טכניקות כימיות מתקדמות להסרת מיקרופלסטיקה ממקורות מים

הבנת מיקרופלסטיקה והשפעות סביבתיות

מיקרופלסטיקה – המוגדרת כחלקיקים מפלסטיקים קטנים מ-5 מ"מ – הפכה לאחת מהמזהמים הנפוחים ביותר במערכות מים גלובליות. הם מקורם משני מקורות עיקריים: מיקרופלסטיקים ראשוניים, המיוצרים בגודל זה (למשל, מיקרובים בקוסמטיקה, אברמנטים תעשייתיים), ומיקרופלסטיקים משניים, אשר תוצאה של פיזור של פסולת פלסטיק גדולה יותר באמצעות קרינה UV, שחיקה מכנית, ושפלת, פעם לתוך פני מים טבעיים, ושפל, אפילו.

ההשלכות האקולוגיות הן עמוקות.מיקרופלסטיקים מועסים על ידי מגוון רחב של אורגניזמים, מ- zooplankton ועד דגים, ציפורים ויונקים ימיים.הם יכולים לחסום את דרכי העיכול, לגרום לשקע כוזב, ולטעימים תוספים כימיים כגון bisphenol A (BPA) ו-phthalates לפעול כמו וקטורים עבור פתוגנים ומזהמים אורגניים (POP), אשר זיהו את חומרי גלם הדם הכרוזמיים, אפילו, כולל קרינת מים דלקתיים, וזיהומים.

בגלל הגודל הקטן שלהם, צפיפות נמוכה, וחוסר אינרציה כימית, microplastics מציב אתגרים ייחודיים לטיפול במים קונבנציונליים. שיטות מסורתיות כגון סימנטציה, סינון חול, וכלור אינם יעילים לעתים קרובות בלכידת חלקיקים מתחת 20 מיקרומטר. פער זה הוביל את הפיתוח של גישות כימיות מתקדמות שיכולה לצבור באופן סלקטיבי, degrade, או להפוך microplastics לתוך מוצרים בלתי מזיקים.

טכניקות כימיות מתקדמות ל- Microplastic Removal

מחקר עכשווי מתמקד בתהליכים כימיים המנצלים את הכימיה, הקוטב והפעילות מחדש של המיקרופלסטים.הטכניקות המבטיחות ביותר נופלות לשלוש קטגוריות רחבות: ריצוף ההדבקה, תהליכי חמצון מתקדמים (AOPs), ואסטרטגיות לשינוי פני השטח.כל שיטה מתמקדת בהיבטים שונים של התנהגות מיקרו-פלסטיק, ומשלב אותם יכולים להניב יעילות סינרגיולוגית.

Coagulation ו- Flocculation with Chemical Coagulants

Coagulation-flocculation הוא תהליך טיפול במים מבוסס היטב אשר מותאם להסרת מיקרופלסטי. העיקרון כרוך בערעור ההתנגשות של microplastics על ידי הוספת coagulants כימי - מלחי מתכת נטולי רחמים כגון chloride ferric (FeCl3) או אלומיניום sulfate (Al2(SO4). אלה לנטרל את פני השטח שלילי של חלקיקים פלסטיים, המאפשרים לדחוסים יותר, כדי להגדיר אותם לתוך משטח גדול יותר.

מחקרים אחרונים יש אופטימיזציה של המינון, pH, ושילוב התנאים כדי לשפר את הריצוף של סוגים פולימרים שונים.לדוגמה, פוליאתילן (PE) ופוליפרופילן (PP) מוסרים ביעילות ב- pH 6-8 עם 10-30 מ"ג / L של chloride ferric.הflocs וכתוצאה מכך ניתן להפריד על ידי סימנטציה, מתמוסס אוויר, או filation חול עשוי לדרוש חלקיקים גבוהים יותר.

יתרון אחד של coagulation כימי הוא תאימות שלה עם תשתיות צמחיות קיימות.צמחים רבים של טיפול עירוני יכול ליישם coagulation מיקרופלסטי-טרנטי עם שינויים קטנים.עם זאת, הטכניקה מייצרת סלחה כי יש לנהל, וצלומי מתכת שאריות יכול להשפיע על איכות המים.מחקר מתמשך חוקר קו-קלנטים ידידותיים לסביבה כגון שיאטוסאן (דרדר מדגים) ובסיס צמחיים, אשר מציעים פגזים ביולוגיים.

(ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תהליכי Oxidation מתקדמים (AOPs)

תהליכי חמצון מתקדמים משתמשים במינים תגובתיים מאוד - במיוחד רדיקלים הידרוקסיל (OH) - כדי לפרק את המזונאים האורגניים. עבור מיקרופלסטיקה, AOPs יכולים לחלק שרשראות פולימרים, להחמצן קבוצות פונקציונליות משטח, ובסופו של דבר למינרל את הפלסטיק לתוך CO2 ומים. Common AOPs החלים על הפחתת מיקרופלסטיקה:

(FLT:0)Ozone (O3) - טיפול מבוסס: ההרחבה 1 (Ozone) הוא חמצון חזק כי התקפות אג"ח כפול פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן פחמן כפול טבעות ארומטיות נוכחיות מפלסטיק כמו פוליסטרון (PS) ופולימיד (PA) או או אוזון ישיר יכול להפחית מסה מיקרופלסטית ב -30 עד 50% בתוך 30 דקות תחת pH מותאם (> שילוב של O3 עם מימן ל-O2 / 2 / 2 / 2 / 2 OH2) או יותר.
(FLT:0)UV / H2O2 photolysis:BuildFLT ( 1 Ultraviolet Light (254 nm) מתפזר מימן peroxide לשני רדיקלים hydroxyl. שיטה זו הוכחה כדי להפחית את הפוליאתילן terephthalate (PET) מיקרופימברים עד 90% לאחר 60 דקות בריכוז H2O של 10 mM טבעי יכול להיות טיפול אורגני.
(FLT:0)Fenton ו- photo-Fenton תגובות: ElementFLT:1 התגובה פנטון קלאסית (Fe2+H2O2 OH + + OH + OH-) יעילה ב- pH חומצי (2.8-4. Photo-Fenton (עם אור UV / בלתי-משותף) regenerates Fe2+, ומאפשרת מחקר מתמשך > 80% של תנאים מיקרו-אמפטיים מתחת ל- 100 דקות לאחר הסרת מיקרו-Fenton (2 / 100 דקות) לאחר אור אולטרה-Fenton) לאחר 20/100).
(FLT:0) חמצון אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות כימיות: AOPs אלקטרו-כימיקליים (שימוש ביהלום ברוטן-דופד (BDD) או תחמוצת מתכת מעורבת (MMO) מייצרים אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרודות אלקטרו-כימיות (mMO) לייצר OH ישירות על פני השטח של aode. שיטה זו מונעת אחסון כימי והובלת, מה שהופך אותו מתאים לטיפול במים מבוזרים.

AOPs יש את היתרון של מינרליזציה מלאה, לא להשאיר זרם פסולת משני למעט CO2. עם זאת, הם אנרגיה-intensive ועשויים ליצור תוצרי לוואי רעילים (למשל, broside מ ozonation של מים המכילים Bromide) שילוב AOPs עם טיפול ביולוגי יכול להפחית את הביקוש אנרגיה: חמצון חלקי הופך את מקטעי הפלסטיק ליותר biodegradable, המאפשר מיקרובים לסיים את העבודה.

שינוי פני השטח ותפקוד

במקום להרוס מיקרופלסטיקה, טכניקות לשינוי פני השטח לשנות את התכונות הכימיות של החלקיקים כדי להקל על הפרדה או לשפר את פעילותם מחדש.

(FLT:0) ציפוי הידרופילי: FIRLT:1 ; מיקרופלסטים הם הידרופוביים טבעיים, אשר מקדם את התוקפנות שלהם עם מזהמים הידרופוביים אחרים והופך אותם צפים.אט עם גולשים (למשל, נתרן דודילו את המים שלהם), או פוליאלקטרוניקה (למשל, פוליאתמילין) מגביר את המים שלהם, וגרם לשקועפתם, כדי לשקוע אותם כדי לשקוע, כדי לשקוע אותם בזמן שהם עלולים.
(FLT:0 Magnetic Seeding: FLT:1אנדרה על ידי מודעות של חלקיקים של ברזל על משטחים מיקרופלסטיים, חלקיקים לצבור רגישות מגנטית.שדה מגנטי יכול אז לרכז את חלקיקים מפלסטיק-לדן, המאפשר הסרת קל. שיטה זו הוכח עבור PE ו- PET בקנה מידה מעבדה, השגת "שיקום 90%"
(FLT:0Chemical crosslinking:FLT:1) סוכנים כימיים תגובתיים (למשל, גלוטארליידיד, carbodiimide) יכולים לחצות amine או קבוצות carboxyl על פלסטיק פונקציונלי מבוזר, יצירת רשתות גדולות יותר המסנן.טכניקה זו מבטיחה במיוחד עבור פלסטיקים ביו-מרוד (A, PHA) שיש להם קבוצות reactive Reactrererererererererererererererere.

שינוי פני השטח הוא לעתים קרובות צעד טרום טיפול; זה הופך microplastics aable להפרדה פיזית מאוחרת (סינון, הפליטה, הפרדה מגנטית) כי הפלסטיק עצמו אינו נהרס, הפסולת המרוקנת עדיין דורשה סופי או חידוש.

טכנולוגיות מתפתחות: ננו-חומרים וקטאליזה

פריצות דרך חדשות במדעי החומרים הציגו גישות כימיות חדשניות הפועלות ב- nanoscale.טכניקות אלה נועדו לשלב שטח על פני השטח גבוה, מודעות סלקטיבית ופעילות קטליטית.

צילום: Photocatalytic Degradation

Semiconductor photocatalysts כגון טיטניום דו-חמצני (TiO2), תחמוצת אבץ (ZnO), ו nitride פחמן גרפיטי (g-C3N4) לייצר זוגות חור אלקטרוני תחת אור גלוי. אלה ספקים מטען לנהוג תגובות בצבע אדום לייצר OH ו anoxides (O2-), המסוגלות לדה-microplastics לדוגמה, 242moפלסטיקה לתוך ספקטרום חמצן מוגברת.

יתרון משמעותי של photocatalysis הוא כי הוא משתמש אור השמש כמקור אנרגיה, המציע גישה ירוקה.עם זאת, צפיפות נמוכה של חלקיקים פלסטיק מגביל מגע חלקיקים-קטאליסט; כור מיטה נוזלי או קרום פוטו-קטליטי יכול להתגבר על זה.חוקרים גם לחקור Z-scheme heterojunctions (למשל, BVO4 / W3) כי מטען נפרד מובילות ביעילות יותר, להגביר את אחוזי הפחתת הפחתת הפחתת הירכיים.

מודעות כימיות על חומרים פונקציונליים

אדים היא תהליך פיזי-כימי שבו מיקרופלסטיקים לדבוק בסורה מוצקה באמצעות כוחות ואן דר וואל, אינטראקציות אלקטרוסטטיות או חיבור מימן.

(FLT:0) מסגרות אורגניות (MOFssenti): 1:1 חומרים גבישיים אלה יש אזורים על פני השטח גבוהה (עד 7000 m2 /g) וגודלי טונה ble pore. MIL-101(Cr) ו UiO-66(Zr) הראו מודעות סלקטיבית של מים ננופלסטיים מ, השגת יכולות מעל פני פלסטיק / Fgol.
(FLT:0)Graphene oxide (GO) וצמצם את GOOVA:FLT:1 הקבוצות פונקציונליות החמצן על גבי גליונות GO אינטראקציה חזקה עם חלקיקים מפלסטיק הקוטב כמו ניילון ו- PET. mbranes יכול לסנן > 99% של מיקרופלסטיק מעל 1 מיקרומטר תוך שמירה על שטף מים גבוה.
(FLT:0Cellulose ננוקריסטלs (CNCs): FLT:1 דרביד מביומסה, CNCs יכול להיות שונה מבחינה כימית עם קבוצות ic למיקרופלסטיק נזיקין באופן אלקטרוסטטי.הם biodegradable ולא רעיל, מה שהופך אותם מתאימים לטיפול במים הניתנים להחלפה.

שיטות אדסנסציה הן מהירות ולא לייצר תוצר לוואי מזיק, אבל הם דורשים חידוש תקופתי או סילוק של סוברים בילו.שלב מודעות עם ההשפלה הקטליטית - למשל, ציפוי MOF עם photocatalyst - יכול לשלב לכידת והרס בשלב אחד.

כימיקלים-Enhanced Membrane Filtration

תהליכי Membrane כמו אולטרה-סינון (UF) וננו-filtration (NF) דוחים פיזית חלקיקים, אך עבירה על ידי מיקרופלסטיקים מפחיתה את היעילות.שיפור כימי משנה את פני השטח של קרום או את הכימיה של מים להאכיל כדי להפחית את הדחייה ולשפר את הסירוב.

(FLT:0) Hydrophilic פוליגרפי: ראטמפטפט ( 1:1 מדביק פוליווינילidene fluoride (PVDF) membranes עם פוליויניל אלכוהול (PVA) או פולימרים זרוטאריים מפחית אינטראקציות הידרופוביות עם פלסטיק, שמירה על פלוקס.
(בשורה התחתונה: 1) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ (=בשורה 1) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
(FLT:0) אוקסידטיבית שטיפת גב: FLT:1 מעת לעת החלת אוזון או מימן peroxide למשטח membrane מדגמת פרסומות של מיקרופלסטיקה, להחזיר את ההסתברות.

סינון membrane כבר מצופה בצמחים לשימוש במים.שילוב של מחסומים כימיים וגופניים מבטיח יעילות הסרה גבוהה (>99%) עבור חלקיקים עד 100 nm.

אתגרים ושיקולים

למרות ההבטחה של טכניקות אלה, יש לטפל בכמה מכשולים לפני אימוץ נרחב:

מורכבות:0 (Multitric:0) מורכב: חומר אורגני טבעי (NOM), מלחים, ו מוצקים אחרים מושעה יכולים להפריע לתגובות כימיות, לצרוך חמצון, או להתחרות באתרי מודעות.
(FLT:0)אנרגיה ועלות: FLT:1AOPs ומערכות פוטו-קטליטיות דורשות קלט אנרגיה ( מנורות UV, חשמל) Scale-up עבור כרכים גדולים נשאר יקר בהשוואה לטיפול קונבנציונלי.
(FLT:0) היווצרות של מוצרי לוואי: FLT:1 in Complete oxidation יכול ליצור שברים פלסטיק קטנים יותר (nanoplastics) או ביניים רעילים כגון aldehydes וחומצות Carboxylic.
פערי רגולציה וסטנדרטיזציה: לא קיים פרוטוקול אוניברסלי למדידת יעילות הסרה מיקרופלסטית.מחקרים שונים משתמשים בגדלים שונים, סוגים פולימרים ויחידות (מסת לעומת ספירה).

כיוונים עתידיים וגישות משולבות

האסטרטגיה היעילה ביותר להסרת מיקרופלסטי יהיה ככל הנראה כרוך בגישה רבת-תחומית המשלבת שיטות כימיות, פיזיות וביולוגיות.לדוגמה, רכבת טיפול יכולה לכלול:

בדיקה ראשונית והסרת גרפיט (פיזית)
קידוד כימי + סימנטציה (aggregation)
חמצון מתקדם (השפל חלקי)
מנברן ביולוגי (ביולוגי + פיזי)
פולין עם מודעות פחמן מופעל או MOF

מערכות היברידיות כאלה יכולות לנצל את נקודות החוזק של כל טכניקה תוך ניכוי חולשות.אינטליגנציה מלאכותית ולמידה מכונה מוחלים על אופטימיזציה של מינון כימי ובקרת תהליכים בזמן אמת, צמצום צריכת הכימיה ושימוש באנרגיה.

גבול נוסף הוא התפתחות של פלסטיקים ביו-דידגרדיים כי הם פחות מתמידים. בעוד לא טכניקת הסרת, איסור או phasing חומרים פולימרים בעייתיים (למשל, קצף פוליסטרון, microbeads) מפחית את העומס המקור. טיפול כימי יכול להתמקד בזיהום ופרקים בלתי נמנעים.

(ב) [15] ,5 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מסקנה

הסרת המיקרופלסטים ממקורות מים דורש אסטרטגיות כימיות חדשניות שאינן מעבר לסינון קונבנציונלי ומשקעים. coagulation-flocculation, תהליכי חמצון מתקדמים, ושינוי פני השטח הראו יעילות משמעותית בקנה מידה מעבדה וטייסים. טכנולוגיות מתפתחות.כגון פיזור פוטו-טקליטי, מודעות מופטיות, ודימום משופר מבחינה כימית - מסלולים גבוהים יותר ליעילות גבוהה יותר וקיימות.

טיפול במשבר המיקרופלסטי ידרוש שילוב של צמצום מקור, טיפול משופר במים, ומסגרות מדיניות המגבירות את החדשנות.המשך המחקר לטכניקות כימיות מתקדמות, בשילוב עם עיצובי טיפול משולבים, מחזיק את המפתח להגנה על מערכות אקולוגיות מימיות ושמירה על בריאות האדם מפני האיום המעמיק של זיהום מיקרו-פלסטיק.