CN113310740B - 一种微塑料原位采集、分离与消解装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水环境污染检测技术领域，具体涉及一种微塑料原位采集、分离与消解装置及方法，该装置包括采样系统、密度分离系统、过滤系统、反冲洗系统和电控系统；采样系统包括采样水管流量计一、泵一和关断阀一；密度分离系统包括盐溶液储存罐、盐溶液管、混合器和密度分离中心筒体组；过滤系统包括过滤装置和滤网；反冲洗系统包括消解液储存罐、加热装置、温度传感器和消解液管。本发明能够实现不同环境条件下、不同深度大量微塑料的采集，完成水体微塑料样品采集、原位密度分离与消解的一体化流程，减少各类环境因素的干扰，提高微塑料预处理过程的便捷性。

Description

一种微塑料原位采集、分离与消解装置及方法

技术领域

本发明属于水环境污染检测技术领域，具体涉及一种微塑料原位采集、分离与消解装置及方法。

背景技术

在塑料产业为社会发展带来便利的同时，大量废弃塑料经由焚烧、填埋、直接丢弃等方式通过地表径流、大气扩散等途径进入到土壤、河流、湖泊、海洋等自然生态系统中，并在紫外线、风力、水流等多种环境因素影响下逐步破碎降解为较小尺寸的塑料碎片，其中微塑料(＜5mm)由于其尺寸小、比表面积大、疏水性强等特点成为众多持久性有机污染物、重金属等环境污染物的理想载体，微塑料在环境中较为稳定且易于迁移，广泛分布于土壤、大气及各类水体中，为全球生态环境带来严重的威胁。

目前，有关微塑料的采集与预处理方法还未实现标准化和系统化。针对水体环境中微塑料的定深采集一般采用拖网法，但拖网法存在以下不足：一为此方法需借助船只拖拽，成本较高；二为样品采集的有效性很大程度上取决于拖网网目，效率较低；三为此方法容易将水体环境中较大尺寸的杂质，如水生植物等，一同截留在拖网上，增加了后续微塑料分离提取的难度。对于水体环境微塑料的分离提取一般是将采集的样品运回实验室进行单独处理，因此在样品采集、保存、运输及实验过程中环境潜在的污染源会影响数据可靠性，通过微塑料原位采集与分离提取的一体化操作可有效提高样品的回收率，例如，中国专利CN109506984A提出一种微塑料采样柱、微塑料采集装置及原位消解方法，能够实现对表层水体中微塑料富集及原位消解，但由于其结构简单且仅适用于表层水体，后续有效样品的提取处理仍较为复杂，且适用场景有限。因此，为实现针对不同水体环境中不同水深中大量微塑料的采集及原位密度分离与消解，简化操作步骤，提高数据的可靠性和准确度，减少实验误差，亟需一种适用于各类水体环境中微塑料定深采集及原位预处理的一体化装置。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种微塑料原位采集、分离与消解装置及方法，能够实现不同环境条件下、不同深度大量微塑料的采集，完成水体微塑料样品采集、原位密度分离与消解的一体化流程，减少采集、原位密度分离与消解过程中各类环境因素的干扰，提高微塑料预处理过程的便捷性。

为解决现有技术的不足，本发明提供的技术方案为：

本发明提供一种微塑料原位采集、分离与消解装置，包括采样系统、密度分离系统、过滤系统、反冲洗系统和电控系统；

所述采样系统包括采样水管和采用水管上设有的流量计一、泵一和关断阀一；所述采样水管的进口端位于被采集水域内；

所述密度分离系统包括盐溶液储存罐、盐溶液管、混合器和密度分离中心筒体组；所述盐溶液储存罐与盐溶液管的进口端相连；所述盐溶液管上设有泵二和关断阀二；所述混合器的进口端与采样水管以及盐溶液管的出口端相连；所述密度分离中心筒体组用于浮选水样中的微塑料；

所述密度分离中心筒体组包括依次叠加的一层筒体、二层筒体、三层筒体和四层筒体；所述一层筒体、二层筒体、三层筒体和四层筒体均为圆柱形，直径相同，同心分布；所述一层筒体包括圆周侧面一、底板和位于顶部的层间隔板；所述底板与圆周侧面一的底端固定连接；所述层间隔板与圆周侧面一的顶端固定连接，层间隔板中心设有层间隔板中心孔；所述一层筒体内部设有涡旋形进水通路，底部和混合器的出口端相连；所述二层筒体包括圆周侧面二和位于顶部的穿孔承托层；所述二层筒体固定于一层筒体上方；所述二层筒体内设有旋转布水器；所述旋转布水器与层间隔板中心孔固定连接；所述穿孔承托层设有花状通孔；所述三层筒体包括圆周侧面三；所述三层筒体固定于二层筒体上方；所述三层筒体内设有斜板组；所述斜板组包括多个平行设置的斜板，所述斜板底端与穿孔承托层固定连接，两侧和圆周侧面三的内侧固定连接，斜板上端与圆周侧面三的顶端平齐；所述四层筒体包括圆周侧面四；所述四层筒体固定于三层筒体上方；所述圆周侧面四为薄壁溢流堰；

所述过滤系统包括过滤装置和滤网；所述滤网位于过滤装置内；所述过滤系统用于过滤流经密度分离中心筒体组的水样；所述过滤装置的底部连接有废液管；

所述反冲洗系统包括消解液储存罐、加热装置、温度传感器和消解液管；所述加热装置用于加热消解液储存罐内的消解液；所述温度传感器位于消解液储存罐内；所述消解液储存罐与消解液管的进口端连接；所述消解液管上设有流量计二、泵三和关断阀四；所述消解液管的出口端与过滤装置的进口端或出口端相连；

所述电控系统与流量计一、泵一、关断阀一、泵二、关断阀二、加热装置、温度传感器、流量计二、泵三和关断阀四电连接。

优选的，所述采样系统还包括沉子、进水过滤嘴和悬浮固定组件；

所述进水过滤嘴位于采样水管的进口端；所述进水过滤嘴设有至少两级格栅，所述格栅通过卡槽一固定于进水过滤嘴外侧部；所述格栅的孔径由外至内递减，最内侧的格栅孔径不大于5mm；

所述沉子与进水过滤嘴的下端连接；

所述悬浮固定组件固定于沉子上方的采样水管上；所述悬浮固定组件包括浮子组、连接杆和定位圆筒，所述浮子组包括四个浮子球；所述浮子球通过连接杆与定位圆筒固定连接；所述定位圆筒位于浮子组的几何中心，套设于采样水管外表面，通过卡箍与采样水管固定连接。

优选的，所述盐溶液储存罐上端设有柱塞一，侧面下部设有水位传感器一和药品回收口一，底部与所述盐溶液管的进口端相连；所述水位传感器一和电控系统电连接。

优选的，所述圆周侧面一顶端固定有连接板一；所述圆周侧面二底端固定有连接板二，顶端固定有连接板三；所述圆周侧面三底端固定有连接板四，顶端固定有连接板五；所述圆周侧面四底端固定有连接板六；所述连接板一、连接板二、连接板三、连接板四、连接板五和连接板六均设有螺栓安装孔；所述连接板一和连接板二通过螺栓固定连接；所述连接板三和连接板四通过螺栓固定连接；所述连接板五和连接板六通过螺栓固定连接。

优选的，所述旋转布水器包括旋转出水支管、旋转进水槽、陶瓷轴承、卡簧和旋转出水干管；

所述层间隔板中心孔设有限位台阶；

所述旋转进水槽为中空圆柱筒体一，上端面封闭，侧面设有孔洞用于固定旋转出水支管，下端面中心与竖直设立的旋转出水干管相通；旋转出水干管外侧面从上到下依次设有轴肩和卡槽二；所述卡槽二的上端面与所述限位台阶的上端面平齐；

所述旋转出水支管设有6根，为一端封闭、一端敞开的中空圆柱筒体二；所述旋转出水支管水平设置，敞开的一端与旋转进水槽的侧面的孔洞固定相连；所述旋转出水支管的侧面沿水平方向设有一排出水孔；所述旋转出水支管之间的夹角为60°；所述出水孔以层间隔板中心孔为中心对称分布；

所述陶瓷轴承固定于轴肩与卡槽二之间，外圈与层间隔板中心孔过盈配合，外圈下端面与限位台阶配合，内圈与上方的轴肩配合；

所述卡簧固定于卡槽二上。

优选的，所述斜板与穿孔承托层的夹角为60°。

优选的，所述密度分离中心筒体组的上端为出口端；所述密度分离中心筒体组外壁设有三层水平排列的固定安装孔一；

所述过滤装置形状为圆柱形，与密度分离中心筒体组同心设置，位于密度分离中心筒体组的外围；所述过滤装置内壁设有三层水平排列的固定安装孔二，所述固定安装孔二与固定安装孔一的高度相同；所述过滤装置内由上到下依次固定有一级滤网、二级滤网和三级滤网；

所述一级滤网、二级滤网和三级滤网形状为环形；所述一级滤网、二级滤网和三级滤网的外端与固定安装孔二相连，内端与固定安装孔一相连；所述一级滤网、二级滤网和三级滤网与过滤装置内壁的交界处设有外侧圆形密封圈，与密度分离中心筒体组的交界处设有内侧圆形密封圈；所述一级滤网的孔径范围为500～1000μm，二级滤网的孔径范围为100～200μm，三级滤网的孔径范围为10～20μm；

所述过滤装置的底部通过废液管与关断阀三和废液回收罐依次相连。

优选的，所述消解液储存罐内储存的消解液为过氧化氢溶液、酸溶液、碱溶液或酶溶液中的一种；

所述消解液储存罐上端设有柱塞二和压力平衡阀，底部设有药品回收口二和水位传感器二，底部与所述消解液管的进口端连接；所述水位传感器二与所述温度传感器位于同一水平面；所述加热装置为加热棒；所述加热棒位于温度传感器的下方；所述水位传感器二和加热棒均与电控系统电连接。

本发明另一方面提供一种微塑料原位采集、分离与消解方法，包括，

通过电控系统打开前述的泵一、流量计一、关断阀一、泵二和关断阀二，采集水样；水样与盐溶液在混合器中充分混合后通入密度分离中心筒体组，依次通过涡旋形进水通路、旋转布水器、穿孔承托层、斜板组及薄壁溢流堰后，所得上层溶液进入过滤系统；上层溶液中的微塑料被过滤系统的滤网截留并富集，溶液排入废液回收罐；达到预设采样量后关闭泵一、流量计一、关断阀一、泵二和关断阀二；

通过电控系统打开加热装置和温度传感器，消解液加热至预定温度后，通过电控系统打开流量计二、泵三和关断阀四，消解液经由消解液管流入过滤装置，当消解液完全浸没滤网上的微塑料时，通过电控系统关闭加热装置、温度传感器、流量计二、泵三和关断阀四，静置12～24h；静置后通过电控系统打开关断阀三，将过滤装置内的消解液排出；

拆卸滤网，收集滤网上的微塑料。

本发明的有益效果：

1)本发明提供的微塑料原位采集、分离与消解装置，通过采样系统采集水样，通过密度分离系统和过滤系统对水样中的微塑料进行分离，通过反冲洗系统对微塑料样品进行原位消解，完成水体微塑料样品采集、原位密度分离与消解的一体化流程，避免采样、保存、运输及实验室预处理过程中各类环境因素的影响，减少实验误差，提高了对大量样品的采集及预处理效率；

2)本发明提供的微塑料原位采集、分离与消解装置，通过调节定位圆筒、沉子与悬浮固定组件能够实现对水体中某一水深范围内水样的采集与初步过滤，通过格栅尺寸的选择可筛除不同水体环境中大颗粒杂质(尺寸＞5mm)，可适用于各类水体的样品采集；

3)本发明中提供的微塑料原位采集、分离与消解装置，与传统的拖网采集相比，更为经济且简便。

附图说明

图1为本发明提供的微塑料原位采集、分离与消解装置的结构示意图；

图2(a)为涡旋形进水通路的结构示意图；

图2(b)为图1中B-B面的剖视图；

图3为本发明提供的沉子、进水过滤嘴以及悬浮固定组件的结构示意图；

图4为本发明提供的旋转布水器的结构示意图；

图5为微塑料样品的采集与富集流程中水样的流向示意图；

图6为微塑料样品的消解流程中消解液的流向示意图；

图中：

11为沉子；12为进水过滤嘴；13为悬浮固定组件；131为浮子组；132为连接杆；133为定位圆筒；14为流量计一；15为泵一；16为关断阀一；

21为盐溶液储存罐；211为柱塞一；212为水位传感器一；213为药品回收口一；22泵二；23为关断阀二；24为混合器；25为密度分离中心筒体组；251为涡旋形进水通路；252为旋转布水器；2521为旋转出水支管；2522为旋转进水槽；2523为陶瓷轴承；2524为卡簧；2525为旋转出水干管；2526为轴肩；253为层间隔板中心孔；254为穿孔承托层；255为斜板组；256为薄壁溢流堰；

31为一级滤网；32为二级滤网；33为三级滤网；34为外侧圆形密封圈；35为内侧圆形密封圈；36为固定安装孔二；37为关断阀三；38为废液回收罐；381为排水口；382为柱塞三；

41为消解液储存罐；411为柱塞二；412为药品回收口二；413为压力平衡阀；42为加热棒；43为温度传感器；44为水位传感器二；45为流量计二；46为泵三；47为关断阀四。

具体实施方式

下面结合实施方式对本发明作进一步描述。以下实施方式仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种微塑料原位采集、分离与消解装置，包括采样系统、密度分离系统、过滤系统、反冲洗系统和电控系统。

参见图1，采样系统包括采样水管和采用水管上设有的流量计一14、泵一15和关断阀一16；采样水管的进口端位于被采集水域内。

参见图1，密度分离系统包括盐溶液储存罐21、盐溶液管、混合器24和密度分离中心筒体组25；盐溶液储存罐21与盐溶液管的进口端相连；盐溶液管上设有泵二22和关断阀二23；混合器24的进口端与采样水管以及盐溶液管的出口端相连，出口端连接所述密度分离中心筒体组25的进口端；密度分离中心筒体组25用于浮选水样中的微塑料。具体的，密度分离系统利用盐溶液和微塑料(密度一般在0.8～1.4g/cm3)的密度差异对微塑料进行浮选，可使用饱和氯化钠溶液(1.2g/cm3)、饱和氯化锌溶液(1.6g/cm3)、饱和碘化钠溶液(1.57g/cm3)等盐溶液。鉴于经济性和安全性，饱和氯化钠盐溶液最佳。混合器使采集的水样跟盐溶液能够充分混合，采用市场上成熟的静态混合器即可。

参见图1，密度分离中心筒体组25包括由下到上依次叠加的一层筒体、二层筒体、三层筒体和四层筒体；一层筒体、二层筒体、三层筒体和四层筒体均为圆柱形，直径相同，同心分布。具体的，一层筒体包括圆周侧面一、底板和位于顶部的层间隔板；底板与圆周侧面一的底端固定连接；层间隔板与圆周侧面一的顶端固定连接，层间隔板中心设有层间隔板中心孔253；一层筒体内部设有涡旋形进水通路251，底部和混合器24的出口端相连。二层筒体包括圆周侧面二和位于顶部的穿孔承托层254；二层筒体固定于一层筒体上方；二层筒体内设有旋转布水器252；旋转布水器252与层间隔板中心孔253固定连接。三层筒体包括圆周侧面三；三层筒体固定于二层筒体上方；三层筒体内设有斜板组255；斜板组255包括多个平行设置的斜板，斜板底端与穿孔承托层254固定连接，两侧和圆周侧面三的内侧固定连接，斜板上端与圆周侧面三的顶端平齐；四层筒体包括圆周侧面四；四层筒体固定于三层筒体上方；圆周侧面四为薄壁溢流堰256。图2(a)为涡旋形进水通路251的结构示意图，涡旋形进水通路可增加水样在密度分离中心筒体组内的水力停留时间，促进水样与盐溶液的充分混合，使得较重颗粒杂质充分沉降。参见图2(b)，穿孔承托层254开设花状通孔以使水流均匀分布通过通孔。根据浅池沉淀理论，安装斜板后使得杂质沉淀面积增加，缩短了杂质的沉降距离和沉淀时间，能够提高密度分离效率。水样中的较重颗粒杂质可通过定期拆除、清洗密度分离中心筒体组来去除。对于含沙量较高的水样，可适当增加清洗频率。

过滤系统包括过滤装置和滤网；滤网位于过滤装置内；过滤系统用于过滤流经密度分离中心筒体组的水样；过滤装置的底部连接有废液管。滤网用于截留水样中的微塑料。

参见图1，反冲洗系统包括消解液储存罐41、加热装置、温度传感器43和消解液管；加热装置用于加热消解液储存罐41内的消解液；温度传感器43位于消解液储存罐41内；消解液储存罐41与消解液管的进口端连接；消解液管上设有流量计二45、泵三46和关断阀四47；消解液管的出口端与过滤装置的进口端或出口端相连。

电控系统与流量计一14、泵一15、关断阀一16、泵二22、关断阀二23、加热装置、温度传感器43、流量计二45、泵三46和关断阀四47电连接。

在本发明的可选实施例中，消解液管的出口端与废液管通过三通相连。消解液可通过废液管流入过滤系统内，对滤网上截留的微塑料进行消解。消解结束后，消解液可通过废液管排出。

在本发明的可选实施例中，参见图1及图3，采样系统还包括沉子11、进水过滤嘴12和悬浮固定组件3。进水过滤嘴12位于采样水管的进口端；进水过滤嘴12设有至少两级格栅，格栅通过卡槽固定于进水过滤嘴12外侧部；格栅的孔径由外至内递减，最内侧的格栅孔径不大于5mm。沉子11与进水过滤嘴12的下端连接。悬浮固定组件13固定于沉子11上方的采样水管上；悬浮固定组件13包括浮子组131、连接杆132和定位圆筒133，浮子组131包括四个浮子球；浮子球通过连接杆与定位圆筒133固定连接；定位圆筒133位于浮子组131的几何中心定位，定位圆筒133套设于采样水管外表面，通过卡箍与采样水管固定连接。使用时，采样系统中沉子可通过垂向连接绳连接于进水过滤嘴的下端，并可根据不同采样深度及水体环境更换不同质量的沉子，以使沉子达到稳定采样系统的作用。通过调节定位圆筒在采样水管上的固定位置，来调节采样水管的进水端的深度。可根据不同水体环境改变格栅数量及孔径，以达到初步过滤水样中较大尺寸杂质的作用。本发明提供的采样系统可改变采样深度，并通过改变格栅的规格来适用于不同的水体。

在本发明的可选实施例中，连接杆与浮子组和定位圆筒间均采用焊接的方式固定。

在本发明的可选实施例中，参见图1，盐溶液储存罐21上端设有柱塞一211；侧面下部设有水位传感器一212和药品回收口一213；底部与盐溶液管的进口端相连；水位传感器一212和电控系统电连接。柱塞一211用于加注盐溶液，药品回收口一213用于回收盐溶液，水位传感器212用于监测盐溶液余量。

在本发明的可选实施例中，圆周侧面一顶端固定有连接板一；圆周侧面二底端固定有连接板二，顶端固定有连接板三；圆周侧面三底端固定有连接板四，顶端固定有连接板五；圆周侧面四底端固定有连接板六；连接板一、连接板二、连接板三、连接板四、连接板五和连接板六均设有螺栓安装孔；连接板一和连接板二通过螺栓固定连接；连接板三和连接板四通过螺栓固定连接；连接板五和连接板六通过螺栓固定连接。通过螺栓将一层筒体、二层筒体、三层筒体和四层筒体固定连接。

在本发明的可选实施例中，参见图4，旋转布水器252包括旋转出水支管2521、旋转进水槽2522、陶瓷轴承2523、卡簧2524和旋转出水干管2525；层间隔板中心孔253处设有限位台阶；旋转进水槽2522为中空圆柱筒体一，上端面封闭，侧面设有孔洞用于固定旋转出水支管2521，下端面中心与竖直设立的旋转出水干管2525相通；旋转出水干管2525外侧面从上到下依次设有轴肩2526和卡槽二，卡槽二的上端面与限位台阶的上端面平齐；旋转出水支管2521设有6根，为一端封闭、一端敞开的中空圆柱筒体二；旋转出水支管2521水平设置，敞开的一端与旋转进水槽2522的侧面的孔洞相连；旋转出水支管2521的侧面沿水平方向设有一排出水孔；旋转出水支管2521之间的夹角为60°；出水孔以层间隔板中心孔253为中心对称分布。陶瓷轴承2523固定于轴肩2526与卡槽二之间，外圈与层间隔板中心孔253过盈配合，外圈下端与限位台阶配合，内圈与上方的轴肩2526配合；卡簧2524固定于卡槽二上。轴肩和卡簧用于限制陶瓷轴承和旋转出水干管的相对移动。

在本发明的可选实施例中，斜板与穿孔承托层的夹角为60°。

在本发明的可选实施例中，参见图1，密度分离中心筒体组25形状为圆柱形，密度分离中心筒体组25的上端为出口端；密度分离中心筒体组25外壁设有三层水平排列的固定安装孔一。过滤装置形状为圆柱形，与密度分离中心筒体组25同心设置，位于密度分离中心筒体组25的外围；过滤装置内壁设有三层水平排列的固定安装孔二36，固定安装孔二36与固定安装孔一的高度相同；过滤装置内由上到下依次固定有一级滤网31、二级滤网32和三级滤网33。一级滤网31、二级滤网32和三级滤网33形状为环形；一级滤网31、二级滤网32和三级滤网33的外端与固定安装孔二36相连，内端与固定安装孔一相连；一级滤网31、二级滤网32和三级滤网33与过滤装置内壁的交界处设有外侧圆形密封圈34，与密度分离中心筒体组25的交界处设有内侧圆形密封圈35；一级滤网31的孔径范围为500～1000μm，二级滤网32的孔径范围为100～200μm，三级滤网33的孔径范围为10～20μm。过滤装置的底部通过废液管与关断阀三37和废液回收罐38依次相连。外侧圆形密封圈及内侧圆形密封圈起到密封的作用，防止滤网与过滤装置、密度分离中心筒体组之间的间隙处渗水。微塑料经过浮选作用后，漂浮在密度分离中心筒体组上层液面上，将过滤系统设计在密度分离中心筒体组的周围可将经过浮选后的水样直接进行分级过滤，减少了水样在传输过程中由于吸附和破碎作用产生的损失。可根据实际需要设计多级滤网来收集不同粒径的微塑料。

在本发明的可选实施例中，过滤装置外侧设有保温层，便于对过滤装置内的消解液进行保温，加快消解速度。

在本发明的可选实施例中，参见图1，消解液储存罐41上端设有柱塞二411和压力平衡阀413，底部设有药品回收口二412和水位传感器二44，底部与消解液管的进口端连接；水位传感器44与温度传感器43位于同一水平面；加热装置为加热棒42；加热棒42位于温度传感器43的下方；水位传感器二44和加热棒42与电控系统电连接。消解液管的出口端与废液管相连。柱塞二用于加注消解液，药品回收口二用于收集剩余消解液，压力平衡阀用于保证反冲洗系统的安全性，水位传感器用于监测消解液的容量。消解液通过废液管直接流入过滤系统内，反冲洗滤网上截留的微塑料样品，实现微塑料样品的原位消解，去除滤网上截留的有机物。加热棒安装于温度传感器的下方，能够避免消解液储存罐出现空烧的现象。

在本发明的可选实施例中，消解液储存罐内储存的液体为过氧化氢溶液、酸溶液、碱溶液或酶(蛋白酶K)溶液中的一种，优选质量分数为30％的过氧化氢溶液。

在本发明的可选实施例中，参见图1，废液回收罐38顶部设有柱塞三382，底部设有排水口381。

本发明实施例还提供一种微塑料原位采集、分离与消解方法，包括以下步骤：

步骤一：通过电控系统打开泵一、流量计一、关断阀一、泵二和关断阀二，采集水样，水样与盐溶液在混合器中充分混合后通入密度分离中心筒体组，依次通过涡旋形进水通路、旋转布水器、穿孔承托层、斜板组及薄壁溢流堰后，所得上层溶液进入过滤系统；上层溶液中的微塑料样品依次由一级滤网、二级滤网、三级滤网截留并富集；上层溶液排入废液回收罐，当达到预设采样量后通过电控系统关闭泵一、流量计一、关断阀一、泵二和关断阀二。可根据预设采样量调节泵一的流量使流量计一的稳定于某一流量，通过调节泵一和泵二的流量来调节水样和盐溶液的流量比。

步骤二：通过电控系统打开加热装置和温度传感器，消解液加热至预定温度后，通过电控系统打开流量计二、泵三和关断阀四，消解液经由消解液管、废液管流入过滤装置，当过滤装置内装置的液面位于一级滤网和薄壁溢流堰上缘之间，完全浸没滤网上的微塑料时，通过电控系统关闭加热装置、温度传感器、流量计二、泵三和关断阀四，静置12～24h；静置后通过电控系统打开关断阀三，将过滤装置内的消解液排入废液回收罐。可多次重复步骤二使微塑料表面的有机物降解完全。

在本发明的可选实施例中，消解液加热至70～80℃。

在本发明的可选实施例中，过滤装置内消解液的液面低于薄壁溢流堰上缘1～2cm的位置。

步骤三：拆卸一级滤网、二级滤网和三级滤网，收集滤网上的微塑料，将微塑料密封避光保存用于后续分析。

在本发明的可选实施例中，本发明提供的微塑料原位采集、分离与消解方法还包括在开始采样前对微塑料原位采集、分离与消解装置进行密封性检查的步骤。

在本发明的可选实施例中，当达到预设采样量后，可通过对采样系统中的沉子、进水过滤嘴及悬浮固定组件上的残留微塑料进行密度分离、消解来提高微塑料样品的采集量。

在本发明的可选实施例中，本发明提供的微塑料原位采集、分离与消解方法还包括在开始采样前向盐溶液储存罐及消解液储存罐中加注药品的步骤。

实际使用中，可根据采样水环境状况选择适宜尺寸和数量的格栅，并通过控制沉子的质量及进水过滤嘴到悬浮固定组件间采样水管的长度来达到定深采集水样的目的。

实施例1

应用环境：对多泥沙的地表水水体进行定点定深采样、原位密度分离与消解。

将微塑料原位采集、分离与消解装置放置于确定的采样地点，在完成装置密封性检查的基础上，参见图1，向盐溶液储存罐21加注饱和氯化钠溶液，向消解液储存罐41中加注30％的过氧化氢溶液；由于应用环境水质较好，因此进水过滤嘴外侧安装两级格栅，且内侧格栅尺寸为1mm，根据既定的采样深度调整沉子11质量及进水过滤嘴到悬浮固定组件13间采样水管的长度。通过电控系统开启流量计一14、泵一15和关断阀一16，开启泵二22、关断阀二23和关断阀三37，由于应用环境浑浊度较高，为增加样品在密度分离系统中的水力停留时间，根据预设采样量调节泵一15使流量计一14稳定于较低流量；参见图5，水样与饱和氯化钠溶液于三通处汇集，并在混合器24中充分混合后通入密度分离中心筒体组25，在依次通过涡旋形进水通路251、旋转布水器252、穿孔承托层254、斜板组255及薄壁溢流堰256后，上层溶液均匀地进入过滤系统；微塑料样品在过滤系统中依次由一级滤网31、二级滤网32、三级滤网33截留并富集；待达到预设采样量且过滤系统中水样全部排入废液回收罐38后，关闭流量计一14、泵一15、关断阀一16、泵二22、关断阀二23和关断阀三37，通过电控系统开启加热棒42和温度传感器43，将过氧化氢溶液加热至75℃，之后通过电控系统打开流量计二45、泵三46和关断阀四47，参见图6，过氧化氢溶液由过滤装置底部进水口通入过滤装置，过滤装置内消解液的液面低于薄壁溢流堰上缘2cm的位置时，关闭加热棒42、温度传感器43、流量计二45、泵三46和关断阀四47，装置静置12h，而后通过电控系统打开关断阀三37，废液通入废液回收罐38进行回收，拆卸一级滤网31、二级滤网32和三级滤网33，收集滤网上的微塑料，将微塑料密封避光保存用于后续分析。

实施例2

应用环境：对存在富营养化现象的地表水水体进行定点定深采样、原位密度分离与消解。

将微塑料原位采集、分离与消解装置放置于确定的采样地点，在完成装置密封性检查的基础上，向盐溶液储存罐21加注饱和氯化钠溶液，向消解液储存罐41中加注30％的过氧化氢溶液；由于应用环境为劣Ⅴ类富营养化水体，有机污染物含量较高且大尺寸生物体较多，因此进水过滤嘴外侧安装4级格栅，且最内侧格栅尺寸不大于5mm，根据既定的采样深度调整沉子11质量及进水过滤嘴到悬浮固定组件13间采样水管的长度。通过电控系统开启流量计一14、泵一15和关断阀一16，开启泵二22、关断阀二23和关断阀三37，为增加样品在密度分离系统中的水力停留时间，根据预设采样量调节泵一15使流量计一14稳定于较低流量；参见图5，水样与饱和氯化钠溶液于三通处汇集，并在混合器24中充分混合后通入密度分离中心筒体组25，在依次通过涡旋形进水通路251、旋转布水器252、穿孔承托层254、斜板组255及薄壁溢流堰256后，上层溶液均匀地进入过滤系统；微塑料样品在过滤系统中依次由一级滤网31、二级滤网32、三级滤网33截留并富集；待达到预设采样量且过滤系统中水样全部排入废液回收罐38后，关闭流量计一14、泵一15、关断阀一16、泵二22、关断阀二23和关断阀三37，通过电控系统开启加热棒42和温度传感器43，将过氧化氢溶液加热至75℃，之后通过电控系统打开流量计二45、泵三46和关断阀四47，参见图6，过氧化氢溶液由过滤装置底部进水口通入过滤装置，过滤装置内消解液的液面低于薄壁溢流堰上缘1cm的位置时，关闭加热棒42、温度传感器43、流量计二45、泵三46和关断阀四47，装置静置24h，而后通过电控系统打开关断阀三37，废液通入废液回收罐38进行回收。由于应用环境中含有较多的有机污染物，因此需要采样过氧化氢溶液对滤网上的微塑料进行4次消解。之后拆卸一级滤网31、二级滤网32和三级滤网33，收集滤网上的微塑料，将微塑料密封避光保存用于后续分析。

实施例3

应用环境：对地表水水体进行巡航式定深采集、原位密度分离与消解。

将微塑料原位采集、分离与消解装置固定装载至巡航船上，巡航船匀速航行，可实现对研究水体某一深度的水层进行采样、原位密度分离与消解；在完成装置密封性检查的基础上，向盐溶液储存罐21加注饱和氯化钠溶液，向消解液储存罐41中加注30％的过氧化氢溶液；进水过滤嘴外侧至少安装两级格栅，且内侧格栅尺寸不大于5mm，根据既定的采样深度调整沉子11质量及进水过滤嘴到悬浮固定组件13间水管的长度。通过电控系统开启流量计一14、泵一15和关断阀一16，开启泵二22、关断阀二23和关断阀三37，根据预设采样量调节泵一15使流量计一14稳定于较低流量；参见图5，水样与饱和氯化钠溶液于三通处汇集，并在混合器24中充分混合后通入密度分离中心筒体组25，在依次通过涡旋形进水通路251、旋转布水器252、穿孔承托层254、斜板组255及薄壁溢流堰256后，上层溶液均匀地进入过滤系统；微塑料样品在过滤系统中依次由一级滤网31、二级滤网32、三级滤网33截留并富集；待达到预设采样量且过滤系统中水样全部排入废液回收罐38后，关闭流量计一14、泵一15、关断阀一16、泵二22、关断阀二23和关断阀三37，通过电控系统开启加热棒42和温度传感器43，将过氧化氢溶液加热至75℃，之后通过电控系统打开流量计二45、泵三46和关断阀四47，参见图6，过氧化氢溶液由过滤装置底部进水口通入过滤装置，过滤装置内消解液的液面低于薄壁溢流堰上缘1cm的位置时，关闭加热棒42、温度传感器43、流量计二45、泵三46和关断阀四47，装置静置24h，而后通过电控系统打开关断阀三37，废液通入废液回收罐38进行回收，拆卸一级滤网31、二级滤网32和三级滤网33，收集滤网上的微塑料，将微塑料密封避光保存用于后续分析。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种微塑料原位采集、分离与消解装置，其特征在于，包括采样系统、密度分离系统、过滤系统、反冲洗系统和电控系统；

所述采样系统包括采样水管和采用水管上设有的流量计一、泵一和关断阀一；所述采样水管的进口端位于被采集水域内；

所述密度分离系统包括盐溶液储存罐、盐溶液管、混合器和密度分离中心筒体组；所述盐溶液储存罐与盐溶液管的进口端相连；所述盐溶液管上设有泵二和关断阀二；所述混合器的进口端与采样水管以及盐溶液管的出口端相连；所述密度分离中心筒体组用于浮选水样中的微塑料；

所述密度分离中心筒体组包括依次叠加的一层筒体、二层筒体、三层筒体和四层筒体；所述一层筒体、二层筒体、三层筒体和四层筒体均为圆柱形，直径相同，同心分布；所述一层筒体包括圆周侧面一、底板和位于顶部的层间隔板；所述底板与圆周侧面一的底端固定连接；所述层间隔板与圆周侧面一的顶端固定连接，层间隔板中心设有层间隔板中心孔；所述一层筒体内部设有涡旋形进水通路，底部和混合器的出口端相连；所述二层筒体包括圆周侧面二和位于顶部的穿孔承托层；所述二层筒体固定于一层筒体上方；所述二层筒体内设有旋转布水器；所述旋转布水器与层间隔板中心孔固定连接；所述穿孔承托层设有花状通孔；所述三层筒体包括圆周侧面三；所述三层筒体固定于二层筒体上方；所述三层筒体内设有斜板组；所述斜板组包括多个平行设置的斜板，所述斜板底端与穿孔承托层固定连接，两侧和圆周侧面三的内侧固定连接，斜板上端与圆周侧面三的顶端平齐；所述四层筒体包括圆周侧面四；所述四层筒体固定于三层筒体上方；所述圆周侧面四为薄壁溢流堰；

所述过滤系统包括过滤装置和滤网；所述滤网位于过滤装置内；所述过滤系统用于过滤流经密度分离中心筒体组的水样；所述过滤装置的底部连接有废液管；

所述反冲洗系统包括消解液储存罐、加热装置、温度传感器和消解液管；所述加热装置用于加热消解液储存罐内的消解液；所述温度传感器位于消解液储存罐内；所述消解液储存罐与消解液管的进口端连接；所述消解液管上设有流量计二、泵三和关断阀四；所述消解液管的出口端与过滤装置的进口端或出口端相连；

所述电控系统与流量计一、泵一、关断阀一、泵二、关断阀二、加热装置、温度传感器、流量计二、泵三和关断阀四电连接。

2.根据权利要求1所述的一种微塑料原位采集、分离与消解装置，其特征在于，所述采样系统还包括沉子、进水过滤嘴和悬浮固定组件；

所述进水过滤嘴位于采样水管的进口端；所述进水过滤嘴设有至少两级格栅，所述格栅通过卡槽一固定于进水过滤嘴外侧部；所述格栅的孔径由外至内递减，最内侧的格栅孔径不大于5mm；

所述沉子与进水过滤嘴的下端连接；

所述悬浮固定组件固定于沉子上方的采样水管上；所述悬浮固定组件包括浮子组、连接杆和定位圆筒，所述浮子组包括四个浮子球；所述浮子球通过连接杆与定位圆筒固定连接；所述定位圆筒位于浮子组的几何中心，套设于采样水管外表面，通过卡箍与采样水管固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种微塑料原位采集、分离与消解装置，其特征在于，所述盐溶液储存罐上端设有柱塞一，侧面下部设有水位传感器一和药品回收口一，底部与所述盐溶液管的进口端相连；所述水位传感器一和电控系统电连接。

4.根据权利要求1所述的一种微塑料原位采集、分离与消解装置，其特征在于，

所述圆周侧面一顶端固定有连接板一；所述圆周侧面二底端固定有连接板二，顶端固定有连接板三；所述圆周侧面三底端固定有连接板四，顶端固定有连接板五；所述圆周侧面四底端固定有连接板六；所述连接板一、连接板二、连接板三、连接板四、连接板五和连接板六均设有螺栓安装孔；所述连接板一和连接板二通过螺栓固定连接；所述连接板三和连接板四通过螺栓固定连接；所述连接板五和连接板六通过螺栓固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种微塑料原位采集、分离与消解装置，其特征在于，

所述旋转布水器包括旋转出水支管、旋转进水槽、陶瓷轴承、卡簧和旋转出水干管；

所述层间隔板中心孔设有限位台阶；

所述旋转进水槽为中空圆柱筒体一，上端面封闭，侧面设有孔洞用于固定旋转出水支管，下端面中心与竖直设立的旋转出水干管相通；旋转出水干管外侧面从上到下依次设有轴肩和卡槽二；所述卡槽二的上端面与所述限位台阶的上端面平齐；

所述旋转出水支管设有6根，为一端封闭、一端敞开的中空圆柱筒体二；所述旋转出水支管水平设置，敞开的一端与旋转进水槽的侧面的孔洞固定相连；所述旋转出水支管的侧面沿水平方向设有一排出水孔；所述旋转出水支管之间的夹角为60°；所述出水孔以层间隔板中心孔为中心对称分布；

所述陶瓷轴承固定于轴肩与卡槽二之间，外圈与层间隔板中心孔过盈配合，外圈下端面与限位台阶配合，内圈与上方的轴肩配合；

所述卡簧固定于卡槽二上。

6.根据权利要求1所述的一种微塑料原位采集、分离与消解装置，其特征在于，所述斜板与穿孔承托层的夹角为60°。

7.根据权利要求1所述的一种微塑料原位采集、分离与消解装置，其特征在于，

所述密度分离中心筒体组的上端为出口端；所述密度分离中心筒体组外壁设有三层水平排列的固定安装孔一；

所述过滤装置形状为圆柱形，与密度分离中心筒体组同心设置，位于密度分离中心筒体组的外围；所述过滤装置内壁设有三层水平排列的固定安装孔二，所述固定安装孔二与固定安装孔一的高度相同；所述过滤装置内由上到下依次固定有一级滤网、二级滤网和三级滤网；

所述一级滤网、二级滤网和三级滤网形状为环形；所述一级滤网、二级滤网和三级滤网的外端与固定安装孔二相连，内端与固定安装孔一相连；所述一级滤网、二级滤网和三级滤网与过滤装置内壁的交界处设有外侧圆形密封圈，与密度分离中心筒体组的交界处设有内侧圆形密封圈；所述一级滤网的孔径范围为500～1000μm，二级滤网的孔径范围为100～200μm，三级滤网的孔径范围为10～20μm；

所述过滤装置的底部通过废液管与关断阀三和废液回收罐依次相连。

8.根据权利要求1所述的一种微塑料原位采集、分离与消解装置，其特征在于，

所述消解液储存罐内储存的消解液为过氧化氢溶液、酸溶液、碱溶液或酶溶液中的一种；

所述消解液储存罐上端设有柱塞二和压力平衡阀，底部设有药品回收口二和水位传感器二，底部与所述消解液管的进口端连接；所述水位传感器二与所述温度传感器位于同一水平面；所述加热装置为加热棒；所述加热棒位于温度传感器的下方；所述水位传感器二和加热棒均与电控系统电连接。

9.一种微塑料原位采集、分离与消解方法，其特征在于，包括，

通过电控系统打开权利要求1～8中任意一项权利要求所述的泵一、流量计一、关断阀一、泵二和关断阀二，采集水样；水样与盐溶液在混合器中充分混合后通入密度分离中心筒体组，依次通过涡旋形进水通路、旋转布水器、穿孔承托层、斜板组及薄壁溢流堰后，所得上层溶液进入过滤系统；上层溶液中的微塑料被过滤系统的滤网截留并富集，溶液排入废液回收罐；达到预设采样量后关闭泵一、流量计一、关断阀一、泵二和关断阀二；

通过电控系统打开加热装置和温度传感器，消解液加热至预定温度后，通过电控系统打开流量计二、泵三和关断阀四，消解液经由消解液管流入过滤装置，当消解液完全浸没滤网上的微塑料时，通过电控系统关闭加热装置、温度传感器、流量计二、泵三和关断阀四，静置12～24h；静置后通过电控系统打开关断阀三，将过滤装置内的消解液排出；

拆卸滤网，收集滤网上的微塑料。

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