，从而使得最终不同微塑料上的电荷量不同。微塑料带电之后，进入新的静电场(分离电场)，电荷量不同所受到水平方向的电场力不同，飞到极板上的时间不同，在垂直方向运动的距离不同，进入高度不同的收集槽，将不同的微塑料分开收集，达到分离的目的。其中：

(1)微塑料在电晕电场中的荷电量是时间的函数，微塑料的荷电量为：

式中，Q_t为微塑料在电晕电场中t时间内获得的电量；ε为介电常数；R为物料的粒径；E为电场强度；n为电场中离子密度；e为电子电荷；K为离子迁移率。

(2)带电物料在电场中的受力：

在电场中，带点颗粒受到电场力F_e，自身重力G，空气阻力，带电颗粒之间的库仑力以及其他作用力影响。在此做出如下假设:空气阻力忽略不计；颗粒在电场中电荷量保持不变；颗粒间的库仑力忽略不计。这样一来，带电颗粒的受力就可以简化为水平方向的电场力，和垂直方向上的重力。电荷量不同的颗粒，受到的电场力不同，飞到极板的时间不同，竖直方向上飞行的距离也就不同，进而落入不同的收集槽中，达到分离的目的。

下面通过实施例对本发明的技术方案及效果作进一步说明。以下各实施例中，优选工艺参数为：高压复合电极4的工作电压为20kV，高压复合电极4与传辊筒电极3之间的电极角度为45°，高压复合电极4与传辊筒电极3之间的距离为130mm；传辊筒电极3的转动速度为120rpm，分离电场装置7的工作电压为20kV。

实施例1：

将10g聚乙烯、10g聚氯乙烯塑料薄膜剪成5mm的碎片，混合在一起配成混合物料。将参数设定为上述优选工艺参数，然后对配好的混合物料进行分离，最后对不同的收集槽中的微塑料进行重量分析，比较分离效率。第一次运行结束后，在上部的收集槽中收集到聚乙烯薄膜8.9g，下部的收集槽为聚氯乙烯薄膜9.2g。对中间的收集槽的混合物料再进行两次分离，最后的聚乙烯薄膜质量为9.3g，回收率93％，聚氯乙烯薄膜质量9.2g，回收率92％，中间料槽混合物料1.2g，损失率6％，分离效果良好。

实例2：

将10g聚氯乙烯、10g聚乙烯、10g聚丙烯塑料薄膜剪成5mm的碎片，配成混合物料进行分离。将上述优选工艺参数中的分离电场的电压调为25kV，对料槽中不纯净的物料进行多次分离之后，上部的收集槽得到聚乙烯9.1g，中部的收集槽得到聚丙烯8.8g，下部的收集槽得到聚氯乙烯9.0g，无法分离的物料2.0g，分离效果良好，损失的物料在接受范围之内。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：它包括箱体，以及设置在所述箱体内的进料器、料槽、高压复合电极、传辊筒电极、V型料斗、分离电场装置、高压电源、第一收集槽、第二收集槽、第三收集槽和第四收集槽；

所述进料器出口下方设置有所述料槽，所述料槽末端与所述传辊筒电极左侧连接；位于所述传辊筒电极右侧斜上方设置有所述高压复合电极，所述高压复合电极与所述高压电源连接，所述传辊筒电极接地；所述传辊筒电极与所述高压复合电极之间形成静电场，使空气发生电离，产生大量电子；位于所述传辊筒电极下方设置有所述V型料斗，所述V型料斗下部与用于产生水平方向电场力的所述分离电场装置连接，所述分离电场装置由所述高压电源供电；位于所述分离电场装置一侧壁由上至下依次设置有所述第一收集槽、第二收集槽、第三收集槽和第四收集槽。

2.如权利要求1所述的一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：所述V型料斗左侧上部设置有挂刷，所述挂刷端部与所述传辊筒电极接触。

3.如权利要求1所述的一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：所述进料器采用直槽式进料器。

4.如权利要求1所述的一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：所述传辊筒电极经转轴设置在所述箱体内，辊筒壁接地。

5.如权利要求1或4所述的一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：所述传辊筒电极采用钢材料，并在其表面镀铬制成。

6.如权利要求1所述的一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：所述高压复合电极采用复合弧形电极。

7.如权利要求6所述的一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：所述高压复合电极的曲率半径远小于所述传辊筒电极的曲率半径：即两者之间曲率半径相差较大，进而使得两者之间产生的静电场为不均匀电场。

8.如权利要求1所述的一种利用静电技术对微塑料进行分离的装置，其特征在于：所述第一收集槽、第二收集槽、第三收集槽和第四收集槽外部均设置有计数器。