水环境中微塑料去除装置内部数值模拟特性及工艺研究

2022-04-13朱成杰赵茂俞杨朝忠刘伟男

绿色科技 2022年6期

朱成杰，赵茂俞，杨朝忠，刘伟男

(1.合肥学院生物食品与环境学院，安徽合肥 230601；2.合肥学院先进制造学院，安徽合肥 230601 )

1 引言

由于塑料制品具有轻便、价格低廉等优点，被广泛的应用于各个领域[1]。塑料制品作为高分子聚合材料，每年直接排放到环境中的塑料垃圾预计为480～1270 万t，严重影响到全球的水环境安全[2]。近年来，随着环境问题被日益关注，在全球范围内的海洋、湖泊和河流等水环境中均有不同尺寸和丰度的微塑料检出，并且在家庭饮用水、瓶装水和酒水饮料中均有检出[3,4]。目前针对水环境中微塑料的去除仍处于起步阶段，Ma等[5]研究了在小规模处理的情况下，混凝沉淀对聚乙烯颗粒的去除率。除此，紫外臭氧-生物活性炭()工艺被广泛应用于饮用水的深度处理[6]。JAID Sul等[7]研究了利用工艺去除引用水厂中微塑料颗粒，去除效率约为54.8%，此工艺具有处理周期长，去除效率低的缺点。崔圣达等[8]研究了利用强化混凝与微滤或超滤组合工艺去除污水中微塑料颗粒，通过投加混凝剂使之沉淀，再结合微滤与超滤技术，但是造成了水体的二次污染，投入的成本较高。了解各个工艺对于微塑料去除效能，降低去除水环境中微塑料的成本，扩展水环境中微塑料去除工艺，在此基础上，研发微塑料去除装置，目的是提高微塑料的去除效率，避免造成处理过程中的二次污染以及降低处理成本。

为了检测水环境中微塑料的去除效果，本文以安徽省合肥市巢湖水、校园风景湖湖水以及南艳湖公园湖水作为处理水样，研究此类水环境中微塑料的丰度、尺寸以及材料，分析处理工艺前后水样中含有微塑料的特性，探索了水环境中微塑料的去除工艺。

2 理论计算模型

2.1 离散相模型

水环境中微塑料的去除主要是指水环境中含有的微塑料颗粒通过微孔网过滤和活性炭吸附作用使之脱离于水体的过程。为了研究过滤过程中内部流场的变化，构建了离散相模型模拟水体中微塑料的实际轨迹和水流变化。

其离散相模型主要适用于颗粒相体积分数小于10%且具有明确的进出口，通过计算连续流场和变量求解水环境中微塑料颗粒的受力情况，该实验的水体中的微塑料颗粒的体积分数小于10%，在含有微塑料颗粒的流体中，颗粒与颗粒之间的相互作用和颗粒对于水流的影响不加以考虑，可以用离散相模型来模拟实际的情况[9,10]。颗粒实际作用力的平衡方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)中：u为流体相速度，up为颗粒速度，μ为流体动力粘度，ρ为流体密度，ρp为颗粒密度，dp为颗粒直径，Re为相对雷诺数，a1、a2、a3为常数，FD为单位质量曳力，CD为曳力系数，gx为x方向重力加速度，Fx为x方向其他作用力[11]。

2.2 仿真模拟

2.2.1 微塑料去除装置模型建立

微塑料去除装置主要是利用装置内部安装不同孔径的微孔铜网对水体中微塑料进行过滤，利用重力，去除后的水体从下方排出，微塑料颗粒附着于微孔网表面。微塑料的去除装置模型如图1所示。

图1 微塑料去除装置模型

2.2.2 数值分析

为更加直观地表现流场内部的压力变化以及微塑料颗粒在流场中的受力情况，将装置简化成长1.5 mm，宽为0.03 mm的二维微孔网，微孔间距为0.04 mm。①利用Fluent模拟仿真软件前置处理软件Gambit进行建模，然后将上方入口设定为速度进口，进口速度设定为0.01 m/s，下方出口设置为自由流出，两侧管壁和微孔铜网边界部分设置为wall。②将模型进行网格划分，由于模型是规则四边形，选择Map网格，最小单元设置为0.005 mm，生成四边形网格。为增加仿真结果的真实性，微孔铜网和管壁需进行不同尺寸单元进行划分，最小单元设置为0.001 mm。如图2所示。

图2 网格划分及边界设定

通过改变自变量的值，保证其余变量不变，获得流场内部的压力云图以及微塑料颗粒物的捕集率。以流速0.01 m/s，水体中加入直径为50 μm的微塑料颗粒为例，其压力和速度云图如图3～6所示。

图3 粒子的压力云图

图4 粒子的速度云图

图5 混合物速度云图

图6 混合物压力云图

不同孔径微孔铜网对于流体中微塑料的捕集率如表1所示。

表1 颗粒物捕集率 %

2.3 结果分析

(1)在微塑料的去除过程中，微孔铜网的孔径越大，微塑料逃逸的数目越多，捕集率越低，去除效率越差。

(2)流体中的压力大小与微塑料颗粒尺寸无关，只和进出口压力有关。

(3)水体中微塑料尺寸越大，粒子逃逸数量越小，捕集率越高，即去除效率越高。

3 实验材料及方法

3.1 实验材料

实验水样：实验所需水样均按照《中华人民共和国行业标准水质采样技术规程》中地表水采样标准进行采集。其中巢湖不同水域的3个水样，校园风景湖不同位置的3个水样以及南艳湖不同位置的3个水样。预处理使用的30%浓度过氧化氢溶液(H2O2)，100目微孔铜网、200目微孔铜网、500目微孔铜网，粒径为2～4 mm的椰壳活性炭和粒径为2～4 mm的果壳活性炭，微孔滤膜。采样当天的水样水质参数如表2所示。

表2 采样当天水质参数

3.2 实验装置及实验方法

(1)分别将水样进行编号，如表3所示。

(2)在所有水样中添加一定量的过氧化氢溶液，然后静置消化24小时,取A1/A2/A3，B1/B2/B3，C1/C2/C3,三组水样，通过孔径为0.25 μm的聚四氟乙烯滤膜抽滤。将抽滤后的聚四氟乙烯滤膜保存在用滤纸密封的培养皿中，放进风箱中风干后。去滤膜对表面残留物进行定性和定量分析。

(3)取a1/a2/a3，b1/b2/b3，c1/c2/c3三组水样，将三组水样通过去除装置过滤吸附后再依次通过聚四氟乙烯滤膜抽滤，保存烘干后取滤膜表面残留物质进行定量定性分析。

3.3 检测方法

(1)使用奥林巴斯BXFM模块化显微镜观察滤膜表面的微塑料，获得观察图像。将微塑料按照形态特征分类，主要有颗粒状、纤维状、片状、长条状。通过奥林巴斯BXFM模块化软件测量所观察微塑料尺寸[12]。

(2)将含有过滤物的聚四氟乙烯滤膜表面置于傅里叶红外光谱仪上，使用衰减全反射模式进行检测，波数范围设置在4500～600 cm-1，分辨率设置为4 cm-1，扫描时间设置为32 s。所获得的光谱使用Origin软件处理，处理图谱与《傅里叶变换红外光谱分析》数据库进行比对，从而确定聚合物的种类[13]。

(3)使用LabSpec 6软件操作显微拉曼光谱仪对微塑料进行定性分析，将所获得图谱通过LabSpec 6软件进行比对，从而鉴定微塑料的种类[14]。

3.4 检测内容

通过利用光学显微镜观察微孔铜网和聚四氟乙烯滤膜表面附着的微塑料的特性，确定水体中微塑料的丰度，形状。如图7～12所示。

图7 巢湖水样处理微孔铜网

图8 处理后巢湖水样滤膜

通过利用拉曼光谱仪检测滤膜上附着的微小颗粒物，定性分析水环境中微塑料的成分。通过拉曼光谱图比对含有的微塑料类型。拉曼图谱如13～15所示。

检测结果如表4所示。

图9 南艳湖水样处理微孔铜网

图10 处理后南艳湖水样滤膜

图11 校园湖水样处理微孔铜网

图12 处理后校园湖水样滤膜

图13 巢湖水样光谱

图14 南艳湖水样光谱

图15 校园湖水样光谱

4 结果分析

4.1 数据分析

4.1.1 水体中微塑料分布情况

在巢湖水样、南艳湖水样和校园湖水样中均检测到微塑料，处理前后各个水样中微塑料的信息如表4所示。结果表明：南艳湖水体中含有的微塑料种类以及数量最高，其原因可能是位于生活居民区且水体不流通，长年累月导致塑料积累；校园湖水体中微塑料含量次之；巢湖水体中微塑料含量最少，其原因可能是因为水域面积大，水体更替速度快等。南艳湖和校园湖水体中微塑料的种类较少，主要有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)以及聚氯乙烯(PVC)，主要原因为此类水体更接近于生活区，常见的塑料食品袋，电器开关元件以及电线电缆等生活用品较多，导致了水体中此类微塑料含量多。

表4 处理前后水样中微塑料特性

4.1.2 实验装置去除效率

由表4知，处理前后水样中微塑料含量变化明显，微塑料去除装置的去除效率分别为90.79%、91.51%、93.11%。根据光学显微镜观察得知，水体中去除的微塑料尺寸大于30 μm的占据微塑料污染的主导地位；聚四氟乙烯滤膜上留存的微塑料只占未处理水样中的1/10，且外形尺寸≤40 μm。

4.1.3 微塑料去除特性分析

对于水环境中尺寸在100～500 μm之间的微塑料颗粒，实验装置的去除效率与仿真模拟数据较为接近，更甚优于数值模拟结果，其原因可能因为微塑料颗粒在微孔铜网表面堆积，从而形成更小的孔隙，使得去除效率提升。水环境中尺寸≤40 μm的微塑料颗粒(其中以纤维状为主)，实验装置的去除效率低，去除效果较差。随时间流逝，水体中微塑料去除难度将增加。处理后的水样中微塑料的存在形式主要为纤维状，且水体中微塑料种类不会随着数量的减少而降低。