CN114057335A - 一种增强微塑料沉降性能的消毒方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增强微塑料沉降性能的消毒方法。本发明通过氯处理‑真空紫外消毒法进行给水处理，并确定这种组合工艺提高微塑料沉降率的最佳反应条件，该条件包括氯处理和真空紫外消毒的剂量，并形成一套组合消毒体系，在消毒过程中增强微塑料沉降性能进而提高水中的微塑料的去除率。5mg/L次氯酸钠浓度、120mJ/cm2真空紫外照射剂量是本发明氯处理‑真空紫外消毒法增强微塑料沉降性能的最佳工艺参数，500μm的PET微塑料沉降率可达94.6％。本发明采用的氯处理剂量、紫外照射剂量都在安全范围内，不会产生额外的消毒副产物，安全可靠；且本发明技术方案可以在现有给水处理技术基础上进行改进，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于给水处理消毒技术领域，具体涉及一种增强微塑料沉降性能的消毒方法。
背景技术
微塑料(MPs)污染已经遍布全球，淡水水体的微塑料污染也不容忽视。作为重要的饮用水水源，淡水水体中的微塑料污染，进入到给水处理系统和输配水系统之后，可能对饮用水安全造成潜在的威胁。增强给水系统中对微塑料的去除效率，是降低饮用水安全风险的关键。给水处理厂所采用的常规处理方法，主要包括各种物理化学方法，对微塑料具有较高去除效率的，是混凝、沉淀和过滤。这些方法对微塑料的去除，主要靠的是絮凝沉淀和物理截留，虽然这些方法能够去除水中大部分微塑料，但最新研究表明，仍有部分微塑料残留未被去除。泄露的微塑料主要是尺寸较小的颗粒微塑料，它们会进入后续的消毒过程。消毒过程是给水的最后一个步骤，在消毒过程中增强对微塑料的去除效率，可以进一步保证饮用水的安全性。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种增强微塑料沉降性能的消毒方法。本发明通过氯处理-真空紫外消毒法进行给水处理，并确定这种组合工艺提高微塑料沉降率的最佳反应条件，该条件包括氯处理和真空紫外消毒的剂量，并形成一套组合消毒体系，在消毒过程中增强微塑料沉降性能进而提高水中的微塑料的去除率。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种增强微塑料沉降性能的消毒方法，包括以下步骤：
(1)向含微塑料的水体中加入次氯酸钠进行氯处理；
(2)对步骤(1)氯处理后的水体进行真空紫外照射，即可增强水体中微塑料的沉降性能。
优选的，步骤(1)所述水体中微塑料的浓度为1-1000mg/L，更优选为1-500mg/L。
优选的，步骤(1)所述微塑料为尺寸在6.5-500μm的聚苯乙烯(PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中的一种或两种。其他种类的微塑料虽未穷举，但各种材质的塑料，其具体性质是类似的，因此仍可通过本发明所述方法进行处理。
优选的，步骤(1)中次氯酸钠以溶液的形式加入，次氯酸钠加入后在水体中的浓度为0.5-10mg/L。
更优选的，步骤(1)所述次氯酸钠在水体中的浓度为5mg/L。
优选的，步骤(1)所述氯处理的时间为5-30min，更优选为15min。
优选的，步骤(2)所述真空紫外照射的波长为185nm+254nm，两种波长同时照射，185nm辐照的能量占总能量的6％，254nm辐照的能量占总能量的94％。
优选的，步骤(2)所述真空紫外照射的剂量为30-120mJ/cm2，通过改变紫外灯与水体表面的距离，或改变照射时间来调节。
更优选的，步骤(2)所述真空紫外照射的剂量为120mJ/cm2。
优选的，步骤(1)是在振荡条件下进行，振荡转速为60-300rpm。
优选的，步骤(2)是在搅拌条件下进行，搅拌转速为60-180rpm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用氯处理-真空紫外消毒体系，可使微塑料表面性质产生变化，从而增强其沉降性能，在给水处理过程中提高微塑料的去除率。
(2)本发明采用的氯处理剂量、紫外照射剂量都在安全范围内，不会产生额外的消毒副产物，安全可靠。
(3)本发明技术方案可以在现有给水处理技术基础上进行改进，适用范围广。
附图说明
图1为模拟实验1中微塑料的沉降效果。
图2为模拟实验2中微塑料的沉降效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。本发明涉及的原料均可从市场上直接购买，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
本发明首先通过模拟实验探究氯处理、真空紫外消毒、氯处理-真空紫外消毒三种消毒方式对微塑料沉降性能的影响，并确定增强微塑料沉降性能的最佳反应条件。
模拟实验和实施例中过滤步骤为：
(1)选用0.45μm亲水PTFE滤头，将滤头和PETF注射器作为过滤装置，过滤前称量过滤装置质量M1；
(2)将收集的经氯处理、真空紫外消毒、氯处理-真空紫外消毒后的微塑料样品40℃烘干后，先浸泡于去离子水中，震荡0.5h、静置2h使其自由沉降至稳定状态，再将沉降的微塑料缓慢倒入注射器中，过滤液体后，微塑料被保留在滤头中。同样的操作重复多次，直到沉降的微塑料被完全收集在滤头中，在40℃条件下烘干后称量质量M2，得到前后质量差(M2-M1)即为沉降微塑料的质量M沉。
模拟实验和实施例中微塑料沉降率的计算方式为：每组反应装置中的微塑料的沉降率为M沉与投入微塑料的总质量M总之比，即：
沉降率＝M沉/M总
模拟实验和实施例中对微塑料进行真空紫外消毒的是基于准平行(quasi-parallel)光路的紫外照射系统。紫外照射剂量通过改变真空紫外灯与反应体系表面的距离来调节，并通过磁力搅拌器使反应体系保持搅拌。照射前先将微塑料颗粒加入到超纯水中搅拌2h，避免表面电荷的干扰。真空紫外灯为能够同时发射185nm和254nm的真空紫外灯，用电功率为8W，其中，185nm辐照的能量占总能量的6％，254nm辐照的能量占总能量的94％。
模拟实验1：氯处理对微塑料沉降性能的影响
本实验以6.5μm、200μm、500μm的PET、PS微塑料为实验对象，在浓度梯度为0mg/L、0.5mg/L、1mg/L、2mg/L、5mg/L、10mg/L的次氯酸钠溶液(溶质为纯水)条件下进行氯处理15min(与现有给水系统的氯处理工艺相似)，探究氯处理对微塑料沉降性能的影响。
实验步骤为：
(1)在装有200mL次氯酸钠溶液的烧杯中加入100mg微塑料，以120rpm的转速进行振荡15min；
(2)将步骤(1)氯处理后的微塑料收集，进行过滤并计算得到微塑料的沉降率。
本实验的结果如图1所示：
由图1可知，大粒径微塑料沉降率最高，其次是中、小粒径。三种粒径的PET和PS微塑料在经氯处理后沉降率变化无明显规律，随着氯剂量的增加，微塑料的沉降率时有上升，时有下降。可见，常规消毒剂量的氯处理对不同粒径的PET和PS微塑料的沉降性能基本没有影响，不能提高微塑料的去除率。
模拟实验2：真空紫外消毒对微塑料沉降性能的影响
本实验以6.5μm、200μm、500μm的PET、PS微塑料为实验对象，在紫外照射剂量梯度为0mJ/cm2、30mJ/cm2、50mJ/cm2、70mJ/cm2、90mJ/cm2、120mJ/cm2的真空环境中进行消毒处理，探究真空紫外消毒对微塑料沉降性能的影响。
实验步骤为：
(1)将100mg微塑料加入到200mL超纯水中搅拌2h后，转移到反应容器中以60rpm的搅拌转速进行真空紫外照射；
(2)将步骤(1)真空紫外照射后的微塑料收集，进行过滤并计算得到微塑料的沉降率。
本实验的结果如图2所示：
由图2可知，三种粒径的PET和PS微塑料在经过真空紫外照射后沉降率均有上升，增幅在1～21％之间，表明真空紫外照射可能引起了微塑料表面物化性质的变化，比如亲属水性、比表面积等。除了6.5μm的PET外，其他微塑料在真空紫外照射剂量增加至70mJ/cm2之后沉降率基本不再增加，可能是由于微塑料表面已经被充分氧化，继续增加照射剂量对微塑料的沉降率影响不大，即真空紫外消毒对微塑料沉降率的影响是有限的。
模拟实验3：氯处理-真空紫外消毒对微塑料沉降性能的影响
本实验以6.5μm、200μm、500μm的PET、PS微塑料为实验对象，在浓度梯度为0.5mg/L、1mg/L、2mg/L、5mg/L、10mg/L的次氯酸钠溶液(溶质为纯水)，及紫外照射剂量梯度为30mJ/cm2、50mJ/cm2、70mJ/cm2、90mJ/cm2、120mJ/cm2的真空环境中进行消毒处理，探究氯处理-真空紫外消毒对微塑料沉降性能的影响。
实验步骤为：
(1)在装有200mL次氯酸钠溶液的烧杯中加入100mg微塑料，以120rpm的转速进行振荡15min；
(2)收集步骤(1)氯处理后的微塑料后在40℃下烘干，将烘干的微塑料加入到200mL超纯水中搅拌2h后，转移到反应容器中以60rpm的搅拌转速进行真空紫外照射；
(3)将步骤(2)真空紫外照射后的微塑料收集，进行过滤并计算得到微塑料的沉降率。
每组反应条件都做三次平行实验，沉降率取三次平行实验的平均值。
本实验的结果如表1～6所示：
除200μm的PS以外，所有微塑料都在5mg/L次氯酸钠、120mJ/cm2真空紫外照射条件下沉降率达到最高——200μm的PET沉降率由36.9％提升至86.3％，沉降率增加了49.4％，显著提高了微塑料沉降率。因此，5mg/L次氯酸钠溶液浓度、120mJ/cm2真空紫外照射剂量是氯处理-真空紫外消毒法增强微塑料沉降性能的最佳工艺参数，在该条件下微塑料沉降率大幅增加，能达到较好的微塑料去除效果。
表1模拟实验3中500μm P ET沉降率(％)
表2模拟实验3中500μm PS沉降率(％)
表3模拟实验3中200μm PET沉降率(％)
表4模拟实验3中200μm PS沉降率(％)
表5模拟实验3中6.5μm PET沉降率(％)
表6模拟实验3中6.5μm PS沉降率(％)
实施例1：实际水体中氯处理-真空紫外消毒对微塑料沉降性能的影响
本实施例通过取样装置从河涌中获取自然水体，使用真空抽滤装置(0.45μm)分离水体中的固体颗粒物杂质，获得本实验所用的水体；以6.5μm、200μm、500μm的PET、PS微塑料为实验对象，选取模拟实验中效果较好的组合条件作为反应条件(即5mg/L、10mg/L次氯酸钠溶液浓度，分别与90mJ/cm2、120mJ/cm2真空紫外照射剂量两两组合)，探究在实际水体中不同氯处理浓度、不同真空紫外照射剂量对微塑料颗粒沉降率的影响，验证氯处理-真空紫外消毒在实际水体中去除微塑料的可行性。
具体实验步骤为：
(1)向含有100mg微塑料的200mL待处理水体的烧杯中加入次氯酸钠溶液进行氯处理，使用涡流混合器以120rpm的转速振荡烧杯15min；同时设置含有100mg微塑料的200mL待处理水体的烧杯不加入次氯酸钠溶液作为对照组；
(2)将步骤(1)氯处理后的反应体系以60rpm的搅拌转速进行真空紫外照射，通过改变紫外灯与反应体系表面的距离来调节照射剂量；
(3)将步骤(2)真空紫外照射后的微塑料收集，进行过滤并计算得到微塑料的沉降率。
本实施例的结果如表7-11所示：
对比模拟实验，在实际水体中微塑料的沉降率普遍都略低于在纯水中，这可能是因为实际水体中由于杂质的存在，使得水体的密度和粘度有略微变化。在所选的处理条件下，微塑料的沉降率均有增大，并且仍是在5mg/L次氯酸钠溶液浓度、120mJ/cm2真空紫外照射剂量的条件下微塑料沉降率增幅最大——200μm的PET沉降率由30.4％提升至78.2％，沉降率增加了47.8％，符合模拟实验的结论。这说明在实际水体中氯处理-真空紫外消毒可以增大微塑料的沉降率，能达到较好的微塑料去除效果。
表7实施例1中对照组的微塑料沉降率(％)
表8实施例1中5mg/L次氯酸钠，90mJ/cm2真空紫外照射处理后的微塑料沉降率(％)
表9实施例1中10mg/L次氯酸钠，90mJ/cm2真空紫外照射处理后的微塑料沉降率(％)
表10实施例1中5mg/L次氯酸钠，120mJ/cm2真空紫外照射后的微塑料沉降率(％)
表11实施例1中10mg/L次氯酸钠，120mJ/cm2真空紫外照射后的微塑料沉降率(％)
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 (10)
1.一种增强微塑料沉降性能的消毒方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)向含微塑料的水体中加入次氯酸钠进行氯处理；
(2)对步骤(1)氯处理后的水体进行真空紫外照射，即可增强水体中微塑料的沉降性能。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中次氯酸钠以溶液的形式加入，次氯酸钠加入后在水体中的浓度为0.5-10mg/L。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述次氯酸钠加入后在水体中的浓度为5mg/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述微塑料为尺寸在6.5～500μm的聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或两种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述氯处理的时间为5-30min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述真空紫外照射的波长为185nm+254nm，两种波长同时照射，185nm辐照的能量占总能量的6％，254nm辐照的能量占总能量的94％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述真空紫外照射的剂量为30-120mJ/cm2。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述真空紫外照射的剂量为120mJ/cm2。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)是在振荡条件下进行，振荡转速为60-300rpm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)是在搅拌条件下进行，搅拌转速为60-180rpm。
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2021
- 2021-11-15 CN CN202111349720.5A patent/CN114057335B/zh active Active
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JIALING LIN 等: "Sinking behavior of polystyrene microplastics after disinfection" * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114057335B (zh) | 2023-08-15 |
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