Инновационные подходы к осадку для удаления микропластика из источников воды

Микропластики стали одним из наиболее распространенных и трудно управляемых загрязнителей в глобальных водных системах. Эти мелкие пластиковые фрагменты, обычно определяемые как частицы размером менее 5 миллиметров, были обнаружены в пресноводных водоносных горизонтах, подземных водоносных горизонтах, прибрежных зонах и даже отдаленных полярных ледяных кернах. Их повсеместное распространение происходит из широкого спектра источников - косметики и продуктов личной гигиены, синтетических волокон одежды, износа шин, промышленных гранул и медленной фрагментации более крупного пластикового мусора. После выпуска в окружающую среду микропластики сопротивляются естественной деградации, сохраняются в течение десятилетий и могут адсорбировать токсичные химические вещества, становясь переносчиками загрязняющих веществ. Последствия для здоровья человека - эндокринные нарушения, воспаление, окислительный стресс и потенциальная передача в ткани через прием внутрь или ингаляцию - все еще находятся под активным исследованием, но принцип предосторожности требует срочного смягчения.

Традиционные процессы очистки воды, такие как обычная фильтрация песка, коагуляция с квасцами и флоккуляция, не были разработаны с учетом микропластиков. Их малые размеры и низкая плотность позволяют многим частицам проходить через стандартные фильтры и прояснители, часто достигая скорости удаления ниже 70% для частиц размером менее 100 микрометров. Следовательно, инновационные подходы к осаждению, которые избирательно удаляют микропластики, стали критической областью исследований и разработок. Усиление гравитационного оседания с помощью химических, физических или магнитных средств, эти методы предлагают путь к экономически эффективным, энергоэффективным и масштабируемым решениям, которые могут быть интегрированы в существующие водоочистные сооружения.

Понимание микропластика и осадка

Осадок является фундаментальной операцией в обработке воды, опираясь на разницу плотности между частицами и водой, чтобы способствовать оседанию под действием силы тяжести. Скорость оседания частицы регулируется законом Стокса, который показывает, что скорость увеличивается с квадратом диаметра частиц и разницей плотности. Микропластики, однако, проблематичны: их плотность (0,9-1,5 г / см3) часто пересекается с водой, особенно полиэтилен и полипропилен, а их нерегулярные формы и свойства поверхности препятствуют агрегации. Кроме того, микропластики в диапазоне размеров 1-100 мкм оседают чрезвычайно медленно - порядка миллиметров в час - делая обычные бассейны оседания непрактично большими.

Для преодоления этих ограничений инновационные подходы к осаждению изменяют характеристики частиц (размер, плотность, поверхностный заряд) или применяют внешние силы для ускорения и улучшения оседания. Понимание типов и источников микропластиков имеет важное значение для разработки эффективных стратегий.

Виды и источники микропластика

Микропластики делятся на две широкие категории: первичные и вторичные. Первичные микропластики производятся в микроскопических размерах для конкретных целей - микрошарики в отшелушивающих скрабах, пластиковые гранулы для литья под давлением и волокна из синтетического текстиля. Вторичные микропластики являются результатом выветривания и фрагментации более крупных пластиковых предметов, таких как мешки, бутылки, рыболовные сети и сельскохозяйственные пленки, в окружающей среде. Общие полимеры включают полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полистирол (PS), поливинилхлорид (PA) и полиэстер (PES). Их плотность варьируется от менее чем воды (PE, PP) до почти нейтральных или немного более плотных (PET, PVC). Сферические шарики, нерегулярные фрагменты, пленки и волокна каждый ведут себя по-разному во время осадка.

Проблемы в традиционной осадке

Обычная очистка воды использует коагуляцию (нейтрализацию заряда) и флоккуляцию (бридинг) для образования более крупных, осевших флокусов. В то время как это хорошо работает для глин и органических веществ, микропластики, как известно, трудно коагулировать. Многие микропластики имеют гидрофобные поверхности и низкие поверхностные заряды, сопротивляясь связыванию с коагулянтами на основе металлов, такими как квасцы или железистый хлорид. Кроме того, присутствие природного органического вещества (NOM) и других коллоидов создает конкуренцию для спроса на коагулянты. Следовательно, удаление микропластиков ниже 10 мкм часто плохо, если не используются высокие дозы коагулянта и полимера, что увеличивает объем осадка и химические затраты.

Инновационные методы оседания

Новое поколение методов оседания было разработано специально для микропластиков. Эти методы основаны на усиленной флокуляции, магнитном разделении, балластировании, электрокоагуляции и использовании биодобавок. Каждый подход направлен на преодоление физических и химических барьеров, которые препятствуют естественному оседанию микропластиков.

Усиление флокуляции с помощью новых коагулянтов

Усовершенствование флокуляции выходит за рамки обычного дозирования квасцовой или феррной соли. Добавление специализированных коагулянтов - полиакриламидных производных, хитозана (биополимера из ракообразных оболочек), полиDADMAC и растительных флоккулянтов (например, экстракт семян Moringa oleifera, танины) - может значительно улучшить агрегацию микропластика. Эти флокулянты работают путем связывания частиц, увеличения прочности флока и нейтрализации поверхностных зарядов. Например, микропластики, связанные с хитозанами, образуют плотные, быстро осевшие флоки. Недавние исследования показывают, что система двойного коагулянта, сочетающая хлорид железа с анионным полиакриламидом, может достичь более 90% удаления микропластиков PE и PP в лабораторных испытаниях банки, с размерами флока, превышающими 500 мкм.

Биоразлагаемые коагулянты особенно привлекательны для минимизации вторичного загрязнения. Читозан, полученный из рыбных отходов, нетоксичен и эффективен в широком диапазоне рН. Его аминные группы протонируют в кислых условиях, прикрепляясь к отрицательно заряженным микропластиковым поверхностям. Варианты на основе растений, такие как экстракты из Moringa oleifera , содержат катионные белки, которые действуют как природные коагулянты и могут быть получены локально по низкой цене. Задача заключается в оптимизации дозировки и рН, чтобы избежать рестабилизации и в обеспечении последовательного снабжения в больших масштабах.

Факторы, влияющие на усиленную флоккуляцию

Магнитная осадка с функциональными наночастицами

Магнитная осадка использует внешние магнитные поля для быстрого отделения микропластиков от воды после того, как они связаны с магнитными частицами. Материал ядра - обычно оксид железа (Fe3O4 или γ-Fe2O3) наночастицы - покрыт селективным химическим веществом или полимером, который адсорбирует микропластики. Общие покрытия включают олеиновую кислоту, кремнезем или катионные поверхностно-активные вещества, которые улучшают связывание с гидрофобными или заряженными пластиковыми поверхностями. Как только магнитные наноносители добавляются и смешиваются, они присоединяются к микропластикам посредством гидрофобных взаимодействий, электростатического притяжения или сил Ван-дер-Ваальса. Суспензия затем проходит через высокоградиентный магнитный сепаратор (HGMS) с матрицей из стальной шерсти или стержней. Градиент магнитного поля притягивает загруженные частицы к матрице, в то время как чистая вода течет через.

Магнитная оседание предлагает несколько преимуществ: быстрая обработка (минуты вместо часов), высокая эффективность удаления, превышающая 95% для частиц размером до 1 мкм, и минимальное производство химического осадка, поскольку магнитные частицы могут быть регенерированы и повторно использованы после десорбции микропластиков. Регенерация обычно включает промывку этанолом или органическим растворителем с последующим магнитным восстановлением. Например, исследование с использованием наночастиц Fe3O4, покрытых полиэтилеимином, достигло 99% удаления микросфер полистирола (2 мкм) в дозе 0,5 г / л под магнитным полем 0,4 Т. Процесс является энергоэффективным для малых и средних потоков, но масштабирование HGMS до объемов муниципальной обработки остается проблемой из-за высокой капитальной стоимости и необходимости периодической очистки магнитной матрицы.

Балластированная флокуляция с микропеском или плотными средами

Балластированная флоккуляция ускоряет оседание, добавляя гранулированный материал высокой плотности (например, микропесок, магнетит или молотое стекло), который действует как взвешенное ядро для флокса. Балластные частицы, обычно диаметром 50-150 мкм, включаются в структуру флока во время флокуляции. Поскольку плотность балласта высока (2,6 г / см3 для песка), результирующие флоки малы, но чрезвычайно плотны, достигая скорости оседания в 10-50 раз быстрее, чем обычные флоки. Коммерческие системы, такие как Actiflo® (Veolia) и MegaTec (Suez), уже используют балластную флокуляцию для общего удаления мутности; недавние модификации адаптируют их для микропластикового захвата.

В микропластически-целевых балластных флокуляции дозируют коагулянт и полимер, после чего вводят микропесок. Флоки растут вокруг песчинок, включающих микропластик. После быстрого оседания (3-8 м/ч) микропесок извлекается из осадка с использованием гидроциклонов и перерабатывается. Исследования показывают эффективность удаления полиэтиленовых и полипропиленовых волокон 85-95% при гидравлическом времени удержания 15-30 минут. Компактный след - в 2-3 раза меньше, чем обычная осадка - делает балластные системы привлекательными для модернизации существующих растений. Проблемы включают износ насосов и циклонов, необходимость точной химической дозировки, чтобы избежать воздействия песка, и в конечном итоге удаление отходов песка, нагруженных микропластиком.

Электрокоагуляция для удаления микропластика

Электрокоагуляция (EC) использует постоянный ток, применяемый к жертвенным электродам (алюминию или железу) для высвобождения ионов коагулянтных металлов in situ. Процесс также производит пузырьки газообразного водорода, которые могут помочь плаванию, но с шагом флокуляции, гидроксиды металла образуют тяжелые флоки, которые оседают. EC предлагает несколько преимуществ: отсутствие внешнего химического дозирования, способность обрабатывать переменный рН и производство больших, прочных флоков. Электрическое поле также индуцирует электрофорез, привлекая микропластики к электродам, где они включены в флоки.

Недавние исследования EC для микропластиков демонстрируют скорость удаления 85-99% для частиц ПЭ, ПП и PS в диапазоне 10-500 мкм. Параметры - плотность тока, расстояние электродов, рН и время обработки - должны быть оптимизированы. Например, при рН 6,5 и 5 мА/см2 в течение 15 минут алюминиевые электроды удаляют 97% полиэтиленовых микропластиков из синтетических сточных вод. Ил ЕС содержит гидроксиды металлов и микропластики; в то время как обезвоживаемый объем может составлять 2-5% очищенной воды, требуя надлежащей обработки. Основными ограничениями являются потребление энергии (0,5-2 кВтч/м3), пассивация электродов и затраты на замену. Интеграция с возобновляемой энергией может улучшить устойчивость.

Био-базированные добавки и природные флоккулянты

Флокулянты растительного происхождения и микробные полимеры предлагают зеленую альтернативу для усиленного оседания. Танины, извлеченные из коры деревьев и листьев, являются анионными или катионными в зависимости от модификации и могут комплексовать с микропластиками. Также многообещающими показали катионный крахмал (кватернизированный), карбоксиметилцеллюлоза и ксантановая камедь. Например, исследование с использованием хитозана и анионного полиакриламида для полиамидных микроволокон достигло 92% удаления при нейтральном pH. Другой подход: использование бактерии Flavobacterium для получения внеклеточных полимерных веществ (EPS), которые агломерируют микропластики. Эти биофлоккулянты являются биоразлагаемыми и нетоксичными, но их стоимость производства и долгосрочная стабильность при сдвигах нуждаются в улучшении.

Преимущества инновационных методов оседания

По сравнению с мембранной фильтрацией (МФ, UF) или усовершенствованным окислением, инновационные методы осаждения предлагают различные преимущества, особенно для обработки больших объемов, где энергетические и химические затраты имеют решающее значение.

Проблемы и ограничения

Ни один метод не является универсальной серебряной пулей. До широкого распространения остаются значительные препятствия.

Масштабируемость и пропускная способность

Магнитное разделение с использованием HGMS хорошо работает для небольших потоков (пилотная шкала до 10 м3/ч). Для муниципальных очистных сооружений (например, 100 000 м3/д) размер магнитной матрицы становится непомерным, а необходимость частой очистки снижает доступность. Балластированная флоккуляция более масштабируема, но цикл переработки микропесков добавляет сложность. EC имеет ограничения по масштабированию, поскольку площадь электродов и требования к мощности увеличиваются линейно с потоком; конструкции пластин и рамы могут обрабатывать до 1000 м3/д, за пределами которых стоимость возрастает.

Управление шламом

Все процессы осадка производят ил, содержащий микропластик. В обычных растениях ил часто переваривается или обезвоживается и засыпается. Микропластики в иле могут сохраняться и загрязнять почву; сжигание энергоемко. Магнитный ил может быть обработан для извлечения магнитных частиц и концентрирования микропластиков для удаления, но это добавляет этапы. Богатый питательными веществами ил из биофлоккулянтов может быть пригодным для анаэробного переваривания, но микропластик может ингибировать микробы.

Токсичность наночастиц и экологическая судьба

Использование инженерных наночастиц (Fe3O4, nZVI) вызывает опасения по поводу выщелачивания в обработанную воду. Хотя большинство исследований показывают низкую токсичность оксида железа, эффекты хронического воздействия неизвестны. Сами магнитные частицы могут стать загрязнителями, если не полностью восстановлены. Регуляторные рамки для сброса наночастиц зарождаются; поэтому надежное восстановление (>99%) является обязательным.

Вмешательство NOM и со-загрязнителей

Природные органические вещества могут конкурировать за коагулянтные или магнитные участки связывания частиц, снижая эффективность удаления. Предварительное оседание или предварительное озонирование для частичного окисления NOM может помочь, но добавляет стоимость. Тяжелые металлы или фармацевтические препараты, которые адсорбируют микропластики, могут быть совместно удалены, что полезно в одном смысле, но токсичность ила увеличивается.

Тематические исследования и реальные приложения

Несколько пилотных и демонстрационных проектов иллюстрируют целесообразность инновационной оседания.

Балластное флуктуирование на шведском заводе

В 2022 году муниципальная водоочистная станция в Мальмё, Швеция, протестировала систему Actiflo Carbo, дополненную порошкообразным активированным углем для удаления микропластика. Завод обработал 60 м3/ч вторичного стока. С хлоридом железа (20 мг/л) и анионным полимером (1 мг/л) плюс микросанд, удаление полиэтиленовых волокон превысило 90%, а общий объем микропластика (<1 мм) был уменьшен на 87%. Осадок был обезвожен и песок переработан. Потребление энергии составило 0,15 кВтч/м3, что ниже, чем эквивалентная система UF.

Пилот магнитной седиментации в Японии

Муниципальное бюро водных работ Осаки сотрудничало с университетом для тестирования магнитного оседания на сырой воде из реки Йодо, содержащей микропластики из городского стока. Наночастицы Fe3O4 (0,3 г / л), покрытые олеиновой кислотой, вводились в поток 10 м3 / ч. Квадратно-полюсная HGMS со стальной шерстью захватывала 95-98% микропластиков > 20 мкм. Прочность поля составляла 0,6 Т. Потребление энергии около 0,4 кВтч / м3. Магнитные частицы были восстановлены с эффективностью 98% с использованием водного промывки и промывки этанолом, а затем повторно использовались четыре раза без потери производительности.

Электрокоагуляция в текстильных сточных водах (Индия)

На текстильной фабрике в Тируппуре, Индия, установлен электрокоагуляционный блок 200 м3/д для удаления красителей и микроволокон из стоков. Использование алюминиевых электродов при 15 А, 30 В, 5-минутном удержании, удаление полиэфирных волокон (10-100 мкм) достигло 91%. Осадок, содержащий металлические гидроксиды и волокна, был отправлен в цементную печь для совместной обработки. Стоимость энергии составила 0,12 USD/м3. Система работала непрерывно в течение шести месяцев до замены электродов.

Будущие направления исследований

Для преодоления разрыва между лабораторными инновациями и полномасштабным внедрением, исследовательские усилия сосредоточены на:

Заключение

Микропластическое загрязнение в источниках воды требует инновационных, практических и экономически эффективных решений. Хотя ни один подход к осаждению не решает всех проблем, набор усиленной флокуляции, магнитной осаждения, балластной флокуляции, электрокоагуляции и биофлокулантов обеспечивает надежный инструментарий. Каждый метод использует различные физико-химические механизмы для преодоления низкой скорости оседания микропластиков. Поле быстро движется - от лабораторных доказательств концепции до пилотных и демонстрационных проектов. Для водохозяйственных предприятий и инженеров-экологов, инвестиции в эти технологии теперь позиционируют их для удовлетворения надвигающихся правил и общественных ожиданий по удалению микропластика. Продолжение сотрудничества между исследователями, промышленностью и регулирующими органами будет иметь важное значение для уточнения этих методов, снижения затрат и обеспечения того, чтобы чистая питьевая вода оставалась доступной для будущих поколений.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к резюме ВОЗ по микропластикам в питьевой воде , исследованию Европейской комиссии по смягчению последствий микропластиков и EPA по микропластикам . Для более глубокого технического погружения журнал Water Research публикует регулярные обзоры по этой теме.