一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置及方法

1.本发明涉及水环境保护领域，具体是一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装及方法。


背景技术：

2.微塑料污染已成为全球环境关注的问题。研究表明，单独的微塑料以及与污染物结合都可能对生物和人类造成重大伤害。微塑料在各种环境压力下的老化增加了其环境命运的不确定性。微塑料的老化受各种因素的影响，实地探究老化过程难度较大，所以目前越来越多的研究者采用模拟的手段实现这一目标。与真实环境条件相比，实验室模拟老化简化了研究的程序，便于探究其内在机理。
3.在自然环境中，流域水环境微塑料不仅受到紫外线辐射、温度波动、化学氧化、生物作用等影响，也受到水力学条件的影响(如流速、流量等)，自然条件下微塑料老化过程是一个复杂的体系。目前紫外线辐射、热氧化、化学氧化等已常用于模拟各种环境压力下的微塑料老化，然而单个模拟因子的应用很难充分反映实际的老化过程。目前尚未实现多种因素(水环境、水力学条件等)共同作用下微塑料老化的完整评估。因此，设计开发模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置，缩小微塑料老化实验室模拟与实际条件之间的差距至关重要。
4.目前关于微塑料老化的专利报道十分有限。在发明专利为“一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统(申请号： cn202010998792.1)”中，公布了一种用于模拟自然环境条件下微塑料老化的人工湿地系统，主要包括湿地装置和出水装置，两个装置之间用水管或管道相连接。湿地装置从左至右依次为浇筑的防渗层、配水槽、连接装置、小砾石层、集水槽以及出水装置，其中土壤层种植有净水植物；湿地装置主体由玻璃材料构成，底部一侧边外侧设有出水阀门，连接出水管；出水管下方连接一个蓄水箱，蓄水箱连上带开关的水泵，可以使出水装置的水重新流回湿地装置。该装置主要利用人工湿地来模拟自然环境的再现，模拟微塑料在自然环境下的老化迁移，而对自然环境条件下流域水环境不同水环境、水力学条件的变化对微塑料老化的影响没有阐述。在实用新型为“一种微塑料紫外线老化试验装置(申请号：cn202022725626.2)”中，公布了一种微塑料紫外线老化试验装置，主要由试验箱和与其连接的操作箱组成，试验箱分为储液腔和老化腔；储液腔的顶部设有进液口，储液腔的底部设有超声雾化片；老化腔内部设有叶风扇、无极紫外灯、置物盘和废料口；该装置具有紫外线老化功能，也有高温和雾盐老化功能。但该装置微塑料老化模式单一，主要采用紫外照射的方式，与实际水环境模拟差别较大。基于专利检索，目前对于针对流域水环境，设计相应的装置或设备进行水体微塑料老化模拟还未见报道。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置及方法，具有结构简单、运行成本低、操作便捷，可适用于多种环境场景下流域水环境
微塑料老化模拟，本发明对于系统评估流域水环境微塑料的老化过程及其潜在的影响，以及降低微塑料的危害和风险评估的不确定性具有非常重要。
6.一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置，包括上端开口的环形水槽、盖设于环形水槽上端开口的活动式密闭盖、设于环形水槽的温度控制器、电磁流速仪和变频循环泵、微孔曝气单元、网状金属板、与环形水槽连通的化学氧化投加单元，其中若干网状金属板呈竖直间隔设于环形水槽中，网状金属板上均匀布设有微生物固定化材料，微孔曝气单元设于网状金属板一侧，化学氧化投加单元用于向环形水槽加入加速老化微塑料的化学物质，所述活动式密闭盖内布设有光源；所述温度控制器用于实时控制和观测水槽内水体温度，所述电磁流速仪用于实时显示水体流速及流量；所述变频循环泵用于根据电磁流速仪检测的实时流速和实时流量控制水体在预设的流速及流量。
7.进一步的，所述加速老化微塑料的化学物质包括芬顿试剂、过氧化氢、过硫酸盐、臭氧中的一种或几种的混合。
8.进一步的，所述微孔曝气机上设有曝气管，所述微孔曝气机通过曝气管向水体曝气充氧气或氮气。
9.进一步的，所述环形水槽的直线管道长度为2000mm，两端弯道内径为400mm，外径500mm，槽管截面为长方形，高120mm
×
宽 100mm。
10.进一步的，所述网状金属板为长方形，高100mm
×
宽80mm。
11.进一步的，所述光源采用日光灯、氙灯或紫外灯。
12.一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化方法，利用上述老化装置进行，所述方法包括如下步骤：
13.(a)模拟微塑料老化试验所需的流域水环境、水力学条件：打开活动式密闭盖，向环形水槽中加入含微塑料的水样，基于待模拟水域水环境条件和水力学条件，通过进水口添加电解质、外源污染物、悬浮泥沙，通过温度控制器、电磁流速仪、变频循环泵和微孔曝气机相互配合，模拟微塑料老化试验所需的流域水环境、水力学条件，其中水环境条件包括实际水温、溶解氧、ph、外源污染物，所述水力学条件包括流速、悬浮泥沙；
14.(b)光辐射老化微塑料模拟试验：基于步骤(a)模拟微塑料老化试验的流域水环境、水力学条件，启动活动式密闭盖内布设的光源，微塑料聚合物吸收光能量形成聚合物自由基，通过氧加成和氢提取形成氢过氧化物，然后通过光化学反应导致微塑料长链的断裂或交联，实现不同类型光源模拟微塑料老化试验；
15.(c)化学氧化老化微塑料模拟试验：基于步骤(a)模拟微塑料老化试验的流域水环境、水力学条件，启动化学氧化投加单元添加加速老化微塑料的化学物质，利用产生的强活性自由基与微塑料发生氧化反应，加速老化微塑料过程；
16.(d)微生物老化微塑料模拟试验：基于步骤(a)模拟微塑料老化试验的流域水环境、水力学条件，将微生物固定化材料平铺均匀固定在网状金属板上，然后将网状金属板插入装置插槽内，实现微生物固定化材料上微生物酶的生长和富集，微生物酶进入到微塑料聚合物的活性位置发生渗透作用，使微塑料的长链断裂，生成较为稳定的小分子产物。
17.进一步的，所述加速老化微塑料的化学物质包括芬顿试剂、过氧化氢、过硫酸盐、臭氧中的一种或几种的混合。
18.本发明构建一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置，通过各单元间的协
同优化组合，实现流域水环境条件、水力学条件的精细化模拟，同时集合光辐射、化学氧化、微生物降解等多种功能于一体，通过不同作用机制可以进行单一因素和多因素复杂环境的微塑料老化模拟，具有运行成本低、操作便捷，综合性能测试周期短、试验重复性高的特点，且能更真实地反映流域水环境微塑料老化过程，为目前流域水环境微塑料老化试验提供一种全新的思路。
附图说明
19.图1是本发明一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置其中一个实施例的立体图；
20.图2是本发明一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置其中一个实施例的俯视图；
21.图3是本发明一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置其中一个实施例中反应单元的立体结构图。
22.图中：1—活动式密闭盖，2—温度控制器，3—电磁流速仪，4—变频循环泵，5—进水口，6—化学氧化投加单元，7—微孔曝气单元， 8—曝气管，9—插槽，10—网状金属板，11—微生物固定化材料，12—出水口，13—光源，14—环形水槽。
具体实施方式
23.下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
24.参照图1、图2，本发明实施例提供一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化装置，包括上端开口的环形水槽14、盖设于环形水槽14上端开口的活动式密闭盖1，所述环形水槽14为钢化玻璃材质，依据试验需要，可以敞口或密闭。所述环形水槽14的直线管道长度为2000mm，两端弯道内径为400mm，外径500mm，槽管截面为长方形，高120mm
×
宽100mm。
25.所述环形水槽14的其中一个直线管道中设有与控制系统连接的温度控制器2、电磁流速仪3和变频循环泵4，所述温度控制器2用于实时控制和观测水槽内水体温度，所述电磁流速仪3用于实时显示水体流速及流量；所述变频循环泵4用于根据电磁流速仪3检测的实时流速和实时流量控制水体在预设的流速及流量；所述电磁流速仪3 与变频循环泵4的距离约为1000mm，试验水体的流向为顺时针方向。
26.所述环形水槽14与进水口5和出水口12连通，出水口12处设有止水阀，所述进水口5与化学氧化投加单元6连接，所述化学氧化投加单元6用于通过进水口5向环形水槽14加入加速老化微塑料的化学物质，例如芬顿试剂、过氧化氢、过硫酸盐以及臭氧等，如选用过硫酸盐，则过硫酸盐溶液采用过一硫酸氢钾配置，固液比 1:10～1:20。打开活动式密闭盖1，向环形水槽14中加入包含一定量微塑料的水样，所述微塑料可选择水环境中常见的聚乙烯(pe)、聚氯乙烯(pvc)、聚丙烯(pp)、聚苯乙烯(ps)等，尺寸范围100nm-5000nm，方便定期取样分析水体微塑料老化情况。
27.请结合参考图3，所述环形水槽14的另外一个直线管道作为反应单元a，包括设于环形水槽14底部的若干微孔曝气单元7、若干插槽9，所述插槽9中插接固定有网状金属板10，所述网状金属板 10上布设有微生物固定化材料11，所述微生物固定化材料11可为活性碳纤维。
28.所述微孔曝气机7上设有曝气管8，通过曝气管8向水体曝气充氧气或氮气，所述微孔曝气机7至少设置3组，基于流域水环境溶解氧情况，准确设置曝气强度和曝气时间，模拟水体溶解氧含量。
29.所述插槽9用于固定网状金属板10，网状金属板10材质为金属不锈钢材质，方便从插槽里插入或拔出，网状金属板10为长方形，高100mm
×
宽80mm。
30.所述微生物固定化材料11平铺均匀，固定在网状金属板10上，防止微生物固定化材料11直接进入水体，然后将网状金属板10插入插槽9内，插槽9间距200mm，至少设置4组，然后启动变频循环泵4，设置流速0-1m/s，通过电磁流速仪3显示水流速度，试验过程中可以在出水口12取样分析微塑料老化情况，基于羰基指数(o/c 或ci)，建立微塑料老化程度与老化时间的关系，评价不同工况对微塑料老化的响应关系。
31.所述微生物固定化材料11可选择活性碳纤维：称取一定量市售定制的活性碳纤维，将其固定至网状金属板10上，活性碳纤维具有良好生物相容性，是一种高吸附性能的生物膜载体，可使微生物在短时间内大量粘附在其表面，用于微生物作用下的微塑料老化。
32.所述反应单元a中水槽上端的活动式密闭盖1内布设光源13，设置4组，光源13可设计为球形，直径为60mm，依据实验需要，可开启或关闭，光源13可采用普通日光灯、氙灯、紫外灯等，选择瓦数为5-200w可调。
33.本发明实施例提供的老化装置，可实现流域水环境条件(如水温、溶解氧、ph及外源污染物等)、水力学条件(如流速、悬浮泥沙等) 的模拟，同时引入光辐射、化学氧化、微生物降解等多种技术手段进行微塑料综合老化过程试验，综合性能测试周期短、试验重复性高，且能更真实地模拟流域水环境微塑料老化过程。
34.本发明实施例还提供一种模拟自然条件下流域水环境微塑料老化方法，采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：
35.(a)模拟微塑料老化试验所需的流域水环境、水力学条件：打开活动式密闭盖1，向环形水槽14中加入含一定量微塑料的水样，基于待模拟水域实际水温、溶解氧、ph、外源污染物等水环境条件，以及流速、悬浮泥沙等水力学条件，通过进水口5添加适宜的电解质、外源污染物、悬浮泥沙等，通过温度控制器2、电磁流速仪3、变频循环泵4和微孔曝气机7相互配合，模拟微塑料老化试验所需的流域水环境、水力学条件；
36.(b)光辐射老化微塑料模拟试验：基于步骤(a)模拟微塑料老化试验的流域水环境、水力学条件，启动活动式密闭盖1内布设的光源13，微塑料聚合物吸收光能量形成聚合物自由基，通过氧加成和氢提取形成氢过氧化物，然后通过复杂的光化学反应导致微塑料长链的断裂或交联，实现不同类型光源(日光灯、氙灯、紫外灯等)模拟微塑料老化试验；
37.(c)化学氧化老化微塑料模拟试验：基于步骤(a)模拟微塑料老化试验的流域水环境、水力学条件，启动化学氧化投加单元6，可选择芬顿试剂、过氧化氢、过硫酸盐以及臭氧等，利用产生的强活性自由基(如羟基自由基
·
oh、超氧自由基
·o2-、硫酸根自由基
·
so
4﹣
等) 与微塑料发生氧化反应，加速老化微塑料过程；
38.(d)微生物老化微塑料模拟试验：基于步骤(a)模拟微塑料老化试验的流域水环境、水力学条件，称量一定量微生物固定化材料 11，平铺均匀固定在网状金属板10上，然后将网状金属板10插入装置插槽9内，实现微生物固定化材料11上微生物酶的生长和富集，微生物酶进入到微塑料聚合物的活性位置发生渗透作用，使微塑料的长链断裂，生成较为稳
定的小分子产物。
39.本实施例提供的老化方法，可实现流域水环境条件、水力学条件的模拟，同时进入光辐射、化学氧化、微生物降解等多种技术手段，分别通过不同作用机制(聚合物自由基、活性自由基、微生物酶等) 实现微塑料老化过程模拟。
40.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。