CN116143218B - 一种基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微塑料处理技术领域，具体公开了一种基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，包括以下步骤：（1）向含微塑料的水体中加入N,N‑二(十六烷基)‑N‑甲基‑1‑十六烷基氯化铵；（2）调节水体pH为6~8，使用空气泵由配有多孔渗水介质的浮选柱向水体底部注入气体，浮选分离微塑料。本申请的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法中，通过加入N,N‑二(十六烷基)‑N‑甲基‑1‑十六烷基氯化铵，调节pH等措施，能够有效去除水介质中微米级微塑料，去除效率高，具有成本较低，操作程序简单，无生物毒性，不会对水体产生二次污染的问题。
Description
技术领域
本发明属于环境中微塑料处理技术领域，特别涉及一种基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法。
背景技术
微塑料是指粒径＜5mm的塑料颗粒或纤维，微塑料对环境中的多氯联苯(PCBs)和多环芳烃(PAHs)等持久性有机污染物，以及重金属有很强的吸附能力，且易被环境中不同营养级的生物误食，一旦进入食物链，将对人类健康构成威胁。目前微塑料作为产品添加剂被广泛运用于个人护理用品、医疗用品以及其他工业制品，因此进入环境中，造成初生微塑料污染。进入环境的初生微塑料又不断通过物理、化学、生物作用等方式不断被破碎降解，产生次生微塑料污染。目前，微塑料污染已成为各国政府、学者和公众共同关注的环境问题。
如何将微塑料从复杂环境中分离除了对微塑料的物理化学性质、主要种类分布、传播以及最终去向进行分析，研究发现正确高效的微塑料分离技术对解决水介质中微塑料污染有十分重大的现实意义，目前常见的微塑料处理方法通过合成具备磁性的碳纳米管作为吸附质，对水介质中的尼龙(PA)、涤纶树脂(PET)、聚乙烯(PE)进行吸附，去除率能达到80％左右、通过将氯化铝与氯化铁的聚合物加入含有聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)的水介质中，使聚合物与微塑料凝结沉淀，也具有较好去除效率、通过合成微塑料与磁性物质的微塑料-磁性种子复合物，再使用磁选方法去除多种多尺寸微塑料的方法，能达到较高去除率、通过离心过滤、快速砂滤、动态膜、生物膜或者是生物活性过滤等方法结合的高级微塑料去除技术也要较好的去除效果。区别于其他物质，受粒径尺寸、官能团以及表面电荷不同的影响，微塑料的强疏水性为微塑料在水介质中的去除提供了更多的方法可能性，例如沙子等自然环境中的天然颗粒都是亲水性的，而人工合成的这些微塑料基本都是具有强疏水的特性，通过气泡浮选，可以将具有强疏水性的微塑料与浮选装置中的气泡相结合，浮至液面顶部收集，而具有亲水性的物质则会沉降至水底。
目前的吸附法、过滤法等方法，虽然去除率表现较好，但是都存在材料成本较为昂贵、操作流程复杂、需要实验环境条件较为严格等问题。例如上述现有技术方法中所使用的磁性碳纳米管，污水处理成本较高。膜过滤技术目前主要用于发酵液过滤、海水淡化等流程，用于污水处理时，需要使用大量的膜材料，实际处理难以负担该成本。气泡浮选法能够有效的降低污水处理成本，但是为了提高气泡浮选效率，通常需要添加表面活性剂，目前大部分添加的表面活性剂存在处理效率较低、具有较强生物毒性、用量较大对水体造成二次污染等问题。专利号201910333601.7公开了一种基于气浮法进行的微塑料分离方法，在分散有微塑料的水体加入三庚基十二烷基碘化铵，然后采用气泡浮选微塑料，能够提高浮选效率，但是三庚基十二烷基碘化铵的用量大(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)，容易对水体造成二次污染，而且是对较大尺寸(约2mm)的微塑料颗粒进行浮选，在微塑料污染的水体中还存在许多微米级微塑料，相对更加难以去除。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，克服背景技术提到的不足与缺陷。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，包括以下步骤：
(1)向含微塑料的水体中加入N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵；
(2)调节水体pH为6～8，使用空气泵由配有多孔渗水介质的浮选柱向水体底部注入气体，浮选分离微塑料。
优选的，上述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法中，所述N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵加入量是水体中微塑料质量的4～14％。
优选的，上述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法中，所述N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵加入量是水体中微塑料质量的6～12％。
优选的，上述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法中，所述空气泵流速为60～80L/h。
优选的，上述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法中，多孔渗水介质孔径尺寸为16～40μm。
优选的，上述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法中，所述微塑料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛中的一种或几种。
优选的，上述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法中，所述微塑料粒径为2～10μm。
与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：
本申请的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法中，通过加入N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵，调节pH等措施，能够有效去除水介质中微米级微塑料，去除效率高，具有成本较低，操作程序简单，无生物毒性，不会对水体产生二次污染的问题。
附图说明
图1为本发明试验例1中各处理组的微塑料去除率。
图2为本发明试验例3中不同pH的微塑料去除率。
图3为本发明试验例3中不同粒径的微塑料去除率。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
实施例1
一种基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，包括以下步骤：
(1)向含微塑料的水体中加入N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵，N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的加入量为微塑料质量的10％，搅拌混合均匀；
(2)调节水体pH为7，使用空气泵由配有孔径为16-40μm的多孔介质的浮选柱向水体底部注入气体，空气泵流速为75L/h，浮选分离微塑料。
实施例2
本实施例中N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的加入量为微塑料质量的4％，其他同实施例1。
实施例3
本实施例中N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的加入量为微塑料质量的6％，其他同实施例1。
实施例4
本实施例中N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的加入量为微塑料质量的8％，其他同实施例1。
实施例5
本实施例中N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的加入量为微塑料质量的12％，其他同实施例1。
实施例6
本实施例中N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的加入量为微塑料质量的14％，其他同实施例1。
对比例1
本对比例不加入N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵，其他同实施例1。
对比例2
本对比例中的本实施例中N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的加入量为微塑料质量的2％，其他同实施例1。
对比例3
本对比例采用十六烷基三甲基氯化铵替换N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵，其他同实施例1。
对比例4
本对比例采用三庚基十二烷基碘化铵替换N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵，同时加入其他同实施例1。
试验例1
采用实施例1和对比例1提供的方法分别对5种不同的常见环境中微塑料：聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚醚砜(PES)进行浮选分离，将各种微塑料(粒径为2.5～5μm)分别加入去离子水中配制成浓度为100mg/L微塑料水，作为试验样本。使用实验室尺寸气泡浮选装置，空气泵(流速为75L/h)通过配有孔径为16-40μm为多孔渗水介质(多孔介质)的浮选柱向浮选池底部注入气体，按照实施例1和对比例1提供的方法对浓度为100mg/L的微塑料样本进行浮选分离，浮选时间为24h。采用动态光散射法(DLS)(检测设备为Malvern Zetasizer nano ZS)检测微塑料颗粒尺寸，采用纳米颗粒跟踪分析法(NTA)(检测设备为Malvern Nanosight NS300)分析水中微塑料的浓度。
浮选分离结果如图1所示，由图可知，加入N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵后，各种微塑料的去除率得到明显提升，随着N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的加入量增加去除率得到提高，但加入量超过12％以后去除率反而下降，综合考虑成本和去除效率，N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵的最佳加入量为6～12％。当N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵加入量为10％时，对聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲醛(POM)的去除率为94.3％、87.4％、84.3％、66.9％、65.7％，对聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛的去除效果更为显著。以上结果表明，本发明的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法能够显著提升水体中微塑料的去除。
试验例2
采用实施例1、对比例3和对比例4提供的方法分别对3种微塑料：聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚甲醛(POM)进行浮选分离，将粒径为2.5～5μm的微塑料分别加入去离子水中配制成浓度为100mg/L微塑料水，作为试验样本。使用实验室尺寸气泡浮选装置中空气泵由配有多孔渗水介质的浮选柱向浮选池底部注入气体，按照实施例1、对比例3和对比例4提供的方法对浓度为100mg/L的微塑料样本进行浮选分离。
浮选分离结果如表1所示，从表1中可以看出，相比对比例3和对比例4，本实施例的去除率高，说明本发明的去除水介质中微塑料的方法能够高效微米级的微塑料。
表1不同处理的微塑料去除率
试验例3
分析不同pH对微塑料去除影响，分别对5种不同的常见环境中微塑料：聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲醛(POM)、聚醚砜(PES)进行浮选分离，将各种微塑料(粒径为2.5～5μm)分别加入去离子水中配制成浓度为100mg/L微塑料水，作为试验样本。使用实验室尺寸气泡浮选装置，空气泵(流速为75L/h)通过配有多孔介质(孔径为16-40μm)的浮选柱向浮选池底部注入气体，不加入表面活性剂，将微塑料样本分别调节不同pH，进行浮选分离，浮选时间为24h。测试分析微塑料去除率，结果如图2所示。由图2可知，各种微塑料去除率随着pH增加得到提高，当pH为7，聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛的去除率达到最大值，随后随着pH增加出现下降。
在不加入表面活性剂，调节水体pH为7，分析测试三种粒径(＜2.5μm、2.5～5μm、5～7μm)的微塑料去除率，试验方法同上，测试结果如图3，由图可知，对于粒径小于10μm范围内，同种微塑料不同粒径去除率相当，粒径相对大时微塑料去除率稍微有所下降。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。
Claims (7)
1.一种基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）向含微塑料的水体中加入N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵；
（2）调节水体pH为6~8，使用空气泵由配有多孔渗水介质的浮选柱向水体底部注入气体，浮选分离微塑料。
2.根据权利要求1所述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，其特征在于，所述N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵加入量是水体中微塑料质量的4~14%。
3.根据权利要求1所述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，其特征在于，所述N,N-二(十六烷基)-N-甲基-1-十六烷基氯化铵加入量是水体中微塑料质量的6~12%。
4.根据权利要求1所述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，其特征在于，所述空气泵流速为60~80L/h。
5.根据权利要求1所述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，其特征在于，多孔渗水介质孔径尺寸为16~40μm。
6.根据权利要求1所述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，其特征在于，所述微塑料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚甲醛中的一种或几种。
7.根据权利要求1所述的基于气泡浮选的除去水介质中微塑料方法，其特征在于，所述微塑料粒径为2~10μm。
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2022
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Non-Patent Citations (1)
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| 季铵盐类表面活性剂在矿物浮选中应用;杨耀辉;张裕书;刘淑君;;矿产保护与利用;20111225(Z1);第108-112页 * |
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