CN109909073A - 一种基于气浮法进行的微塑料分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固体废弃物处理方法技术领域，特别涉及一种基于气浮法进行的微塑料分离方法：先向分散有微塑料的水体中加入三庚基十二烷基碘化铵并混合充分，再向分散液中加入无机酸并混合充分后，持续通入空气或氧气，使通入的空气或氧气在分散液中形成气泡并上升，气泡上升的同时也带动水体中的微塑料进行上浮，最后将水体上层大量含有微塑料的液体分流出去，实现了水体与微塑料的分离。

Description

一种基于气浮法进行的微塑料分离方法

技术领域

本发明属于固体废弃物处理方法技术领域，特别涉及一种基于气浮法进行的微塑料分离方法。

背景技术

塑料及其制品在工业、农业以及日常生活中被广泛应用，全球每年使用塑料不少于2.4亿吨。环境中的塑料残体可以通过风力、河流、洋流等外力进行远距离迁移，污染地球上的各个角落。自然界水体中的塑料在光降解、化学氧化及生物降级等作用下，分裂成直径小于5mm甚至更微小的塑料碎片，称之为微塑料。

微塑料在环境中具有粒径小、比表面积大等特点，容易吸附环境中的其他污染物包括有机污染物和重金属等，将污染物富集在微塑料表面，进一步影响环境中污染物的迁移行为。同时，微塑料极易被生物体误食而摄入体内，一方面本身会对生物造成物理性损伤；另一方面，其表面富集的污染物会在生物体中释放，影响生物体的发育，甚至导致其死亡。微塑料由于粒径小、分布广，容易和其他污染物混合在一起，难以从水体、沉积物和土壤中进行分离。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于气浮法进行的微塑料分离方法：

(1)向分散有微塑料的水体中加入含碘的有机物并混合充分，

其中，含碘的有机物为三庚基十二烷基碘化铵，三庚基十二烷基碘化铵与水体中的微塑料的质量比为1～2：1，加入时先将三庚基十二烷基碘化铵分散于丙三醇中，再将得到的三庚基十二烷基碘化铵的丙三醇分散液加入到水体中，三庚基十二烷基碘化铵与丙三醇的质量比为1：20～1：25，

作为优选：加入含碘的有机物之前，先向分散有微塑料的水体中加入消解剂并搅拌充分，加入消解剂可以去除水体中游离的大部分有机污染物，实现初步净化的同时，也避免了在后续分离过程中产生干扰，

消解剂为FeCl₂和H₂O₂；

(2)向步骤(1)中得到的分散液中加入无机酸并混合充分后，持续通入空气或氧气，使通入的空气或氧气在分散液中形成气泡并上升，

无机酸的加入量按无机酸中氢离子与三庚基十二烷基碘化铵的摩尔比为1.2：1～1.6：1计算，

作为优选：在加入无机酸之前，先向步骤(1)中得到的分散液中加入饱和的氯化钠水溶液或饱和的氯化锌水溶液并混合充分，

加入饱和的氯化钠水溶液或饱和的氯化锌水溶液后可提高水体分散液的密度，增大微塑料在分散液中上升的效率，提高分离效果，饱和的氯化钠水溶液或饱和的氯化锌水溶液与步骤(1)中得到的分散液的体积比为1：10～1：4。

本方案在对微塑料和水体进行分离时，一方面将不溶于水的空气或氧气通入到水体内靠近底部的位置，通入的空气或氧气在水体内形成气泡上升，气泡上升的同时也带动水体中的微塑料进行上浮；另一方面，本方案中加入的三庚基十二烷基碘化铵通过其分子结构上的有机链基团靠近甚至吸附到水体中的微塑料上，同时三庚基十二烷基碘化铵分子上还含有碘负离子，本来三庚基十二烷基碘化铵于水中电离后生成的碘负离子是自由游离于水体中的，但是申请人认为，由于三庚基十二烷基碘化铵上存在三个庚基，造成了很强的位阻效应，因此在水体中，生成的碘负离子很大程度上还是被庚基所束缚住，从而依然与长链铵离子存在结合。

在此基础上，在无机酸氢离子环境下，通入水体中的氧气或空气(空气中含有氧气)存在与碘负离子结合反应的趋势(4H⁺+4I^—+O₂＝2I₂+2H₂O)，而碘负离子与长链铵离子间存在结合性、长链铵离子又与微塑料间存在结合性，这样，就相当于存在将水体内的氧气或空气与微塑料相结合的驱动力，从而增大了水体中上升的空气或氧气气泡与微塑料相结合的程度，也就提高了水体中气泡带动微塑料上升的效果。

附图说明

图1是本发明具体操作时优选使用的装置结构示意图，

图2是附图1中气浮池的俯视图，

其中，1—储液罐，2—搅拌器，3—阀门，4—反应池，5—气浮池，6—轴承，7—轴套，8—进气管，9—叶轮，10—盖板，11—整流挡板，12—漏斗，13—滤膜，14—集液器，15—真空泵，16—气孔。

具体实施方式

在实际操作中，优选使用附图中的设备对分散有微塑料的水体进行净化分离，如附图所示，该装置大致上包括储液罐1、反应池4、气浮池5、过滤机构；其中，储液罐1和反应池4中均安装有搅拌器2，储液罐1中(被浓缩后的)待净化处理的水体依次流经反应池4、气浮池5，

储液罐1中开启搅拌器2进行搅拌，使待处理水体中微塑料与水形成悬浊液，同时也使其他污染物于水体中尽可能分散；

反应池4下部设置两个进口，分别供FeCl₂和H₂O₂以水溶液的形式注入反应池4与其中的水体搅拌混合，实现对水体的Fenton法处理，处理充分后水体被排入到气浮池5中，再向气浮池5中加入三庚基十二烷基碘化铵的丙三醇分散液并充分混合，无机酸水溶液则在搅拌曝气前加入；

气浮池5中采用叶轮9气浮，叶轮9被电机带动搅拌同时通入空气或氧气产生曝气，叶轮9上方设置盖板10，盖板10上平均分布多个气孔16(12个)，叶轮9高速旋转于盖板10下方形成负压吸入空气或氧气，同时水体由盖板10上的气孔16进入叶轮9搅拌区域，在叶轮9快速搅拌下，空气或氧气被破碎成细小的气泡并与水形成水气混合物，气浮池5底部周边环向设置设有4或6个平均分布的竖直的整流挡板11，使得水气混合物经过整流挡板11稳流后垂直上升，进行气浮，

气浮池5设置两个进口和两个出口，通过一个进口通入来自反应池4的水体，通过另一个进口通入饱和的氯化钠水溶液或饱和的氯化锌水溶液，

气浮池5上端的一个出口用于将气浮后的上层含有微塑料的悬浮液进入后续的过滤机构，气浮池5中部的另一个出口将得到净化的水体排出；

过滤机构中使用滤膜13进行过滤，滤膜13为带孔的醋酸纤维膜或玻璃纤维膜，用于脱除微塑料表面的水分，同时设有与滤膜13出水端相接通的真空泵15，抽速为5～10m³/h，用于加快过滤脱除水分的速度，

储液罐1、反应池4、气浮池5、过滤机构之间依靠重力流进行流体传质，同时安装有阀门3控制。

以下着重讨论的是气浮过程中对水体中微塑料的去除效果：

实施例1

将多个直径为2mm的圆形微塑料薄片称量后充分分散到纯水中得到稳定悬浮有微塑料污染的模拟分散液，微塑料薄片于模拟分散液中的浓度为1g/L(176个/L)，向模拟分散液中加入三庚基十二烷基碘化铵的丙三醇溶液并搅拌充分，三庚基十二烷基碘化铵的丙三醇溶液中三庚基十二烷基碘化铵的质量浓度为4％，加入的三庚基十二烷基碘化铵的丙三醇溶液与模拟分散液的质量体积比为30g：1L，

向上述所得的水体中加入溶质质量分数为17％的盐酸水溶液并搅拌充分，盐酸水溶液与模拟分散液之间的质量体积比为0.5g：1L，然后于搅拌状态下向所得水体中通入氧气产生曝气(采用本申请附图中气浮池5内的曝气装置和叶轮9搅拌装置)，曝气充分后，(于曝气状态下)将水体上层富集有微塑料的液层去除，停止曝气和搅拌，待所剩水体基本稳定后于水体(高度位置上的)居中处进行取样，滤干后发现微塑料此时于水体中的平均浓度为14.3个/L(于同一高度上三个不同位置处分别取样，计算平均值，下同)。

对比实施例1

未加入任何三庚基十二烷基碘化铵，其余操作均同实施例1：

向实施例1中的模拟分散液中加入丙三醇并搅拌充分，丙三醇与模拟分散液的质量体积比为28.8g：1L，

向上述所得的水体中加入溶质质量分数为17％的盐酸水溶液并搅拌充分，盐酸水溶液与模拟分散液之间的质量体积比为0.5g：1L，再加入氯化钠晶体粉末并搅拌充分，从而使后续搅拌曝气时水体混合物的密度同实施例1(避免了体系密度不同而导致的对微塑料上升速率的影响)，然后于搅拌状态下向所得水体中通入氧气产生曝气(采用本申请附图中气浮池5内的曝气装置和叶轮9搅拌装置)，曝气充分后，(于曝气状态下)将水体上层富集有微塑料的液层去除，停止曝气和搅拌，待所剩水体基本稳定后于水体(高度位置上的)居中处进行取样，

滤干后发现微塑料此时于水体中的平均浓度为43.3个/L。

对比实施例2

针对实施例1中的模拟分散液，将实施例1中的“三庚基十二烷基碘化铵”替换为等摩尔的“十二烷基三甲基碘化铵”，其余操作均同实施例1(同样，在加入盐酸水溶液后，再向水体中加入相应用量的氯化钠晶体粉末充分分散，从而使后续搅拌曝气时水体混合物的密度同实施例1)。

对净化后的水体取样，滤干后发现微塑料此时于水体中的平均浓度为62.3个/L。

从上述对比实施例2的净化效果来看，申请人认为，这应该是十二烷基三甲基碘化铵进入水体后分解成的碘离子与长链铵离子独立地游离存在，即使酸性条件下碘离子与通入的氧气存在相互反应的趋势，但这并不能将长链铵离子以及与长链铵离子所结合的微塑料向氧气气泡拉近(从而增加于水体中上升的氧气气泡与微塑料的结合程度)；相反，长链铵离子具有乳化稳定的作用，使微塑料更稳定地停留了在水体中，因此净化效果还不如对比实施例1的空白对照。

以下是将本申请的方案用于实际水体净化时的微塑料去除效果：

实施例2

基于本方案附图中的装置，取浓缩的地表水体(浓缩之前，地表水体中的微塑料为肉眼可见的细小薄片状，平均浓度为1.3个/L；因此，浓缩100倍后的地表水体中微塑料浓度为130个/L，对浓缩100倍后的浓缩液取样并滤干后称重，可以获得浓缩液中微塑料的质量浓度为0.63g/L，以便于计算出后续功能助剂的加入量)于储液罐1中开启搅拌器2搅拌充分，然后打开阀门3，水体自流到反应池4中，同时通入FeCl₂水溶液和H₂O₂水溶液，控制FeCl₂和H₂O₂在反应池4内的水体中分别物质的量浓度为0.05mol/L、体积浓度为25％，储液罐1和反应池4中搅拌器2的搅拌速度均为100r/min；

水体继续自流到气浮池5中，气浮池5中叶轮9被高速电机带动快速旋转，转速为900r/min，(关闭气浮池5上靠下的进口)通过气浮池5上方开口向气浮池5中加入三庚基十二烷基碘化铵的丙三醇分散液和溶质质量分数为17％的盐酸水溶液(三庚基十二烷基碘化铵按与水体中的微塑料质量比为1.6：1加入，三庚基十二烷基碘化铵与溶剂丙三醇的质量比为1：20，盐酸水溶液按氢离子与三庚基十二烷基碘化铵摩尔比1.5：1加入)，同时通入空气，此时气浮池5中生成大量的细小气泡，均匀上升，带动水体中的微塑料进行上浮，富集有微塑料的上层悬浮液通过气浮池5上端的出口流出，进入到后面的过滤机构中进行脱水处理；净化后的水体通过气浮池5上靠下的出口排出，

对排出的净化水取样，滤干后发现微塑料此时于水体中的平均浓度为7.3个/L、平均质量浓度为0.038g/L(在稳态情况下于相关出口处，经先后三次取样，计算平均值，下同)。

作为比较：

在实施例2的基础上，不加入任何三庚基十二烷基碘化铵，通过向反应池4内加入氯化钠晶体粉末溶解从而使后续搅拌曝气时气浮池5中的水体密度同实施例2，其余操作均同实施例2。

对排出的净化水取样，滤干后发现微塑料此时于水体中的平均浓度为25个/L、平均质量浓度为0.135g/L。

实施例3

取受到微塑料污染的土壤样品，将土壤与纯水按质量比1：10放入储液罐1中进行搅拌分散(储液罐1中分散后的待处理水体中微塑料平均浓度为14.4个/L)，其余净化操作均同实施例2。

经取样检测，排出的净化水中微塑料平均浓度为2.3个/L。

作为比较：

在实施例3的基础上，不加入任何三庚基十二烷基碘化铵，通过向反应池4内加入氯化钠晶体粉末溶解从而使后续搅拌曝气时气浮池5中的水体密度同实施例3，其余操作均同实施例3。

经取样检测，排出的净化水中微塑料平均浓度为7.7个/L。

实施例4

取受到微塑料污染的长江底部的淤泥沉积物样品，将沉积物与纯水按质量比1：10放入储液罐1中进行搅拌分散(储液罐1中分散后的待处理水体中微塑料平均浓度为8.7个/L)，其余净化操作均同实施例2。

经取样检测，排出的净化水中微塑料平均浓度为2个/L。

作为比较：

在实施例4的基础上，不加入任何三庚基十二烷基碘化铵，通过向反应池4内加入氯化钠晶体粉末溶解从而使后续搅拌曝气时气浮池5中的水体密度同实施例4，其余操作均同实施例4。

经取样检测，排出的净化水中微塑料平均浓度为5.3个/L。

Claims (6)

1.一种基于气浮法进行的微塑料分离方法，其特征在于：所述的分离方法为，

(1)向分散有微塑料的水体中加入含碘的有机物并混合充分，

(2)向步骤(1)中得到的分散液中加入无机酸并混合充分后，持续通入空气或氧气，使通入的空气或氧气在分散液中形成气泡并上升。

2.如权利要求1所述的基于气浮法进行的微塑料分离方法，其特征在于：步骤(1)中所述的含碘的有机物为三庚基十二烷基碘化铵，三庚基十二烷基碘化铵与水体中的微塑料的质量比为1～2：1，加入时先将三庚基十二烷基碘化铵分散于丙三醇中，再将得到的三庚基十二烷基碘化铵的丙三醇分散液加入到所述水体中。

3.如权利要求2所述的基于气浮法进行的微塑料分离方法，其特征在于：所述的三庚基十二烷基碘化铵与丙三醇的质量比为1：20～1：25。

4.如权利要求1所述的基于气浮法进行的微塑料分离方法，其特征在于：步骤(1)中，加入含碘的有机物之前，先向分散有微塑料的水体中加入消解剂并搅拌充分，所述的消解剂为FeCl₂和H₂O₂。

5.如权利要求2所述的基于气浮法进行的微塑料分离方法，其特征在于：步骤(2)中，无机酸的加入量按所述无机酸中氢离子与三庚基十二烷基碘化铵的摩尔比为1.2：1～1.6：1计算。

6.如权利要求1所述的基于气浮法进行的微塑料分离方法，其特征在于：步骤(2)中，在加入无机酸之前，先向步骤(1)中得到的分散液中加入饱和的氯化钠水溶液或饱和的氯化锌水溶液并混合充分，

饱和的氯化钠水溶液或饱和的氯化锌水溶液与步骤(1)中得到的分散液的体积比为1：10～1：4。