1.一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置，其特征是：包括分离反应器部分（一）及过滤器部分（二），其中

分离反应器部分（一）包括：柱状反应体（6）、空气泵（3）、气体流量计（4）、曝气头（7）、出水阀门（8）、出水管（13）、进水阀门（5）、进水管（12）、蠕动泵（2）、储液杯（1）；出水阀门（8）与进水阀门（5）均位于柱状反应体（6）侧壁上，曝气头（7）置于柱状反应体（6）内底部，气体流量计（4）位于空气泵（3）与曝气头（7）之间相连的管道上，蠕动泵（2）一端通过进水管（12）与进水阀门（5）相连，另一端插入储液杯（1）液面以下，将储液杯中的浮选液泵入柱状反应体（6）中，出水管（13）一端连接在出水阀门（8）上，另一端自然下垂，将上层浮选液及其携带的密度较小的物质传输到过滤器部分；

过滤器部分（二）包括：滤膜（9）、回收瓶（10）、真空抽滤泵（11）；滤膜（9）位于出水管（13）下端，回收瓶（10）与真空抽滤泵（11）通过管道相连。

2.根据权利要求1所述的一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置，其特征在于：所述柱状反应体（6）内部设有溢流结构（14），使上层浮选液中密度较小的微塑料及其他物质通过该结构，更便于收集。

3.根据权利要求1所述的一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置，其特征在于：所述空气泵（3）与曝气头（7）之间连通的管道，一端与该空气泵（3）连接，另一端与曝气头（7）连接。

4.根据权利要求1所述的一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置，其特征在于：回收瓶（10）与真空抽滤泵（11）之间连通的管道，一端与回收瓶（10）上的抽气嘴连接，另一端与真空抽滤泵（11）连接。

5.一种采用权利要求1所述的环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置进行分离浮选方法，其特征在于：首先，出水阀门处于关闭状态，将所需浮选液倒入柱状反应体中，将空气泵打开，调节气体流量计，通入恒定的气体，通过曝气头使得气体分散成小气泡释放到浮选液中；然后，将样品从柱状反应体顶端慢慢倒入，样品全部倒入后，启动蠕动泵，将储液杯中的溶液泵入一部分至柱状反应体内，启动蠕动泵的同时打开出水阀门，上层浮选液携带着密度低的物质通过溢流结构，从出水管流出至下方的滤膜上，用真空抽滤泵进行抽真空，再用清洗液洗去盐基，最后，收集滤膜上的残留物，利用肉眼或体式显微镜观察滤膜上残留物中的微塑料颗粒；所述的浮选液为饱和氯化钠溶液与饱和碘化钠溶液按体积比1：1混合的溶液；所述的清洗液为去离子水；所述滤膜的孔径为0.45微米。

6.权利要求5所述分离浮选方法，其特征在于抽真空后的滤液收集在回收瓶中，重复使用。

7.采用权利要求5所述的环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置进行分离浮选方法在快速地从土壤或沉积物样品中分离出微塑料颗粒方面的应用。

技术领域

[0001]本发明属于环境污染物的前处理研究领域，涉及微塑料的分离浮选装置及方法，特别是针对环境土壤及沉积物样品中微塑料颗粒的分离浮选。

背景技术

[0002]微塑料一词于2004年由英国的Thompson首次提出，当时是用于描述小于50微米的塑料颗粒（Thompson,R. C.等，Lost at Sea: Where is All the Plastic Science,2004, 304, 838.）。2009年，在有关塑料海洋垃圾的出现、影响和归趋的国际学术研讨会上，Arthur提议“微塑料”应该包含所有小于5毫米的颗粒。目前为止对“微塑料”的尺寸还没有明确的定义，大多数人普遍认同其为粒径小于5毫米的塑料颗粒，但从直观上看，粒径小于1毫米更复合“微塑料”的定义，而且Browne通过对添马舰河口沙滩上的海洋碎片研究，发现其中小于1毫米的塑料颗粒占了65%（Browne, M.A.等, Spatial patterns of plasticdebris along estuarine shorelines. Environmental Science & Technology, 2010,3404-3409.）。

[0003]二十世纪中期以来，随着合成高分子材料的不断发展，全球范围内的塑料产品也在不断增多。由于塑料性能优良，具有质轻、化学性质稳定、良好的耐磨性、成本低等特点，因此被迅速广泛应用于生活和工业生产中。由于塑料制品的大量使用以及废弃塑料的不当处置，导致塑料污染日益严重。废弃塑料暴露在空气中，受到紫外照射、塑料间的机械碰撞、生物摄取等作用，就会分裂成更小的塑料颗粒，因而形成微塑料。微塑料由于体积较小，易被各类生物误食，也可能通过食物链威胁到人类健康。除此，微塑料中含有的各类有毒添加剂若释放到环境中，会对环境造成污染，对人类及其他生物产生危害。

[0004]至今为止已在世界多地的水体、土壤及沉积物中检测到微塑料的存在，甚至在北冰洋5570米深的海底沉积物中检测到大量的微塑料颗粒（Bergmann,M.等，HighQuantities of Microplastic in Arctic Deep-Sea Sediments from the HAUSGARTENObservatory. Environmental Science &Technology, 2017, 11000-11010.）。2012年以前，环境样品中微塑料的浮选大多采用传统的人工筛分及浮选方式（Hidalgo-Ruz, V. 等，Microplastics in the Marine Environment: A Review of the Methods Used forIdentification and Quantification. Environmental Science &Technology, 2012,3060-3075.），近年来出现了一些稍有改进的微塑料浮选方法，如德国Nuelle的提出的“两步法”提取沉积物样品中的微塑料颗粒（Nuelle,M.等，A New Analytical Approach forMonitoring Microplastics in Marine Sediments.Environmental Pollution, 2013,161-169.）等，但这些方法存在操作繁琐、耗时长等缺点。因此，研究一种操作简便、快速高效地从环境样品中分离出微塑料的装置及方法对将来的微塑料污染相关探索研究是必要的。

发明内容

[0005]本发明的目的是提出一种操作简便、快速高效的从环境土壤及沉积物样品中分离出微塑料的装置及方法，弥补传统方法中操作繁琐、耗时长的不足。

[0006]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007]一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置，其特征是：包括分离反应器部分（一）及过滤器部分（二），其中

[0008]分离反应器部分（一）包括：柱状反应体6、空气泵3、气体流量计4、曝气头7、出水阀门8、出水管13、进水阀门5、进水管12、蠕动泵2、储液杯1；出水阀门8与进水阀门5均位于柱状反应体6侧壁上，曝气头7置于柱状反应体6内底部，气体流量计4位于空气泵3与曝气头7之间相连的管道上，蠕动泵2一端通过进水管12与进水阀门5相连，另一端插入储液杯1中液面以下，其目的在于将储液杯中的浮选液泵入柱状反应体中。出水管13一端连接在出水阀门8上，另一端自然下垂；其目的在于将上层浮选液及其携带的密度较小的物质传输到过滤器部分。

[0009]过滤器部分（二）包括：滤膜9、回收瓶10、真空抽滤泵11；滤膜9位于出水管13下端，回收瓶10与真空抽滤泵11通过管道相连。

[0010]本发明所述的环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置，所述柱状反应体6内部设有溢流结构14，其目的在于使上层浮选液中密度较小的微塑料及其他物质通过该结构，更便于收集。

[0011]本发明所述空气泵3与曝气头7之间连通的管道，一端与该空气泵3连接，另一端与曝气头7连接。回收瓶10与真空抽滤泵11之间连通的管道，一端与回收瓶10上的抽气嘴连接，另一端与真空抽滤泵11连接。

[0012]本发明进一步公开了所述的环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置进行分离浮选方法，其特征在于：利用曝气及溢流的方法对土壤或沉积物样品中的微塑料颗粒进行分离浮选。首先，出水阀门处于关闭状态，将所需浮选液倒入柱状反应体中，将空气泵打开，调节气体流量计，通入恒定的气体，通过曝气头使得气体分散成小气泡释放到浮选液中；然后，将样品从柱状反应体顶端慢慢倒入，样品全部倒入后，启动蠕动泵，将储液杯中的溶液泵入一部分至柱状反应体内，启动蠕动泵的同时打开出水阀门，上层浮选液携带着密度低的物质通过溢流结构，从出水管流出至下方的滤膜上，用真空抽滤泵进行抽真空，再用清洗液洗去盐基，最后，收集滤膜上的残留物，利用肉眼或体式显微镜观察滤膜上残留物中的微塑料颗粒。抽真空后的滤液收集在回收瓶中，重复使用。所述清洗液为去离子水。所述的浮选液为饱和氯化钠溶液，密度为1.2 g/cm3、饱和碘化钠溶液，密度为1.8 g/cm3按体积比1：1混合的溶液；所述的清洗液为去离子水；所述滤膜的孔径为0.45微米。

[0013]本发明更进一步公开了所述的环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置进行分离浮选方法在快速地从土壤或沉积物样品中分离出微塑料颗粒方面的应用。实验结果显示本发明装置及方法可在10分钟内完成一次分离浮选，且分离浮选效果很好。

[0014]本发明主要解决了现有土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选方法操作繁琐、耗时长等问题，主要的难点在于即省时又高效地将微塑料颗粒从样品中分离浮选出来，为此先后考察了曝气条件、浮选液中饱和氯化钠溶液和饱和碘化钠溶液的体积比等条件，最后确定上述装置及方法。

[0015]本发明公开的环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置及方法与现有技术相比所具有的积极效果在于：

[0016]（1）本发明提出了一种曝气及溢流的方法对土壤或沉积物样品中的微塑料颗粒进行分离浮选，并且设计了相关分离浮选装置。该装置操作简便，能够高效快速地从土壤或沉积物样品中分离出微塑料颗粒，解决了传统微塑料分离浮选方法操作繁琐、耗时长等不足，本发明装置分离反应器部分和过滤器两部分组成。只需加入浮选液、通入气体、再倒入样品即可快速地分离出样品中的微塑料颗粒。

[0017]（2）适用范围广泛。本发明的装置及方法对从环境土壤及沉积物样品中分离浮选微塑料颗粒均适用，并且适用于分离多种类型的微塑料。

[0018]（3）经济、成本低。本发明所设计的装置制作成本低、选用的浮选液及其他溶液成本低廉、较为经济。

[0019]（4）环境友好型。本发明所设计的装置的材料及选用的浮选液及其他溶液均无毒无害，对环境污染较小，而且浮选液可重复利用，减小溶液对周围环境的污染。

附图说明

[0020]图1为本发明提供的环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置图；

[0021]其中：1储液杯；2蠕动泵；3空气泵；4气体流量计；5进水阀门；6柱状反应体；7曝气头；8出水阀门；9滤膜；10回收瓶；11真空抽滤泵；12进水管；13出水管；14溢流结构。

具体实施方式

[0022]下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用原料及试剂均有市售。

[0023]实施例1

[0024]一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置，包括分离反应器部分（一）及过滤器部分（二），其中

[0025]分离反应器部分（一）包括：柱状反应体6、空气泵3、气体流量计4、曝气头7、出水阀门8、出水管13、进水阀门5、进水管12、蠕动泵2、储液杯1；出水阀门8与进水阀门5均位于柱状反应体6侧壁上，曝气头7置于柱状反应体6内底部，气体流量计4位于空气泵3与曝气头7之间相连的管道上，蠕动泵2一端通过进水管12与进水阀门（5）相连，另一端插入储液杯液面以下，将储液杯中的浮选液泵入柱状反应体中，出水管13一端连接在出水阀门8上，另一端自然下垂，其目的是将上层浮选液及其携带的密度较小的物质传输到过滤器部分；

[0026]过滤器部分（二）包括：滤膜9、回收瓶10、真空抽滤泵11；滤膜9位于出水管13下端，回收瓶与真空抽滤泵通过管道相连。柱状反应体内部设有溢流结构14，其作用是使上层浮选液中密度较小的微塑料及其他物质通过该结构，更便于收集。空气泵3与曝气头7之间连通的管道，一端与该空气泵连接，另一端与曝气头连接。

[0027]实施例2

[0028]本发明利用曝气及溢流的方法对土壤或沉积物样品中的微塑料颗粒进行分离浮选并设计出相应分离浮选装置。具体操作如下：

[0029]一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置，包括分离反应器部分以及过滤器部分，其中分离反应器部分包括柱状反应体、空气泵、气体流量计、曝气头、出水阀门、出水管、进水阀门、进水管、蠕动泵、储液杯，过滤器部分包括滤膜、回收瓶及真空抽滤泵。所述出水阀门与进水阀门均位于柱状反应体侧壁上；所述曝气头放于柱状反应体内底部；所述气体流量计位于空气泵与曝气头之间相连的管道上；所述滤膜位于出水管下端；所述回收瓶与真空抽滤泵通过管道相连。所述柱状反应体内部设有溢流结构。

[0030]所述蠕动泵，一端通过进水管与进水阀门相连，另一端插入储液杯内液面以下。

[0031]所述空气泵与曝气头之间连通的管道，一端与该空气泵连接，另一端与曝气头连接。

[0032]所述回收瓶与真空抽滤泵之间连通的管道，一端与回收瓶上的抽气嘴连接，另一端与真空抽滤泵连接。所述出水管，一端连接在出水阀门上，另一端自然下垂。

[0033]实施例3

[0034]一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选方法，利用曝气及溢流的方法对土壤或沉积物样品中的微塑料颗粒进行分离浮选。首先，出水阀门处于关闭状态，将所需浮选液倒入柱状反应体中，将空气泵打开，调节气体流量计，通入恒定的气体，通过曝气头使得气体分散成小气泡释放到浮选液中；然后，将样品从柱状反应体顶端慢慢倒入，样品全部倒入后，继续曝气一定时间，启动蠕动泵，将储液杯中的溶液泵入一部分至柱状反应体内，启动蠕动泵的同时打开出水阀门，上层浮选液携带着密度低的物质通过溢流结构，从出水管流出至下方的滤膜上，用真空抽滤泵进行抽真空，再用清洗液洗去盐基，最后，收集滤膜上的残留物，利用肉眼或体式显微镜观察滤膜上残留物中的微塑料颗粒。

[0035]其中滤膜的孔径为0.45微米。浮选液为饱和氯化钠溶液（密度为1.2 g/cm3）和饱和碘化钠溶液（密度为1.8 g/cm3）按体积比1:0混合的溶液，即为纯的饱和氯化钠溶液；清洗液为去离子水。抽真空后的滤液收集在回收瓶中，重复使用。

[0036]其中气体的流量大小通过连接在空气泵与进气管之间管道上的气体流量计进行调节和测量。通过空气泵和气体流量计通入恒定的气流，通过曝气头将气体转化为小气泡均匀的释放到柱状反应体内的浮选液中，样品中的微塑料颗粒及其他密度低于浮选液密度的物质随着上部液体一起从出水阀门流出，通过出水管流至下方滤膜上，抽真空过程使得浮选液进入下方回收瓶中，收集后重复使用。

[0037]实施例4

[0038]分离浮选过程的具体操作步骤如下：

[0039]步骤1：将野外采集的土壤样品进行烘干（低于60℃）处理，用1mm孔径的筛网进行过滤，然后去除其中的全部微塑料颗粒，取200g处理后的土壤样品掺入研磨后的聚丙烯（PP）微塑料颗粒（质量约0.22657 g，直径均小于1mm），混合均匀。

[0040]步骤:2：配制1.3L的饱和氯化钠溶液，全部倒入柱状反应体中。

[0041]步骤3：打开空气泵向柱状反应体中通入恒定的气流，调节空气流量计使得气体流速为2 L/min，通过曝气头使得气体分散成小气泡释放到浮选液中后，将步骤1处理后的样品从柱状反应体顶端缓慢全部倒入。

[0042]步骤4：继续曝气30 s，关闭空气泵，启动蠕动泵（流速：0.09 L/min），将储液杯中的浮选液（饱和氯化钠溶液）泵入柱状反应体内。

[0043]步骤5：在启动蠕动泵的同时，打开出水阀门，密度较低的物质随着上层的浮选液通过溢流结构，从出水阀门通过出水管流至下方的滤膜上。

[0044]步骤6：在上层浮选液流至滤膜的同时，打开真空抽滤泵，上层浮选液全部流出后，直接向滤膜上倒入去离子水，继续抽滤，洗去盐基。

[0045]将滤膜上的浮选物质进一步处理后，分拣出其中的微塑料颗粒，称量其质量为0.22239g，计算出该微塑料分离浮选方法的回收率为98%。

[0046]实施例5

[0047]掺入处理后土壤样品中的微塑料种类为聚对苯二甲酸乙二酯（PET），浮选液为饱和氯化钠溶液（密度为1.2 g/cm3）和饱和碘化钠溶液（密度为1.8 g/cm3）按体积比1:1混合的溶液，其他步骤与实施例3相同，计算出其回收率为96%。

[0048]因此，在进行对实际样品中微塑料进行分离浮选时，浮选液采用饱和氯化钠溶液（密度为1.2 g/cm3）和饱和碘化钠溶液（密度为1.8 g/cm3）按体积比1:1混合的溶液。与目前现有的其他土壤或沉积物样品中微塑料分离浮选装置及方法相比，如陆光华等提出的一种微塑料浮选分离装置及其应用，步骤中仅搅拌并曝气即需15分钟，而张凯等提出的微塑料分离方法及装置需搅拌至少30分钟，利用本发明的装置及方法对土壤及沉积物样品进行微塑料分离浮选整个操作过程仅需10分钟，在缩短了时间的同时又保证了方法的高效性（加标回收率为96% - 98%）。

[0049]此外，目前现有的微塑料分离浮选方法的浮选液大多为纯的饱和氯化钠溶液或饱和碘化钠溶液，或者利用两步法，先用饱和氯化钠溶液，再用饱和碘化钠溶液。本发明方法利用两者的混合溶液，既可以高效的分离浮选出样品中的微塑料，又解决了单纯的饱和氯化钠溶液无法浮选出密度较大的微塑料颗粒以及单纯的饱和碘化钠溶液经济成本太高的问题，而且不需要利用两步法增加繁琐的操作。

[0050]综上，本发明提出的一种环境土壤及沉积物样品中微塑料分离浮选装置及方法可即快速高效的将微塑料颗粒从样品中分离浮选出来，又节省了成本，较为经济，具有较强的科研和商业实用性。