CN113998757A - 一种快速高效去除水体中纳米塑料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水处理技术领域，公开了一种快速高效去除水体中纳米塑料的方法。将活性炭加入到含纳米塑料的水体中，pH为5.0～10.0条件下反应60～120h，活性炭与水体的质量体积比为0.5～6.67g/L，反应温度为4～37℃。纳米塑料在水体中表面可能会存在一些官能团，影响活性炭对纳米塑料的去除效果。本发明中活性炭作为一种吸附剂，对水体中含有不同表官能团的纳米塑料表现出很好的去除效果，对PS、PS‑COOH、PS‑NH2的去除率可达76％、40％、96％。活性炭处理纳米塑料污染水体后，可通过重力沉降作用快速实现固液分离，便于吸附材料的回收，且活性炭的成本低，在水处理方面具有广泛的应用前景。

Description

一种快速高效去除水体中纳米塑料的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种快速高效去除水体中纳米塑料的方法。
背景技术
随着工业的发展，塑料制品正被广泛应用于各种行业，例如包装、建筑材料、日常个人护理产品、车辆、服装和电子产品等。当塑料通过污水排放和地表径流等途径进入水体后，一些较大尺寸的塑料通过风化、生物降解、光降解、热降解分解成粒径较小(1～100nm)的纳米塑料。由于纳米塑料的微小尺寸，很容易被生物体吞咽和摄取并沿食物链积累。此外，纳米塑料比表面积大、表面性质复杂、抗降解性好，在吸附、浓缩和运输有毒化合物方面表现出优异的能力，因此水体中的纳米塑料污染已成为日益严重的环境问题。
纳米塑料在内陆水域、海域、沉积物中几乎无处不在，当纳米塑料被释放到水生环境中时，有机和无机物质不可避免地会覆盖住纳米塑料，并且改变它们的表面官能团。水中纳米塑料的环境行为有很多，比如老化、聚集以及沉降等，这些环境行为都有可能改变纳米塑料的性质以及毒性。具有不同官能团的纳米塑料表现出了不同的性质，并且在同一种去除方法下，去除效果也有所不同。
目前处理水体中塑料的方法主要有吸附剂吸附和混凝沉淀等，其中吸附法因其操作简单、成本低，被认为是最有发展前途的方法之一。Paul使用TiO2/β-SiC泡沫作为高效光催化剂，在UV-A辐射下，光催化降解聚甲基丙烯酸甲酯纳米塑料和聚苯乙烯纳米颗粒，研究表明，在112W/m2的辐照度、10mL/min的流速和6.3的初始pH值下，约50％的聚甲基丙烯酸甲酯纳米塑料在7小时内降解，同时对聚苯乙烯也有一定的去除效果(Allé P H,Garcia-
Figure BDA0003342396330000021
P,Adouby K,et al.Efficient photocatalytic mineralization ofpolymethylmethacrylate and polystyrene nanoplastics by TiO2/β-SiC alveolarfoams[J].Environmental Chemistry Letters,2021,19(2):1803-1808.)。然而，大部分的技术对于纳米塑料的去除都具有局限性。一是因为处理的水体没有模拟受到纳米塑料污染的自然水体，二是材料对于纳米塑料的反应速率仍旧较慢、降解效果不如预期。同时，纳米塑料在环境水体中表面可能会一些官能团如羧基、氨基等，这些官能团的存在可能会影响材料对纳米塑料的去除效率。因此，为了解决目前技术的缺点与不足，一种可以高效去除带有不同官能团纳米塑料的方法急待提出。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种快速高效去除水体中纳米塑料的方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种快速高效去除水体中纳米塑料的方法，将活性炭加入到含纳米塑料的水体中，pH为5.0～10.0条件下反应60～120h，所述活性炭与水体的质量体积比为0.5～6.67g/L。
优选地，所述活性炭与水体的质量体积比为1～3.33g/L。
优选地，所述活性炭与水体的质量体积比为1.67g/L。
优选地，所述pH为5.0～7.0，反应温度为4～37℃。
优选地，所述pH为5.0，反应温度为37℃。
优选地，所述纳米塑料为聚苯乙烯、羧基修饰的聚苯乙烯、氨基修饰的聚苯乙烯中的一种或两种以上。
优选地，所述水体中纳米塑料的浓度为1～50mg/L，反应时间为84～96h。
优选地，所述水体中纳米塑料的浓度为10mg/L，反应时间为96h。
优选地，所述纳米塑料的水合动力学直径为5～50nm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明中活性炭作为一种吸附剂，对水体中含有不同表官能团的纳米塑料颗粒表现出很好的去除效果，对于PS、PS-COOH、PS-NH2的去除率可达到76％、40％、96％。
(2)活性炭的用量与待处理污染水体的质量体积比为1.67g/L，96h反应达到平衡。
(3)温度在4℃～37℃，pH在5～7范围内，活性炭对不同官能团修饰的纳米塑料污染的水体均具有良好的去除效果。
(4)本发明中的活性炭用于处理纳米塑料污染水体后，可通过重力沉降作用快速实现固液分离，便于吸附材料的回收，且活性炭的成本低，在水处理方面具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中不同用量活性炭对水体中纳米塑料的去除率。
图2为实施例1中活性炭对去除水体中纳米塑料的吸附动力学。
图3为实施例2中不同pH下活性炭对水体中纳米塑料的去除效果。
图4为实施例3中不同反应温度下活性炭对水体中纳米塑料去除效果。
具体实施方式
实施例1活性炭对去除水体中纳米塑料的吸附动力学
纳米塑料为聚苯乙烯微球(PS)、羧基修饰的聚苯乙烯微球(PS-COOH)、氨基修饰的聚苯乙烯微球(PS-NH2)，纳米塑料的水合动力学直径均为50nm。
聚苯乙烯微球(PS)、羧基修饰的聚苯乙烯微球(PS-COOH)、氨基修饰的聚苯乙烯微球(PS-NH2)均购自于上海辉质生物科技有限公司。
实验比较了活性炭对水体中不同纳米塑料的去除动力学。在探究去除动力学之前，先对活性炭的最佳用量进行了探究，选用活性炭的用量与待处理污染水体的质量体积比分别为1.67g/L、3.33g/L、6.67g/L(将0.05g、0.1g、0.2g活性炭加入到30mL水体中)，待处理水体中纳米塑料PS-NH2的浓度为10mg/L，用5mol/L的氢氧化钠溶液和10％的盐酸溶液调节待处理水体的pH使其保持在7.0，监测反应24h后，纳米塑料PS-NH2的去除率分别为62.9％、94.3％、99.9％，去除效果见图1。当活性炭的用量与待处理污染水体的质量体积比大于等于3.33g/L时，PS-NH2去除率接近100％，无法检测到残余的纳米塑料PS-NH2浓度，因此当浓度为1.67g/L时，可以探究的空间最大，所以选用的最佳活性炭的用量与待处理污染水体的质量体积比为1.67g/L。
分别将活性炭与PS、PS-COOH、PS-NH2污染的水体混合，其中活性炭的用量与待处理污染水体的质量体积比为1.67g/L，待处理水体中不同纳米塑料的浓度均为10mg/L，用5mol/L的氢氧化钠溶液和10％的盐酸溶液调节待处理水体的pH使其保持在7.0，监测不同时间下(0h、0.5h、1h、2h、4h、8h、12h、18h、24h、36h、48h、60h、72h、84h、96h、120h)纳米塑料的去除率，同时设置空白对照组：不加活性炭且含相同初始浓度的纳米塑料污染水体(纳米塑料的浓度为10mg/L，pH值为7.0)。去除效果见图2，结果表明，反应在96h后达到平衡，活性炭对于PS、PS-COOH、PS-NH2的去除率分别达到了60％、40％、93％，说明活性炭可作为一种吸附剂有效地去除水体中的纳米塑料。
实施例2不同pH下活性炭对水体中纳米塑料的去除效果
实验比较了不同pH(pH＝5～10)下，活性炭对水体中不同纳米塑料的去除效果，分别将活性炭与PS、PS-COOH、PS-NH2污染的水体混合，其中活性炭的用量与待处理污染水体的质量体积比为1.67g/L，待处理水体中不同纳米塑料的浓度均为10mg/L，用5mol/L的氢氧化钠溶液和10％的盐酸溶液调节待处理水体的pH使其分别保持在5.0、7.0、10.0，反应96h后检测纳米塑料的去除率，同时设置空白对照组：不加活性炭且含相同初始浓度的纳米塑料污染水体(纳米塑料的浓度为10mg/L，pH值分别为5.0、7.0、10.0)。去除效果见图3，结果表明，随着pH值的升高，活性炭对于纳米塑料的去除率逐渐降低，当pH从5.0升高到10.0，活性炭对PS、PS-COOH、PS-NH2的去除率分别从76％、40％、96％降低至了8％、4％、19％。
实施例3不同反应温度下活性炭对纳米塑料的去除效果
实验比较了不同反应温度(4℃、23℃、37℃)下，活性炭对水体中不同纳米塑料的去除效果，分别将活性炭与PS、PS-COOH、PS-NH2污染的水体混合，其中活性炭的用量与待处理污染水体的质量体积比为1.67g/L，待处理水体中不同纳米塑料的浓度均为10mg/L,用5mol/L的氢氧化钠溶液和10％的盐酸溶液调节待处理水体的pH使其分别保持在7.0，将反应体系分别置于冰水混合物、室内、37℃的恒温培养箱中使得反应体系的温度保持在4℃、23℃、37℃。反应96h后检测纳米塑料的去除率，同时设置空白对照组：不加活性炭且含相同初始浓度的纳米塑料污染水体(纳米塑料的浓度为10mg/L，pH值分别为7.0)。去除效果见图4，结果表明，随着反应温度的升高，活性炭对于纳米塑料的去除率逐渐升高，当反应温度从4℃升高到37℃，活性炭对PS、PS-COOH、PS-NH2的去除率分别从56％、34％、91％升高到了63％、43％、95％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种快速高效去除水体中纳米塑料的方法，其特征在于，将活性炭加入到含纳米塑料的水体中，pH为5.0～10.0条件下反应60～120h，所述活性炭与水体的质量体积比为0.5～6.67g/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述活性炭与水体的质量体积比为1～3.33g/L。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述活性炭与水体的质量体积比为1.67g/L。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述pH为5.0～7.0，反应温度为4～37℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述pH为5.0，反应温度为37℃。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米塑料为聚苯乙烯、羧基修饰的聚苯乙烯、氨基修饰的聚苯乙烯中的一种或两种以上。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水体中纳米塑料的浓度为1～50mg/L，反应时间为84～96h。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述水体中纳米塑料的浓度为10mg/L，反应时间为96h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米塑料的水合动力学直径为5～50nm。
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