CN108445050A - 一种基于介电常数识别的微塑料检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，其包括进料器、料槽、加料器、电容测量装置和收集槽；所述进料器的出口下方设置有所述料槽，所述料槽的末端与所述加料器连接；所述加料器的下方依次设置有所述电容测量装置和收集槽；所述电容测量装置位于收集槽上方。本发明具有简单易行，抗干扰能力强，检测效率高等优点。本发明可以广泛在环境监测及环境介质中微塑料的识别检测技术领域中应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种环境监测及环境介质中微塑料的识别检测技术领域，特别是关于一种基于介电常数识别的微塑料检测装置。
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。
开展微塑料的污染状况研究，需要对环境介质中微塑料的存在进行检测，而且后续的研究需要对微塑料进行定性分析，以获取微塑料污染的具体信息。目前国内外就塑料种类判别的方法主要有传统物化法和新型无损检测法，传统方法根据外观、密度、燃烧以及溶解度特性对塑料种类加以判别，使用的方法有外观判别法、密度判别法、溶解度法、热解法、燃烧判别、双重热分析法，这些方法存在不同的缺点，导致难以大量推行。微塑料的新型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，这些设备适用于室内分析，普遍存在分析成本较高，分析环境条件要求较高的问题，难以用于采样现场的快速检测。
塑料组成单体种类、加工工艺和添加剂成分及含量不同，对应其性能特征有着明显的差异。在电特性方面，不同微塑料的介电常数有一定的差异，当微塑料颗粒通过电容时，会引起电容器电容的变化，使用伏安计法测量电路的容抗，从而算出电容器的电容和介质的介电常数，如何根据该原理设计相应的检测装置来识别检测不同种类的微塑料，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基于介电常数识别的微塑料检测装置，该装置具有简单易行，抗干扰能力强，检测效率高等优点。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，其特征在于：它包括进料器、料槽、加料器、电容测量装置和收集槽；所述进料器的出口下方设置有所述料槽，所述料槽的末端与所述加料器连接；所述加料器的下方依次设置有所述电容测量装置和收集槽；所述电容测量装置位于收集槽上方。
进一步，所述电容测量装置包括由两极板构成的电容器、电压表、电流表和电源；所述加料器的正下方位于所述两极板之间，所述两极板分别与所述电源的正极和负极连接，且位于极板与所述电源正极之间设置有所述电流表，所述电压表用于测量所述两极板间的电压。
进一步，所述加料器通过现有控制设备控制其释放物料和加料频率，使单个物料依次进入所述电容测量装置中的所述两极板之间。
进一步，所述单个物料进入所述两极板之间，所述电容器的电容会随着所述两极板间介质的变化而发生变化，通过所述电流表和电压表测量电路中的电流值和电压值，计算出电路的容抗，随后计算出电容值和介质的介电常数；将该介电常数与现有历史实验数据对比，确定微塑料颗粒的种类。
进一步，所述微塑料介电常数的计算过程如下：
电容器电容为：
式中，ε为微塑料的介电常数；k为静电力常量；S为两极板正对面积；d为两极板间的距离；
所述电压表测量容抗上的电压U，所述电流表测量流过它的电流值I，则被测容抗的值为XC＝U/I，又因为容抗与电容成反比，则有：
式中，XC为容抗；f为交流电频率；C为电容器电容；
则微塑料的介电常数为：
进一步，所述进料器采用直槽式进料器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将微塑料颗粒的识别过程简化为电容器介质的介电常数的测定，大大减少了传统鉴别方法的不确定性。2、本发明可进行多次重复试验，保证识别结果的准确性。3、本发明测量快速简便，装置结构简单，可用于室外环境的测量。4、本发明操作简单，装置成本低，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
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，本发明提供一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，该装置包括进料器1、料槽2、加料器3、电容测量装置4和收集槽5。进料器1的出口下方设置有料槽2，料槽2的末端与加料器3连接。加料器3的下方依次设置有电容测量装置4和收集槽5；电容测量装置4位于收集槽5上方，由收集槽5将离开电容测量装置4的物料进行收集。
在一个优选的实施例中，电容测量装置4包括由两极板构成的电容器、电压表V、电流表A和电源。加料器3的正下方位于两极板之间，两极板分别与电源的正极和负极连接，且位于极板与电源正极之间设置有电流表A，电压表V用于测量两极板间的电压。
上述各实施例中，进料器1采用直槽式进料器，以保证物料平稳进入加料器3内。
上述各实施例中，加料器3通过现有控制设备控制其释放物料和加料频率，使单个物料依次进入电容测量装置4中的两极板之间。不同的微塑料介电常数不同，当微塑料颗粒经过电容时，介质发生改变，电容器的电容也会有所变化。当单个物料进入两极板之间，电容器的电容会随着两极板间介质的变化而发生变化，通过电流表A和电压表V测量电路中的电流值和电压值，计算出电路的容抗，随后计算出电容值和介质的介电常数。将该介电常数与现有历史实验数据对比，进而确定微塑料颗粒的种类，达到检测识别的目的。
上述各实施例中，微塑料介电常数的计算过程如下：
由于电容器的电容与电容器本身的特性有关，电容器电容决定式为：
式中，ε为微塑料的介电常数；k为静电力常量；S为两极板正对面积；d为两极板间的距离。
伏安计法可用于电路中容抗的测量，用电压表V测量容抗上的电压U，电流表A测量流过它的电流值I，则被测容抗的值为XC＝U/I，又因为容抗与电容成反比，则有：
式中，XC为容抗；f为交流电频率；C为电容器电容；
于是微塑料的介电常数为：
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。以下实施例中，优选参数为：以恒定速度使微塑料样品颗粒通过电容器；测量电路的参数为，电源电压为10-200v，频率为100Hz，1kHz,100kHz和1MHz。
实施例：将聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、ABS标准塑料颗粒分别进行电容测量，记录相应的电压和电流，计算出每种塑料对应的介质的介电常数，重复测试三次，取平均值，作为参考。
1)将10g聚乙烯，5g聚氯乙烯，5g聚丙烯塑料颗粒进行混合，称取1g混合物料进行识别，重复三次试验，将实验数据与参考值进行比对，确定塑料颗粒的种类，最后成功识别三种塑料颗粒，整体识别率达94％。
2)将10g沙子和10g聚乙烯塑料颗粒进行混合，称取1g混合物料进行识别，重复试验三次，成功鉴别聚乙烯和沙子。
3)将采集的沉积物样品进行测试，重复试验3次，鉴别出聚乙烯塑料、聚氯乙烯塑料盒聚丙烯塑料。
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 (6)
1.一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，其特征在于：它包括进料器、料槽、加料器、电容测量装置和收集槽；所述进料器的出口下方设置有所述料槽，所述料槽的末端与所述加料器连接；所述加料器的下方依次设置有所述电容测量装置和收集槽；所述电容测量装置位于收集槽上方。
2.如权利要求1所述的一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，其特征在于：所述电容测量装置包括由两极板构成的电容器、电压表、电流表和电源；所述加料器的正下方位于所述两极板之间，所述两极板分别与所述电源的正极和负极连接，且位于极板与所述电源正极之间设置有所述电流表，所述电压表用于测量所述两极板间的电压。
3.如权利要求2所述的一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，其特征在于：所述加料器通过现有控制设备控制其释放物料和加料频率，使单个物料依次进入所述电容测量装置中的所述两极板之间。
4.如权利要求3所述的一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，其特征在于：所述单个物料进入所述两极板之间，所述电容器的电容会随着所述两极板间介质的变化而发生变化，通过所述电流表和电压表测量电路中的电流值和电压值，计算出电路的容抗，随后计算出电容值和介质的介电常数；将该介电常数与现有历史实验数据对比，确定微塑料颗粒的种类。
5.如权利要求4所述的一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，其特征在于：所述微塑料介电常数的计算过程如下：
电容器电容为：
式中，ε为微塑料的介电常数；k为静电力常量；S为两极板正对面积；d为两极板间的距离；
所述电压表测量容抗上的电压U，所述电流表测量流过它的电流值I，则被测容抗的值为XC＝U/I，又因为容抗与电容成反比，则有：
式中，XC为容抗；f为交流电频率；C为电容器电容；
则微塑料的介电常数为：
6.如权利要求1至5任一项所述的一种基于介电常数识别的微塑料检测装置，其特征在于：所述进料器采用直槽式进料器。
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