一种用于固体样品的微塑料筛选装置及筛选方法与流程

本发明涉及环境监测与固废处理领域，具体涉及一种用于固体样品的微塑料筛选装置及筛选方法。

背景技术：

近年来，塑料制品被广泛应用于工业、农业以及日常生活中。据browne等统计，全球每年塑料使用量不少于2.4亿吨。由于绝大部分塑料制品是稳定的长链高分子聚合物，其自身的化学结构和性质决定了塑料废弃物在自然环境中的降解过程极其缓慢。thompson等研究发现，进入自然环境中的塑料废弃物在光照(如光降解、脆化等)、波浪冲击或微生物分解等作用下，会逐渐老化破碎形成直径小于1cm甚至更小的塑料碎片，并可能在长时间的复杂环境因素综合作用下，分解成更微细型的塑料碎片或颗粒。然而zurcher等研究发现，塑料的物理破碎和化学降解作用随着其尺寸的不断变小而减弱，导致塑料碎片在水体沉积物或土壤中持续富集，甚至可在环境中存在数百年至几千年。2009年，arthur等将直径小于5mm的塑料碎片定义为微塑料，微塑料作为一类新型的持久性环境污染物越来越受到重视。2014年6月，在首届联合国环境大会上，联合国环境规划署(unep)发布了《unepyearbook2014》(smith,2014)和《valuingplastic》(raynaud,2014)两项报告并指出，海洋里大量的塑料垃圾给海洋生态系统造成的经济损失每年高达130亿美元。《nature》杂志在2014年12月连续两期报道了有关海面漂浮和海底沉积物中微塑料的研究进展，同时呼吁人们关注海洋环境中的微塑料污染及其危害(marris,2014；perkins,2014)。

对拖网采集到的水体样品，通常采用密度浮选和人工挑选(必要时使用放大镜或光学显微镜辅助挑选)的方法将微塑料与无机颗粒、胶体等其他物质的分离。但是，大量固态介质的存在使土壤、水体沉积物及脱水污泥这类含固量较高的样品中微塑料的分离成为一大难题。采用与水样相同的浸泡浮选配合人工挑选的方法，存在程序繁琐、耗时耗力且效率不高的问题。因此，很多研究者通过设计或搭建一些简易装置，简化沉积物样品中微塑料的分离流程。claessens等则设计了一种淘洗管装置，该装置是由筛、柱体、曝气石和底部供水系统组成，主要通过气体和液体产生上向流使微塑料上浮实现分离，该装置设计简易、操作简便，但对于某些特定形态的微塑料回收率仅为50.2％。nuelle等在实验室搭建了一种简易浮选分离装置，使得微塑料回收率能达90％，但仍存在着步骤繁琐、人工干预多、耗时耗力等问题。周倩等在nuelle的简易浮选装置基础上，设计改进了一套新的连续流动-气浮分离装置，有助于简化分离流程，降低人工干预，但仍不能获得较稳定的回收率。

如何从土壤、水体沉积物及脱水污泥等固态样品中分离识别出微塑料是开展微塑料污染调查及去除研究的重要基础。因此，建立一种高效、便捷且具有较高、较稳定回收率的装置迫在眉睫。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于固体样品的微塑料筛选装置及筛选方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种用于固体样品的微塑料筛选装置，包括破碎组件，所述破碎组件以破碎固体样品至均质化样品，还包括浮选杯、筛选杯和循环组件，所述浮选杯设置在筛选杯内部且浮选杯内设有搅拌组件和曝气组件，搅拌组件以搅拌浮选杯内溶液，曝气组件位于浮选杯内侧底部向浮选杯内传输气体，所述筛选杯内设有筛选组件且筛选组件位于浮选杯正下方以筛选微塑料，所述循环组件包括蠕动组件和回流组件，所述回流组件一端设置在筛选杯内侧底部并与筛选杯连通，另一端插入浮选杯并与浮选杯内部连通，蠕动组件设置在筛选杯旁侧且一端与回流组件中部连通以传输液体。

优选的，所述曝气组件包括气泵和曝气盘，所述气泵固定设置在筛选杯的旁侧，曝气盘固定设置在浮选杯内靠近浮选杯内侧底部的区域，所述气泵和曝气盘通过连通管连通，所述曝气盘上设有若干个透气孔。

优选的，所述搅拌组件包括电机、搅拌杆和若干个搅拌桨，所述电机固定设置在浮选杯的正上方，搅拌杆固定设置在电机的输出端上且可转动的设置在浮选杯内部，若干个搅拌桨均匀且固定的设置在搅拌杆的底端并位于浮选杯内部。

优选的，所述筛选组件包括振动筛，所述振动筛可调节的设置在筛选杯的内部以筛选微塑料，振动筛表面设有不锈钢滤网，不锈钢滤网过滤孔径不大于25微米。

优选的，所述回流组件包括回流泵和回流管，所述回流管一端插接设置在筛选杯内侧底部并与筛选杯连通，另一端插入浮选杯中，回流泵设置在回流管上并与回流管连通以加压回流浮选液，所述回流管上位于回流泵和筛选杯之间的一段还设有于回流管连通的废液流出管，废液流出管处设有废液阀。

优选的，所述蠕动组件包括蠕动泵和输液管，所述输液管设置在回流管上位于浮选杯和回流泵之间并与回流管连通，所述蠕动泵设置在输液管上以加压输液。

优选的，所述浮选杯顶部圆周壁上设有锯齿形的溢流堰。

一种用于固体样品的微塑料筛选装置的筛选方法，包括以下步骤：

步骤一、通过破碎组件对固态样品筛分破碎处理，破碎后的固态样品再进行冷冻干燥处理，冷冻温度不高于-25℃，冷冻干燥时间不低于24h，得到均质化样品，均质化样品平均粒径不大于10mm，含水率不高于20％；

步骤二、向浮选杯中加入所述步骤一中所得的均质化样品10-20g，同时通过蠕动组件从浮选杯底部注入浮选液，并开启曝气组件和搅拌组件，促使均质化样品与浮选液混合形成均匀浑浊液，所述浮选液优选采用密度为1.2g/cm3的饱和氯化钠溶液，所述优选搅拌速率不低于120r/min，所述优选曝气量不低于10l/h；

步骤三、持续向浮选杯底部注入浮选液，使所述步骤二中制备的均匀浑浊液，通过浮选杯口的溢流堰流入筛选杯；开启筛选杯底部的振动筛进行湿法筛分，振动筛采用不锈钢滤网，且滤网孔径不大于25μm；

步骤四、待浮选杯中的混合液逐渐变得澄清，筛选杯中的溢流液也得到充分的筛分后，更换浮选液为清洗液；用清洗液清洗振动筛和筛选杯，后收集振动筛中洗去盐基的残留物，实现样品中微塑料的半连续流动分离筛选。

本发明的有益效果：

1.本发明采用的设备廉价易购得，装置搭建成本低而且操作性好、实用性强，为固态样品中微塑料的污染及去除研究提供可靠的样品前处理；

2.本发明方法选择饱和氯化钠溶液作为浮选液，试剂成本低、易购得且不带来二次污染；滤膜采用不锈钢滤网，能有效截留微塑料颗粒，且能够多次重复使用；

3.本发明采用一体化装置，集成度高，能够有效避免样品多次转移过程中的损失，人为因素仅存在于样品加入的阶段，将人为因素对微塑料筛选的影响降至最低；因此重现性好，微塑料回收率高；

4.本发明将固态样品浸泡于浮选液中，形成流态的均匀浑浊液，采用半连续处理流程，能极大的缩短样品处理的时间，提高样品处理的效率；

5.本发明设有废液回流系统，节约浮选液且能保证稳定的回收率；对样品需求量少，通过少量均质化固态样品中筛选出的微塑料计数即可计算单位干重固态中微塑料的丰度值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的筛选工艺流程图；

图2为本发明的筛选装置示意图；

图3为本发明实施例一中某潮滩土壤样品中微塑料丰度统计；

图4为本发明实施例二中商品塑料回收率测试结果；

图中：浮选杯1，筛选杯2，气泵3，曝气盘4，搅拌杆5，搅拌桨6，振动筛7，回流泵8，回流管9，废液阀10，蠕动泵11，输液管12，溢流堰13。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”等指示部件之间的连接关系，该术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通或两个部件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图4所示的一种用于固体样品的微塑料筛选装置，包括破碎组件，所述破碎组件以破碎固体样品至均质化样品，还包括浮选杯1、筛选杯2和循环组件，所述浮选杯1设置在筛选杯2内部且浮选杯1内设有搅拌组件和曝气组件，搅拌组件以搅拌浮选杯1内溶液，曝气组件位于浮选杯1内侧底部向浮选杯1内传输气体，所述筛选杯2内设有筛选组件且筛选组件位于浮选杯1正下方以筛选微塑料，所述循环组件包括蠕动组件和回流组件，所述回流组件一端设置在筛选杯2内侧底部并与筛选杯2连通，另一端插入浮选杯1并与浮选杯1内部连通，蠕动组件设置在筛选杯2旁侧且一端与回流组件中部连通以传输液体。

工作原理：首先通过破碎组件将固体样品破碎成均质化样品，再将均质化样品倒入浮选杯1，蠕动组件向浮选杯1中添加浮选液，搅拌组件能够对浮选杯1内的液体进行搅拌进而将浮选液和均质化样品摇匀，再通过曝气组件从底部进气，气泡从浮选杯1底部将固体悬浮物向上推动，当浮选液对外溢出时能够将微塑料带出，溢出的含微塑料的浮选液再通过筛选组件筛选出微塑料颗粒，过滤掉的浮选液进入筛选杯2中随后再通过回流组件回流到浮选杯1内，多次做浮选操作直至浮选液清澈。

所述曝气组件包括气泵3和曝气盘4，所述气泵3固定设置在筛选杯2的旁侧，曝气盘4固定设置在浮选杯1内靠近浮选杯1内侧底部的区域，所述气泵3和曝气盘4通过连通管连通，所述曝气盘4上设有若干个透气孔，启动气泵3，气泵3吸气并将气体传输到曝气盘4上，因曝气盘4上设有若干个透气孔，因此能够冒出若干个气泡从浮选杯1底部向上浮，从而带动悬浮的微塑料上浮。

所述搅拌组件包括电机、搅拌杆5和若干个搅拌桨6，所述电机固定设置在浮选杯1的正上方，搅拌杆5固定设置在电机的输出端上且可转动的设置在浮选杯1内部，若干个搅拌桨6均匀且固定的设置在搅拌杆5的底端并位于浮选杯1内部，启动电机，电机输出端转动将带动搅拌杆5转动，进而带动若干个搅拌桨6一同转动对浮选杯1中的液体进行搅拌搅匀。

所述筛选组件包括振动筛7，所述振动筛7可调节的设置在筛选杯2的内部以筛选微塑料，振动筛7表面设有不锈钢滤网，不锈钢滤网过滤孔径不大于25微米，振动筛7用来筛选溢出浮选液中的微塑料，浮选液能够透过不锈钢网孔流进筛选杯2中，过滤孔孔径不大于25微米便于筛选出微塑料。

所述回流组件包括回流泵8和回流管9，所述回流管9一端插接设置在筛选杯2内侧底部并与筛选杯2连通，另一端插入浮选杯1中，回流泵8设置在回流管9上并与回流管9连通以加压回流浮选液，所述回流管9上位于回流泵8和筛选杯2之间的一段还设有于回流管9连通的废液流出管，废液流出管处设有废液阀10，启动回流泵8，回流泵8使得回流管9负压吸附筛选杯2中的液体并再次传入浮选杯1中，再次进行浮选操作。

所述蠕动组件包括蠕动泵11和输液管12，所述输液管12设置在回流管9上位于浮选杯1和回流泵8之间并与回流管9连通，所述蠕动泵11设置在输液管12上以加压输液，启动蠕动泵11，蠕动泵11将浮选液通过输液管12传输到回流管9中进而传入浮选杯1中。

所述浮选杯1顶部圆周壁上设有锯齿形的溢流堰13，锯齿形的溢流堰13便于微塑料颗粒从浮选杯1中流出。

一种用于固体样品的微塑料筛选装置的筛选方法，包括以下步骤：

步骤一、通过破碎组件对固态样品筛分破碎处理，破碎后的固态样品再进行冷冻干燥处理，冷冻温度不高于-25℃，冷冻干燥时间不低于24h，得到均质化样品，均质化样品平均粒径不大于10mm，含水率不高于20％；

步骤二、向浮选杯1中加入所述步骤一中所得的均质化样品10-20g，同时通过蠕动组件从浮选杯1底部注入浮选液，并开启曝气组件和搅拌组件，促使均质化样品与浮选液混合形成均匀浑浊液，所述浮选液优选采用密度为1.2g/cm3的饱和氯化钠溶液，所述优选搅拌速率不低于120r/min，所述优选曝气量不低于10l/h；

步骤三、持续向浮选杯1底部注入浮选液，使所述步骤二中制备的均匀浑浊液，通过浮选杯1口的溢流堰13流入筛选杯2；开启筛选杯2底部的振动筛7进行湿法筛分，振动筛7采用不锈钢滤网，且滤网孔径不大于25μm；

步骤四、待浮选杯1中的混合液逐渐变得澄清，筛选杯2中的溢流液也得到充分的筛分后，更换浮选液为清洗液；用清洗液清洗振动筛7和筛选杯2，后收集振动筛7中洗去盐基的残留物，实现样品中微塑料的半连续流动分离筛选。

实施例一，采用本发明提及的固态样品中微塑料筛选方法和装置，筛选潮滩土壤样品中微塑料，包括如下步骤：

(1)对该潮滩土壤样品进行筛分破碎，并冷冻干燥处理，得到待处理的均质化样品，所述冷冻干燥温度为-25℃，冷冻干燥时间为24h；

(2)取所述步骤1中的待处理样品20g，置于所述装置的浮选杯1中，使用蠕动泵11向浮选杯1中加入饱和氯化钠溶液，同时开启曝气组件与搅拌组件使待处理原料与饱和氯化钠溶液完全混合，形成均质浑浊液，控制搅拌速率为120r/min，曝气量为10l/h；

(3)持续向浮选杯1中加入饱和氯化钠溶液，使得已经混合均匀的浑浊液通过浮选杯1口的溢流堰13，溢流置外部的筛选杯2，与此同时开启振动筛7，使得微塑料颗粒上浮聚集形成非沉淀层，采用滤膜的平均孔径为25μm的不锈钢滤网筛选溢流液中包含微塑料的悬浮物。

(4)待浮选杯1中的浑浊液逐渐澄清，且溢流至筛选杯2中的浑浊液得到充分的筛分后，更换浮选液为去离子水，用去离子水清洗溢流杯和筛选杯2，并洗去筛网截留的悬浮物表面的盐基，就实现了样品中微塑料的半连续流动分离筛选。

本实施例采样某潮滩s1-s8土壤样品，利用土壤中微塑料的半连续流动筛选方法，得到最终的微塑料，然后对收集到的微塑料颗粒进行丰度统计，如下图3。

实施例二，本实施例中，购买40目和200目的商品塑料聚乙烯pe40,pe200、40目和200目的聚丙烯pp40,pp200、40目和200目的聚苯乙烯ps40,ps200，作为微塑料样品，根据实施例一中固态样品中微塑料筛选方法进行微塑料回收率测试。采用经微塑料筛选后的潮滩土壤样品作为实验介质，将购置的三类微塑料样品与之混合均匀作为本实施例实验的固态样品，进行模拟实验。每种粒径的商品微塑料投加量均为8n/g进行3次平行实验，回收率结果为66.7～97.8％，参见如下图4。

本实施例对平均粒径较小的三种200目微塑料颗粒的回收率分别为74.3％、72.5％和69.4％；而对于平均粒径较大的三种40目微塑料颗粒的回收率分别为86.5％、87.6％和83.2％，回收率较高且较稳定，证明本发明提及的固态样品中微塑料筛选方法和装置能有效地从固态样品中筛提出微塑料，操作简单快捷，效果显著稳定。

需要声明的是，上述具体实施方式仅仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员应该明白，还可以对本发明做各种修改、等同替换、变化等等。但是，这些变换只要未背离本发明的精神，都应在本发明的保护范围之内。另外，本申请说明书和权利要求书所使用的一些术语并不是限制，仅仅是为了便于描述。