CN110015727B - 一种电解气浮除去水体中微塑料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于固体废弃物处理技术领域,特别涉及一种电解气浮除去水体中微塑料的方法,首先向分散有微塑料的水体中加入长链烷基胺与铜离子的络合物并混合充分,长链烷基胺与铜离子的络合物由铜盐和长链烷基胺混合加热反应得到,再对所得的混合水体进行电解处理,电解时在混合水体中产生气泡,这些气体气泡上升的同时也带动水体中的微塑料进行上浮,最后将水体上层集中的微塑料一并收集除去,实现微塑料与水体的分离。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物处理技术领域,特别涉及一种电解气浮除去水体中微塑料的方法。
背景技术
微塑料在环境中广泛存在,比如分布于水体、土壤中,容易吸附水体或土壤中其他污染物,包括有机污染物和重金属污染物等,使污染物富集在微塑料的表面,随着微塑料进行迁移。此外,微塑料容易被生物体吸收到体内,进一步导致污染物在生物体的器官中进行富集,产生较大的生物毒性效应。由于微塑料粒径很小,较难从环境中分离出来。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种电解气浮除去水体中微塑料的方法:
(1)向分散有微塑料的水体中加入长链烷基胺与铜离子的络合物并混合充分,
其中,长链烷基胺为十二胺,长链烷基胺与铜离子的络合物由铜盐和长链烷基胺混合加热反应得到,
加入时先将上述络合物分散于乙醇中,再将得到的络合物的乙醇分散液加入到水体中,络合物与乙醇的质量比为1:15~1:30;
(2)对步骤(1)中所得的混合水体进行电解处理,
电解处理时,将对应设置的阳极和阴极插入混合水体中,阳极和阴极均采用石墨电极,电解处理时所施加的直流电的电流密度为80~200A/m2。
本方案中,利用电解措施在混合水体中产生气泡,具体为在阴极上产生氢气,在阳极上产生氧气,这些气体气泡上升的同时也带动水体中的微塑料进行上浮,最后将水体上层集中的微塑料一并收集除去,实现微塑料与水体的分离,同时,电解气浮法还发生电极反应,有电化学氧化及电化学还原等作用,可以同时降解掉水体中的有机污染物。按照水体被电解的原理可知,产生的氢气摩尔量更大,同时由于氢气密度明显小于氧气,因此电解产生的氢气气泡上浮冲出水体的趋势也更为强烈,对气浮的贡献要明显大于阳极上产生的氧气气泡;
而在电解处理之前,本方案中先将长链烷基胺与铜离子的络合物充分分散于含有微塑料的水体中,该络合物在结构上同时具备长链烷基基团和与之络合的铜离子,因此具备表面活性剂的性质,使该络合物能通过长链烷基与微塑料相结合,但该络合物不同于一般的离子型表面活性剂,一般的离子型表面活性剂在水中会电离分解掉,而本方案使用的是络合物,铜离子与长链烷基之间结合力更强,有可能促使铜离子同样结合到微塑料上。在此基础上,由于电解时水体中的铜离子会向阴极迁移,因此在本方案中,应该是络合物中的铜离子带动了微塑料向阴极迁移,而氢气气泡正是从阴极上产生的并集中在阴极附近,这样使更多的微塑料随氢气气泡的作用而上浮,提高了对水体中微塑料的去除效果;
虽然铜离子在排序上相比于H2O中的氢离子要优先得电子,但在本方案中,微观上相当于是多个铜离子将一个微塑料拖向阴极,这样铜离子相当于是负重前行的,无法太轻易地到达阴极上,此时依然有相当一部分水会受到电离而产生气泡。因此在本方案中,阴极上氢离子和铜离子得电子的先后顺序应该不会很明显,换言之,气泡的产生和微塑料向阴极的迁移应该是同时在进行的。
具体实施方式
络合物的制备:将十二胺与硝酸铜按9.5:1的摩尔比加入到反应容器中,于110℃下搅拌反应充分,出料,
将上述所出物料按1:20的质量比充分分散于乙醇中,得到络合物的乙醇分散液。
实施例1
将多个直径为2mm的圆形微塑料薄片称量后充分分散到纯水中得到稳定悬浮有微塑料污染的模拟分散液,微塑料薄片于模拟分散液中的浓度为1g/L(176个/L),向模拟分散液中加入上述得到的络合物的乙醇分散液并搅拌充分至悬浮态,络合物的乙醇分散液与模拟分散液的质量体积比为100g:1L,
快速将对应设置的阳极和阴极竖直插入上述处在悬浮态的混合水体中至靠近水底的位置进行电解处理,阳极和阴极均采用厚度为4mm的石墨电极极板,极板间距为30mm,电解施加380V的直流电压,电流密度为100A/m2,电解时间为20min。电解结束后快速将水体上层富集有微塑料的液层抽离去除,待所剩水体基本稳定后于水体(高度位置上的)居中处进行取样,滤干后发现微塑料此时于水体中的平均浓度为9.3个/L(于同一高度上三个不同位置处分别取样,计算平均值,下同)。
对比实施例1
未加入任何长链烷基胺与铜离子的络合物,其余操作均同实施例1:
向实施例1中的模拟分散液中加入乙醇并搅拌充分,乙醇与模拟分散液的质量体积比为95g:1L,再加入硝酸钠晶体粉末并搅拌充分使后续电解时水体混合物的密度同实施例1(避免了体系密度不同而导致的对微塑料上升速率的影响),然后插入电极进行电解处理。
电解结束后快速将水体上层富集有微塑料的液层抽离去除,待所剩水体基本稳定后于水体(高度位置上的)居中处进行取样,滤干后发现微塑料此时于水体中的平均浓度为73.3个/L。
对比实施例2
针对实施例1中的模拟分散液,将实施例1中的“长链烷基胺与铜离子的络合物”替换为含有等摩铜离子的“十二烷基苯磺酸铜”,其余操作均同实施例1。
对净化后的水体取样,滤干后发现微塑料此时于水体中的平均浓度为94.7个/L。
从上述对比实施例2的净化效果来看,申请人认为,这应该是十二烷基苯磺酸铜进入水体后基本都电离分解成了独立的十二烷基苯磺酸根离子和铜离子,因此铜离子向阴极迁移时无法同时将长链的十二烷基苯磺酸根离子及其所结合的微塑料向氢气气泡密集上浮的阴极区拉近,未能提高微塑料随氢气气泡的上浮效率;相反,长链的十二烷基苯磺酸根离子具有乳化稳定的作用,使微塑料能更稳定地停留了在水体中,因此净化效果还不如对比实施例1的空白对照。
实施例2
取浓缩100倍后的地表水体(对该浓缩100倍后的处于悬浮态的地表水体取样并滤干后称重,可以获得该浓缩地表水体中微塑料的质量浓度为0.56g/L),向该浓缩地表水体中加入上述得到的络合物的乙醇分散液并搅拌充分至悬浮态,络合物的乙醇分散液与该浓缩地表水体的质量体积比为56g:1L,
快速将对应设置的阳极和阴极竖直插入上述处在悬浮态的混合水体中至靠近水底的位置进行电解处理,阳极和阴极均采用厚度为4mm的石墨电极极板,极板间距为30mm,电解施加380V的直流电压,电流密度为100A/m2,电解时间为20min。电解结束后快速将水体上层富集有微塑料的液层抽离去除,待所剩水体基本稳定后于水体(高度位置上的)居中处进行取样,滤干后发现微塑料此时于水体中的平均质量浓度为0.027g/L(于同一高度上三个不同位置处分别取样,计算平均值,下同)。
作为比较:
在实施例2的基础上,不加入任何上述制备的络合物,其余操作均同实施例2(同样,向该浓缩地表水体中加入相应用量的硝酸钠晶体粉末充分分散,从而使后续电解时水体混合物的密度同实施例2)。
对电解后的水体(将上层富集有微塑料的液层抽离后)取样、滤干后发现微塑料此时于水体中的平均质量浓度为0.263g/L。
实施例3
取受到微塑料污染的土壤样品,将土壤与纯水按质量比1:10混合并充分搅拌至悬浮态(搅拌后的混合物水体中微塑料平均浓度为17.5个/L),其余净化操作均同实施例2。
对电解后的水体(将上层富集有微塑料的液层抽离后)进行取样观察检测,发现微塑料此时于水体中的平均浓度为4个/L。
作为比较:
在实施例3的基础上,不加入任何上述制备的络合物,其余操作均同实施例3(同样,向搅拌后的混合物水体中加入相应用量的硝酸钠晶体粉末充分分散,从而使后续电解时水体混合物的密度同实施例3)。
对电解后的水体(将上层富集有微塑料的液层抽离后)进行取样观察检测,发现微塑料此时于水体中的平均浓度为10.7个/L。
实施例4
取受到微塑料污染的长江底部的淤泥沉积物,将沉积物与纯水按质量比1:10混合并充分搅拌至悬浮态(搅拌后的混合物水体中微塑料平均浓度为22.4个/L),其余净化操作均同
实施例2。
对电解后的水体(将上层富集有微塑料的液层抽离后)进行取样观察检测,发现微塑料此时于水体中的平均浓度为5.7个/L。
作为比较:
在实施例4的基础上,不加入任何上述制备的络合物,其余操作均同实施例4(同样,向搅拌后的混合物水体中加入相应用量的硝酸钠晶体粉末充分分散,从而使后续电解时水体混合物的密度同实施例4)。
对电解后的水体(将上层富集有微塑料的液层抽离后)进行取样观察检测,发现微塑料此时于水体中的平均浓度为13个/L。
Claims (5)
1.一种电解气浮除去水体中微塑料的方法,其特征在于:所述方法为,
(1)向分散有微塑料的水体中加入长链烷基胺与铜离子的络合物并混合充分,所述的长链烷基胺为十二胺;
(2)对步骤(1)中所得的混合水体进行电解处理,阳极和阴极均采用石墨电极。
2.如权利要求1所述的电解气浮除去水体中微塑料的方法,其特征在于:步骤(1)中所述的络合物由铜盐和长链烷基胺混合加热反应得到。
3.如权利要求2所述的电解气浮除去水体中微塑料的方法,其特征在于:所述的铜盐为硝酸铜或硝酸亚铜。
4.如权利要求1所述的电解气浮除去水体中微塑料的方法,其特征在于:步骤(1)中,先将所述的络合物分散于乙醇中,再将得到的络合物的乙醇分散液加入到所述水体中,所述络合物与所述乙醇的质量比为1:15~1:30。
5.如权利要求1所述的电解气浮除去水体中微塑料的方法,其特征在于:步骤(2)中,电解处理时所施加的直流电的电流密度为80~200A/m2。
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