CN108906348B - 分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置及分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置和分离方法，其中，分离装置包括样品制备系统，用于制备土壤悬浊液；分级分离系统，土壤悬浊液通过管路流入分级分离系统，在分级分离系统内进行分级分离；分级收集系统，将分级分离出的多种土壤内含有的成分单独收集并暂时存储；循环系统，将分级分离系统和分级收集系统的溶液回收，并输送回样品制备系统中进行循环利用。本发明的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置及分离方法，能够对土壤中的成分进行分级分层分离，提高了土壤研究的准确性及有效性；样品制备溶液可循环利用，既节约了实验原料，又提高了土壤分离的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤成分分离装置及分离方法，尤其涉及一种分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置及分离方法。
背景技术
塑料废弃至土壤中，在阳光辐射、生物侵蚀、风和水流冲刷等物理作用下会破碎成尺寸较小的微塑料。微塑料具有难降解、粒径小、疏水性强等特性，是多氯联苯、农药、多环芳烃等疏水性污染物和重金属的理想载体，并可通过水流作用迁移扩散，导致土壤大面积严重污染。
为了研究和治理土壤污染问题，需要对土壤成分进行分离和分析。现有的土壤分离装置，通常采用浮选法，将土壤样本稀释为样本溶液，利用微塑料与土壤中其他成分的密度差较大的特点，使微塑料自盛装样本溶液的收集杯上端溢出，并进行单独收集，以实现对微塑料的分离。或者采用高度较大的阶梯式梯度密度柱，由密度柱的上端加入样本溶液，依靠密度差实现土壤成分的分离。
但是，现有的土壤分离装置及分离方法通常需要对样本溶液进行长时间的静置处理，才能够使土壤成分的充分分离，无法实现对样本溶液循环连续不间断的分离工作。且土壤中除微塑料外，还可能存在如结晶纤维素等其他成分，为了使研究结果更加准确有效，应当将各成分分级分离进行研究，但由于微塑料和结晶纤维素的尺寸都较小，与泥沙混杂严重，因此现有分离装置无法实现对土壤中多成分分级分离的效果。
发明内容
本发明提供了一种分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置及分离方法，能够实现对土壤中多成分的分级分离和收集，且分离过程可循环连续进行，无需静止。具体技术方案如下：
一种分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置，包括样品制备系统，设置在分离装置的前端，以制备土壤悬浊液；分级分离系统，设置在样品制备系统后，与样品制备系统管路连接，土壤悬浊液通过管路流入分级分离系统，在分级分离系统内进行分级分离；分级收集系统，设置在分级分离系统后，与分级分离系统管路连接，以将分级分离出的多种土壤内含有的成分单独收集并暂时存储；循环系统，包括收集缸，收集缸一端与分级分离系统和分级收集系统的末端通过管路连接，另一端与样品制备系统管路连接，以将通过分级分离系统和分级收集系统的溶液回收，并输送回样品制备系统中进行循环利用。
进一步，样品制备系统包括样品瓶，样品瓶的底部设置有磁力搅拌装置，样品瓶的内部设置有转子，磁力搅拌装置可带动转子转动，以对样品瓶中的溶液进行搅拌。
进一步，分级分离系统包括分离腔，分离腔的外部套设有套筒，套筒的上部开口高于分离腔的上部开口，分离腔内设置有离心装置，离心装置可使分离腔内的溶液离心运动。
进一步，离心装置包括铁架台，铁架台设置在套筒的旁侧，铁架台上固定设置有驱动件，驱动件上连接有延伸杆，延伸杆的末端设置有螺旋桨，延伸杆自分离腔的上部开口伸入至分离腔内，使螺旋桨伸入至分离腔的中心位置，驱动件可驱动螺旋桨转动。
进一步，套筒的底部开设有漏液口，漏液口一端与套筒连通设置，另一端与收集缸连通设置，套筒内的溶液可通过漏液口流入收集缸内。
进一步，分离腔的侧壁上设置有多个腔体开孔，多个腔体开孔沿竖直方向间隔排列，腔体开孔处设置有挡板，挡板可打开或闭合，以使腔体开孔打开或闭合。
进一步，分级收集系统包括多个过滤收集器，每个过滤收集器对应一个腔体开孔，腔体开孔与相对应的过滤收集器之间通过导管相连接，分离腔内分离出的土壤成分通过腔体开孔沿导管进入过滤收集器进行过滤收集。
进一步，过滤收集器的一端与腔体开孔管路连接，另一端与收集缸管路连接，经过滤收集器过滤后的溶液沿管路流入收集缸内。
一种分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离方法，包括以下步骤：
步骤一，称取定量土壤样品，在土壤样品中加入调配溶液，搅拌摇匀以形成土壤悬浊液；
步骤二，将土壤悬浊液倒入样品制备系统中，由样品制备系统继续搅拌，以使土壤悬浊液保持悬浊状态；
步骤三，在分级分离系统中预先导入调配溶液，将样品制备系统中的土壤悬浊液导入调配溶液中，并进行离心处理，使土壤成分分级分层；
步骤四，对分级分层后的土壤成分进行单独过滤收集，过滤后的土壤成分暂时存储在分级收集系统中；
步骤五，将分级分离系统和分级收集系统中排出的调配溶液进行收集，并运输回样品制备系统；
步骤六，在样品制备系统中加入新的土壤样品，使新的土壤样品与回收的调配溶液重新混合，制备成新的土壤悬浊液，以形成循环连续的分级分层过程。
进一步，调配溶液为饱和的ZnCl2溶液，ZnCl2溶液的密度为1.7g/cm3，分级分层出的土壤成分包括微塑料、纤维素结晶。
本发明的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置及分离方法，能够对土壤中的成分进行分级分层分离，以同时分离出多种土壤成分进行研究分析，提高了土壤研究的准确性及有效性。同时，样品制备溶液可循环利用，土壤的分离过程可连续进行，无需静止等待，既节约了实验原料，又提高了土壤分离的效率。
附图说明
图1为本发明的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、功能以及具体设计方案，下面结合附图，对本发明的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置及分离方法作进一步详细的描述。
本发明的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置包括样品制备系统、分级分离系统、分级收集系统和循环系统。其中，样品制备系统设置在分离装置的前端，用于制备土壤悬浊液；分级分离系统设置在样品制备系统后，与样品制备系统管路连接，土壤悬浊液通过管路流入分级分离系统，在分级分离系统内进行分级分离；分级收集系统设置在分级分离系统后，与分级分离系统管路连接，以将分级分离出的多种土壤内含有的成分单独收集并暂时存储；循环系统一端与分级分离系统和分级收集系统管路连接，另一端与样品制备系统管路连接，以将通过分级分离系统和分级收集系统的溶液回收，并输送回样品制备系统中进行循环利用。
如图1所示，样品制备系统包括样品瓶1，样品瓶1开口向上，样品瓶1的底部设置有磁力搅拌装置2，样品瓶1放置在磁力搅拌装置2的中心。磁力搅拌装置2包括转子3，转子3放置在样品瓶1的内部，转子3位于样品瓶1的底部，与磁力搅拌装置2相互作用，磁力搅拌装置2带动转子3转动，以对样品瓶1中的溶液进行搅拌。
分级分离系统包括分离腔9，分离腔9为圆柱形的杯状结构，上部为开口，分离腔9的外部套设有套筒7，套筒7的上部为开口，且套筒开口的高度高于分离腔9的上部开口。样品瓶1与分离腔9之间通过管路相互连接，且管道上设置有第一蠕动泵4，第一蠕动泵4可提供动力，将样品瓶1内的溶液导入至分离腔9中。
套筒7的旁侧设置有离心装置，离心装置可使分离腔9内的溶液保持离心运动。离心装置包括铁架台5，铁架台5靠近套筒7固定设置；铁架台5上固定设置有马达6，马达6悬设在分离腔9和套筒7的开口的上方；马达6的下端连接有延伸杆，延伸杆的末端设置有螺旋桨10，延伸杆自分离腔9的上部开口伸入至分离腔9内，使螺旋桨10伸入至分离腔9的中心位置。马达6可驱动螺旋桨10转动，使螺旋桨10对分离腔9内的溶液旋转搅动，以保持溶液的离心运动状态。
循环系统包括收集缸14，收集缸14为扁平状的容器，设置在套筒7的下方，套筒7的底部开设有漏液口11，漏液口11的一端与套筒7连通设置，另一端与收集缸14连通设置，套筒7内的溶液可通过漏液口11流入收集缸14内。
分离腔9的侧壁上设置有至少一个腔体开孔12，当腔体开孔12为两个或多个时，腔体开孔12沿竖直方向间隔排列，即多个腔体开孔12的设置高度不同。腔体开孔12处设置有挡板，挡板可打开或闭合，以使腔体开孔12打开或闭合，分离腔9内的容纳物可在挡板打开时沿腔体开孔12流向外部。
腔体开孔12的后端设置有至少一个过滤收集器13，过滤收集器13的数量与腔体开孔12的数量相同。每个过滤收集器13对应一个腔体开孔12，腔体开孔12与相对应的过滤收集器13之间通过导管相连接，每个过滤收集器13的末端通过导管与收集缸14相连通。分离腔9内分离出的土壤成分连同调配溶液一起通过腔体开孔12，沿导管进入过滤收集器13中，过滤收集器13可将土壤成分过滤出来并暂时存储，过滤后剩余的调配溶液可沿导管流入收集缸14内以进行回收。
优选地，腔体开孔12与过滤收集器13设置有两组或两组以上。
收集缸14的末端连接有导管，导管的另一端通入样品瓶1中，导管上设置有第二蠕动泵15，第二蠕动泵15可提供动力，以将收集缸14内收集的溶液送回样品瓶1中，以循环利用。
下面结合以上对分离装置的具体描述，对本发明的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离方法及分离装置的工作过程进行详细说明。
首先，称取500g土壤样品(干重计)，将土壤样品溶于饱和ZnCl2溶液(密度1.7g/cm3)中摇匀，形成土壤悬浊液；
将上述土壤悬浊液倒入样品瓶1中，由磁力搅拌器2带动转子3继续旋转，以保持土壤悬浊液保持悬浊状态。
分离腔9内预先导入一定量的饱和ZnCl2溶液，开启螺旋桨10快速搅动，以使分离腔9内的液体保持离心状态，此时，分离腔9内的腔体开孔12为封闭状态；
通过第一蠕动泵4将土壤悬浊液缓缓注入分离腔9内，同时打开分离腔9的各腔体开孔12；
土壤悬浊液进入分离腔9后，随离心运动中的饱和ZnCl2溶液一同进行离心运动，此时，土壤悬浊液中的微塑料、结晶纤维素以及小沙粒等土壤成分，会在重力和离心力的作用下快速分散于分离腔9的不同高度位置上；
当不同高度的土壤成分遇到高度合适的腔体开孔12时，土壤成分将随饱和ZnCl2溶液一起流出分离腔9，并通过过滤收集器13进行过滤收集，土壤成分暂存在过滤收集器13中，过滤出的饱和ZnCl2溶液流入收集缸14中；
随着分离腔9内的土壤悬浊液不断流入，分离腔9内的溶液将会不断自分离腔9的上部开口溢出，溢出的溶液流入套筒7内，沿漏液口11流入收集缸14中；
收集缸14内收集的溶液通过第二蠕动泵15输送回样品瓶1中，作为后续土壤样品的载体，以达到连续补充调配溶液的目的；
在样品瓶1中加入新的土壤样品，使新的土壤样品与回收的溶液重新混合，制备成新的土壤悬浊液，以形成循环连续的土壤分级分层过程。
上述饱和ZnCl2溶液的密度为1.7g/cm3，蠕动泵的流速为1mL/min，螺旋桨的转速为8000-10000rpm。
本发明的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置及分离方法，能够对土壤中的成分进行分级分层分离，以同时分离出多种土壤成分进行研究分析，提高了土壤研究的准确性及有效性，具有普适性好、高通量、连续上样等优点。同时，样品制备溶液可循环利用，土壤的分离过程可连续进行，无需静止等待，既节约了实验原料，又提高了土壤分离的效率。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (8)
1.一种分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置，其特征在于，包括：
样品制备系统，设置在分离装置的前端，以制备土壤悬浊液；
分级分离系统，设置在样品制备系统后，与样品制备系统管路连接，且管道上设置有蠕动泵，土壤悬浊液通过管路流入分级分离系统，在分级分离系统内进行分级分离；
分级收集系统，设置在分级分离系统后，与分级分离系统管路连接，以将分级分离出的多种土壤内含有的成分单独收集并暂时存储；
循环系统，包括收集缸，收集缸一端与分级分离系统和分级收集系统的末端通过管路连接，另一端与样品制备系统管路连接，以将通过分级分离系统和分级收集系统的溶液回收，并输送回样品制备系统中进行循环利用；
分级分离系统包括分离腔，分离腔的外部套设有套筒，套筒的上部开口高于分离腔的上部开口，分离腔内设置有离心装置，离心装置可使分离腔内的溶液离心运动；
套筒的底部开设有漏液口，漏液口一端与套筒连通设置，另一端与收集缸连通设置，套筒内的溶液可通过漏液口流入收集缸内。
2.如权利要求1所述的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置，其特征在于，样品制备系统包括样品瓶，样品瓶的底部设置有磁力搅拌装置，样品瓶的内部设置有转子，磁力搅拌装置可带动转子转动，以对样品瓶中的溶液进行搅拌。
3.如权利要求1所述的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置，其特征在于，离心装置包括铁架台，铁架台设置在套筒的旁侧，铁架台上固定设置有驱动件，驱动件上连接有延伸杆，延伸杆的末端设置有螺旋桨，延伸杆自分离腔的上部开口伸入至分离腔内，使螺旋桨伸入至分离腔的中心位置，驱动件可驱动螺旋桨转动。
4.如权利要求1所述的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置，其特征在于，分离腔的侧壁上设置有多个腔体开孔，多个腔体开孔沿竖直方向间隔排列，腔体开孔处设置有挡板，挡板可打开或闭合，以使腔体开孔打开或闭合。
5.如权利要求4所述的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置，其特征在于，分级收集系统包括多个过滤收集器，每个过滤收集器对应一个腔体开孔，腔体开孔与相对应的过滤收集器之间通过导管相连接，分离腔内分离出的土壤成分通过腔体开孔沿导管进入过滤收集器进行过滤收集。
6.如权利要求5所述的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置，其特征在于，过滤收集器的一端与腔体开孔管路连接，另一端与收集缸管路连接，经过滤收集器过滤后的溶液沿管路流入收集缸内。
7.一种分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离方法，基于上述任意一项权利要求所述的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，称取定量土壤样品，在土壤样品中加入调配溶液，搅拌摇匀以形成土壤悬浊液；
步骤二，将土壤悬浊液倒入样品制备系统中，由样品制备系统继续搅拌，以使土壤悬浊液保持悬浊状态；
步骤三，在分级分离系统中预先导入调配溶液，将样品制备系统中的土壤悬浊液导入调配溶液中，并进行离心处理，使土壤成分分级分层；
步骤四，对分级分层后的土壤成分进行单独过滤收集，过滤后的土壤成分暂时存储在分级收集系统中；
步骤五，将分级分离系统和分级收集系统中排出的调配溶液进行收集，并运输回样品制备系统；
步骤六，在样品制备系统中加入新的土壤样品，使新的土壤样品与回收的调配溶液重新混合，制备成新的土壤悬浊液，以形成循环连续的分级分层过程。
8.如权利要求7所述的分离土壤中微塑料和纤维素结晶的分离方法，其特征在于，调配溶液为饱和的ZnCl2溶液，ZnCl2溶液的密度为1.7g/cm3，分级分层出的土壤成分包括微塑料、纤维素结晶。
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