CN110092492A - 一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，属于微塑料收集技术领域，所述装置包括仿生鱼头进水口、过滤滤芯、浮力板、筒体、多级分层过滤装置和排水口。所述过滤滤芯可拆卸式内嵌在进水口内，进水口连接筒体框架，过滤滤芯通向筒体内部，筒体前端两侧装有可拆卸式鱼鳍型浮力板，筒体内设有多级过滤分离装置，筒体末端装有排水口，末端上方装有浮力板。本发明主要用于海洋表层水体中微塑料分级收集，有利于表层水中微塑料定点区域收集以及研究分析某一局部区域的微塑料分布情况，操作简单方便、占地面积小、成本低、滤芯可重复使用。

Description

一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置。

背景技术

2009年，Arthur等人将粒径小于5mm的塑料颗粒定义为微塑料。2014年首届联合国环境大会首次将微塑料污染列入全球函待解决的十大环境问题之一。微塑料作为一种新型海洋环境污染物，具有粒径小、比表面积大、化学性质相对稳定、疏水性强等特性，可长期存在于海洋环境中；并能随着外力作用进行远距离迁移，成为众多含有重金属的物质和疏水性有机污染物的理想载体。

微塑料中两种可能对人体影响最大的化学物质是双酚A（即BPA，用于聚碳酸酯以及合成树脂的生产）和邻苯二甲酸盐（一种用来使塑料柔软，耐拉化学物质）。它们会干扰人体激素正常运行，对人类健康造成很大伤害。因此，收集和分析水体环境中的微塑料样品，并检测其含量，有助于确定污染物来源，为水体的生态环境保护和微塑料污染治理提供数据支持。

目前收集表层海水微塑料常用的拖曳浮游生物网采样系统是一种简易拖网，这种网袋都是固定孔径的单一网袋，如同浮游生物捕集装置，只能采集粒径大于网袋孔径的全部微粒物质，不能将微粒物质进行分级筛选。同时，经过这种方法获得的微塑料颗粒粒径大小不一，对其进一步实验分析时往往需要将其干燥后再一次次通过分离装置分离，耗费时间和精力。此外，浸入式水泵收集方法耗力且昂贵，且只适用于某一定点的采样，具有一定局限性。

发明内容

针对上述背景技术的问题，本发明的目的是提供了一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，可以快捷高效的完成不同粒径微塑料的分级收集，节省成本，提高效率。

为实现上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：包括仿生鱼头进水口、过滤滤芯、浮力板、筒体、多级分层过滤装置、排水口；所述过滤滤芯以可拆卸方式内嵌在仿生鱼头进水口内，仿生鱼头进水口的后部连接在筒体的框架上，过滤滤芯通向筒体内部，筒体前端两侧装有可拆卸式鱼鳍型的浮力板，筒体内设有多级过滤分离装置，筒体末端装有排水口，末端上方装有另一浮力板。

所述的仿生鱼头进水口设计为流线型仿生鱼头结构，该仿生鱼头进水口的入口呈开口状态，用于在水流中吞入含各种粒径的微塑料水样；仿生鱼头进水口处装有可控阀，可控阀能控制进水口开口大小，控制进水量；流线型仿生鱼头结构能减少收集过程中水中阻力；在仿生鱼头进水口的后端的筒体的前部两侧为由刚性框架及浮力板结构支撑构成的平板翼状结构，确保装置在水中能稳定被拖曳，不容易受到船体的行进流及航迹的影响。

所述仿生鱼头进水口的后部的至少一部分与所述筒体内部连通；所述仿生鱼头进水口内嵌有可拆卸的过滤滤芯；所述过滤滤芯沿中线角度为60度、90度或120度，由芯丝组成；所述过滤滤芯为3D打印材料，并且所述过滤滤芯能够控制地阻挡一些大块塑料进入筒体。

所述筒体为柔性结构材料，选自尼龙、PE材料，便于在使用完毕之后可以收缩折叠保存，减少储存面积，也便于携带；所述筒体内侧和筒体的内壁上均设置有卡接部，所述多级分层装置通过所述卡接部卡接于所述筒体内；所述筒体采用的柔性结构材料使得进入过滤层的颗粒不能通过筒体侧面离开，并且只能在拆卸后分层取出。

所述的多级分层过滤装置选自网，筛，膜，过滤器，薄膜，织带或其组合中的一种。

所述的多级分层过滤装置为三级或三级以上组合而成，所述装置从左到右按第一级至多级依次排列，网孔孔径也从第一级至多级依次减小，根据使用者的需要装上符合其需求的多级过滤层，第一级网孔孔径应小于5mm。

所述多级过滤分离装置的相邻两级过滤装置之间组合密封连接采用卡块卡口连接、旋转卡口连接或内外螺纹连接中的其中一种或组合，并在所述连接面处设置密封圈。

所述筒体尾部左下方有一个小孔作为排水口，用于排出进入筒体的水；所述筒体尾部接有锥形鱼尾状的浮力板，保持装置平衡。

本发明可以附接在一水上运载工具上，所述水上运载工具选自远程操作车辆，自主水上运载工具或船只。

其中，仿生型流线型结构的设计可以在收集过程中极大的减少水中阻力，有效减小水流冲刷力；可调控鱼头的开口设计可以控制进水口开口大小，控制进水量；也能保证在收集足够多的样品时，不会让其流出；3D过滤滤芯与鱼嘴的内嵌连接设计便于滤芯的取出与清洗；过滤滤芯的设计会过滤大块杂质，防止堵塞；用于连接芯丝而形成的网格也具有过筛作用，从而保证了微塑料进入筒体的通道顺畅；此外，通过设置多层分级过滤装置组合，这些过滤层的孔径从左（进水口）至右（出水口）依次减小，使微塑料颗粒分级过滤截留到相应孔径的过滤层上，快速高效的实现分级收集，从而节省时间，提高收集效率。

上述过滤滤芯为3D打印材料；所述滤芯沿中线角度可为60度、90度、120度，由芯丝组成，芯丝上的梯度缩小，芯丝之间相互连接，形成网格；

所述鱼头两侧由刚性框架及浮力板结构支撑构成平板翼状结构，确保装置在水中能稳定被拖曳，不容易受到船体的行进流及航迹的影响。

所述筒体为柔性结构材料，如网面尼龙材料，便于在使用完毕之后可以收缩折叠保存，减少储存面积。所述筒体内侧和所述筒体的内壁上均设置有卡接部。

所述的多级分层过滤装置选自网，筛，膜，过滤器，薄膜，织带或其组合中的一种；由三级或者三级以上组合而成，为了保证微塑料不会泄露丢失，其中第一级过滤层尺寸大于第二级过滤层尺寸，第二级过滤层尺寸要大于第三级，即随着过滤级数的增加，过滤层尺寸孔径应逐级减少。过滤层孔径可根据需求定制。但第一级过滤层孔径应小于5mm，在此需注意的是，网状物尺寸与阻力和阻力相关，因此会对通过进水口送的水量有要求。因此可调整牵引船只行驶速度以确保装置所需的流速。

本发明设置了从左至右依次连接的仿生鱼头进水口、收集网、过滤滤芯、多级分层过滤装置。水样自进水口进入，在拖曳船只的带动下，微塑料颗粒会依次通过过滤滤芯、多级分层过滤筛网，将不同粒径的微塑料颗粒截留在相应的过滤层上，从而实现微塑料的分级收集。

与已公开技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）对微塑料实现快速分级收集（2）有利于表层水中微塑料定点区域收集以及研究分析某一局部区域的微塑料分布情况（3）操作方便、效率高、成本低、滤芯可重复使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明中一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置的结构示意图。图中所示：1为仿生型鱼头进水口；2为过滤滤芯；3为浮力板；4为第一级过滤层；5为第二级过滤层；6为第三级过滤层；7为筒体；8为排水口；9为另一浮力板，10为芯丝，11为卡接部。

图2为本发明中过滤滤芯处的剖视图。

图3为本发明中3D过滤滤芯安装鱼嘴中的局部放大结构示意图。图中滤芯沿中线角度为120度（角α）。

图4为样品红外测试分析图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作出详细说明，但该说明仅限于对本发明技术方案的详细解释，不用于限定发明的保护范围。应理解，在某些情况下，可夸大或放大地示出本发明的某个方面以便于理解本发明。因此，附图点在于说明本发明的原理，可能不按比例绘制。另外，在本文描绘的实施例中，各附图中标记表示相同或近似相同的结构元件。

如图1，是本发明的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置剖面结构示意图。该实施例设置三级不同粒径的过滤筛网组合而成的样品收集装置，进而实现不同粒径的微塑料样品同步采集。

如图1所示，本实施例的装置中，依次包括仿生鱼头进水口、过滤滤芯、浮力板、筒体、多级分层过滤装置、排水口。所述过滤滤芯2以可拆卸方式内嵌在仿生鱼头进水口1内，仿生鱼头进水口1连接筒体7框架，过滤滤芯2通向筒体内部，筒体7前端两侧装有可拆卸式鱼鳍型的浮力板3，筒体内设有多级过滤分离装置，筒体末端装有排水口，末端上方装有另一浮力板9。

所述的仿生鱼头进水口设计为流线型仿生鱼头结构，该仿生鱼头进水口的入口呈开口状态，用于在水流中吞入含各种粒径的微塑料水样；仿生鱼头进水口处装有可控阀，可控阀能控制进水口开口大小，控制进水量；流线型仿生鱼头结构能减少收集过程中水中阻力；在仿生鱼头进水口的后端的筒体的前部两侧为由刚性框架及浮力板结构支撑构成的平板翼状结构，确保装置在水中能稳定被拖曳，不容易受到船体的行进流及航迹的影响。所述仿生鱼头进水口的后部的至少一部分与所述筒体内部连通。

所述筒体为柔性结构材料，选自尼龙、PE等材料，便于在使用完毕之后可以收缩折叠保存，减少储存面积，也便于携带；所述装置的相邻两级过滤装置之间组合密封连接采用卡块卡口连接、旋转卡口连接或内外螺纹连接中的其中一种或组合，并在所述连接面处设置密封圈；所述筒体内侧和所述筒体的内壁上优选设置有卡接部11，所述多级分层装置通过所述卡接部卡接于所述筒体内；所述筒体内侧和所述筒体的内壁上均设置有卡接部11，所述多级分层装置通过所述卡接部卡接于所述筒体内；所述筒体所采用的柔性结构材料（选自尼龙、PE等材料）使得进入过滤层的颗粒不能通过筒体侧面离开，并且只能在拆卸后分层取出。

如图2所示，所述仿生鱼头进水口内嵌有可拆卸的过滤滤芯；所述过滤滤芯2沿中线角度α为60度、90度或120度，由芯丝10组成；所述过滤滤芯为3D打印材料，并且所述过滤滤芯能够可控制地阻挡一些大块塑料进入筒体；所述滤芯沿中线角度优选为120度，由芯丝组成，芯丝直径为 1-5mm，如2mm。

如图1所示，多层分级过滤装置包括三级滤网，其中第一级滤网由第一级筒体、 第一级筛网网底构成；第二级滤网由第二级筒体、第二级筛网网底构成；第三级滤网由第三级筒体、第三级筛网网底构成，且这三层滤网网孔依序直径分别为0.8mm、0.4mm、0.1mm。且三级滤网之间采用了旋转卡口型结构连接。也可以采取其他连接组合方式，如在接口处设置旋转对接的组合装置还是螺纹连接型等都将在本发明保护范围内。所述的多级分层过滤装置选自网，筛，膜，过滤器，薄膜，织带或其组合中的一种。

本发明上述装置可以附接在一水上运载工具上，所述水上运载工具选自远程操作车辆，自主水上运载工具或船只。

结合上述装置，安装及使用过程如下：

通过3D 打印机打印芯丝直径为 2μm，滤芯长度为 60 cm 的3D滤芯，如图1所示，将打印好的3D滤芯内嵌在鱼头进水口内，卡紧。再逐次组装筒体、多级分层过滤装置、浮力板。

安装完成后使用渔船作为牵引船只在河面上进行收集试验。渔船速度控制在30km/h，随着渔船拉动，水和颗粒通过进水口1流入，先经过3D滤芯，再依次穿过第一级、第二级、第三级过滤层，使得颗粒被收集而水从筒体下方小孔流过。大约0.5h后，于地面上取出筛网（可以开超声辅助颗粒物脱离筛网），对取下的颗粒物装到相应的样品桶中，就得到三种粒径大小不同的颗粒，可用于进一步实验。并应注意：本装置在使用过后应用清水洗净，保持干燥后可折叠起来置于干燥环境下保存。

后于实验室中用30%过氧化氢和氯化钠溶液浸泡24h以除去表面的生物质和杂质，再用超纯水洗涤三次，在 60℃下烘干36h，对样品进行红外测试分析，结果如图4所示：

与红外图库中标准图谱对比，经确认是在自然环境下老化后的聚乙烯塑料。

由上述实施例可知，本发明所述的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置可对水上大块颗粒和杂质起到较好的截留效果，实现分级高效收集，节约时间，提高效率。且操作方便、滤芯可重复使用，可大范围推广使用。

Claims (9)

1.一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：包括仿生鱼头进水口、过滤滤芯、浮力板、筒体、多级分层过滤装置、排水口；所述过滤滤芯以可拆卸方式内嵌在仿生鱼头进水口内，仿生鱼头进水口的后部连接在筒体的框架上，过滤滤芯通向筒体内部，筒体前端两侧装有可拆卸式鱼鳍型的浮力板，筒体内设有多级过滤分离装置，筒体末端装有排水口，末端上方装有另一浮力板。

2.根据权利1要求所述的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：所述的仿生鱼头进水口设计为流线型仿生鱼头结构，该仿生鱼头进水口的入口呈开口状态，用于在水流中吞入含各种粒径的微塑料水样；仿生鱼头进水口处装有可控阀，可控阀能控制进水口开口大小，控制进水量；流线型仿生鱼头结构能减少收集过程中水中阻力；在仿生鱼头进水口的后端的筒体的前部两侧为由刚性框架及浮力板结构支撑构成的平板翼状结构，确保装置在水中能稳定被拖曳，不容易受到船体的行进流及航迹的影响。

3.根据权利1要求所述的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：所述仿生鱼头进水口的后部的至少一部分与所述筒体内部连通；所述仿生鱼头进水口内嵌有可拆卸的过滤滤芯；所述过滤滤芯沿中线角度为60度、90度或120度，由芯丝组成；所述过滤滤芯为3D打印材料，并且所述过滤滤芯能够控制地阻挡一些大块塑料进入筒体。

4.根据权利要求1的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：所述筒体为柔性结构材料，选自尼龙、PE材料，便于在使用完毕之后可以收缩折叠保存，减少储存面积，也便于携带；所述筒体内侧和筒体的内壁上均设置有卡接部，所述多级分层装置通过所述卡接部卡接于所述筒体内；所述筒体采用的柔性结构材料使得进入过滤层的颗粒不能通过筒体侧面离开，并且只能在拆卸后分层取出。

5.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：所述的多级分层过滤装置选自网，筛，膜，过滤器，薄膜，织带或其组合中的一种。

6.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：所述的多级分层过滤装置为三级或三级以上组合而成，所述装置从左到右按第一级至多级依次排列，网孔孔径也从第一级至多级依次减小，根据使用者的需要装上符合其需求的多级过滤层，第一级网孔孔径应小于5mm。

7.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：所述多级过滤分离装置的相邻两级过滤装置之间组合密封连接采用卡块卡口连接、旋转卡口连接或内外螺纹连接中的其中一种或组合，并在所述连接面处设置密封圈。

8.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：所述筒体尾部左下方有一个小孔作为排水口，用于排出进入筒体的水；所述筒体尾部接有锥形鱼尾状的浮力板，保持装置平衡。

9.根据权利要求1所述的一种具有仿生结构的海洋微塑料分级收集装置，其特征在于：附接在一水上运载工具上，所述水上运载工具选自远程操作车辆，自主水上运载工具或船只。