一种土壤微塑料的分离提取系统及分离提取方法

技术领域

本发明属于实验设备技术领域，具体涉及一种土壤微塑料的分离提取系统，本发明还涉及一种土壤微塑料的分离提取方法。

背景技术

塑料作为现代社会不可或缺的产品而被广泛应用，但约79％的塑料被填埋或者遗弃在自然界中。塑料经过长期的光照、热解、碰撞磨损、氧化等物理化学及生物作用，逐渐形成粒径小于5mm的固体颗粒或碎片，这些微小的塑料颗粒被称为微塑料。农田覆膜在我国农田中广泛应用，每年残留于土壤中的农膜残片逐渐被分解为微塑料颗粒，在沉积物、土壤等介质中不断富集，进而影响土壤性质、土壤功能及生物多样性，并与土壤矿物、腐殖酸、残留于土壤中的农药、化肥及其他有机污染物相互作用，微塑料颗粒对土壤中生长的作物也存在潜在污染，从而给生态环境带来更深远的影响。因此，在地学、农学、水文学、环境科学、生态学等学科领域内，许多重要研究课题，都要结合微塑料污染来进行实验研究，特别是在研究农田土壤健康、污染分解以及农田生态环境及食品健康评估等方面的运用更为广泛。快速高效的分离土壤中不同粒径的微塑料颗粒需要合理设计土壤微塑料分离装置，它不受时间和空间的限制，既能节约大量的人力和物力，又能在短时期内重复实验，缩短实验周期，为区分微塑料种类及定量分析微塑料含量奠定基础。

近年来，海洋、湖泊等水体的微塑料粒径分类及种类鉴定开展了一些研究，微塑料在水体中的测定方法日臻完善，但是陆地生态系统，特别是土壤中的微塑料污染直到近三年才得到科学界的发现和重视，目前还没有从土壤中分离微塑料颗粒的装置，对土壤中微塑料种类鉴别和含量的测定，形成了瓶颈。主要原因是土壤中的微塑料的来源复杂，降解的时间不一，形成的微塑料形状可能为片状、块状、颗粒状等，微塑料粒径也从5mm至10μm尺寸复杂，种类繁多，采用肉眼分拣、浮选法均不能满足将土壤中微塑料颗粒全部区分，需要根据微塑料的形状、质地、尺寸配置不同的筛网，结合不同微塑料种类质量差异，采用浮选的方式，逐级筛选区分微塑料颗粒，并结合解剖显微镜统计微塑料颗粒数量。但对于在同一套系统上实现土壤中的微塑料区分尚未得到解决。

发明内容

本发明的目的是提供一种土壤微塑料的分离提取系统，实现从土壤中分离微塑料颗粒，提取各分级的微塑料颗粒并统计其数量。

本发明的另一目的是提供一种土壤微塑料的分离提取方法。

本发明所采用的第一技术方案是，一种土壤微塑料的分离提取系统，包括进样桶，进样桶顶部开设有土壤进样口，进样桶侧壁上开设有进水口，进样桶顶部还竖直设置有颗粒分离柱，颗粒分离柱从下至上为四级分离结构，颗粒分离柱顶部还设置有筛盖。

本发明第一技术方案的特点还在于，

颗粒分离柱上从下至上的四级分离结构具体为：包括从下至上依次设置于颗粒分离柱内的法兰A、法兰B、法兰C、法兰D，法兰A、法兰B、法兰C、法兰D相互平行且均水平设置，法兰A与法兰B之间的颗粒分离柱侧壁上开设有出水管A，法兰B与法兰C之间的颗粒分离柱侧壁上开设有出水管B，法兰C与法兰D之间的颗粒分离柱侧壁上开设有出水管C，法兰D与筛盖之间的颗粒分离柱侧壁上开设有出水管D，出水管A、出水管B、出水管C、出水管D内均设置有法兰，法兰内设有筛膜，出水管A、出水管B、出水管C、出水管D的管口均设有球阀。

法兰A中设有5mm孔径筛网，5mm孔径筛网两面与法兰A之间均设置有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片，法兰B中设有1mm孔径筛网，1mm孔径筛网两面与法兰B之间均设有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片，法兰C中设有0.5mm孔径筛网，0.5mm孔径筛网两面与法兰C之间均设有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片，法兰D中设有0.05mm孔径筛网，0.05mm孔径筛网两面与法兰D之间均设有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片。

出水管A内的法兰E中的筛膜为1000μm筛膜，1000μm筛膜两面与法兰E之间设有直径为15mm、厚度为5mm的硅胶垫片，出水管B内的法兰F内的筛膜为500μm筛膜，500μm筛膜两面与法兰F之间设有直径为15mm、厚度为5mm的硅胶垫片，出水管C内法兰G内的筛膜为50μm筛膜，50μm筛膜两面与法兰G之间设有直径为15mm、厚度为5mm的硅胶垫片，出水管D内法兰H内的筛膜为10μm筛膜，10μm筛膜两面与法兰H之间设有直径为15mm、厚度为5mm的硅胶垫片。

出水管A管口的球阀为DN15球阀A，出水管B管口的球阀为DN15球阀B，出水管C管口的球阀为DN15球阀C，出水管D管口的球阀为DN15球阀D。

本发明所采用的第二技术方案是，一种土壤微塑料的分离提取方法，基于一种土壤微塑料的分离提取系统，具体按以下步骤实施：

步骤1、通过土壤进样口放入待测定的土壤样品，从进水口中通入自来水，搅拌进样桶中的土壤样品，使土壤样品与水混合均匀；

步骤2、关闭DN15球阀A、DN15球阀B及DN15球阀C，开启DN15球阀D，使土壤与水的混合溶液依次通过颗粒分离柱的法兰A、法兰B、法兰C、法兰D，从DN15球阀D流出；

步骤3、依次开启DN15球阀C，DN15球阀B及DN15球阀A，使土壤与水的混合溶液通过出水管流出，5mm孔径筛网、1mm孔径筛网、0.5mm孔径筛网、0.05mm孔径筛网能够阻挡土壤与水的混合溶液中大颗粒通过颗粒分离柱，分离的微塑料及杂质固体悬浮物分别收集在10μm筛膜、50μm筛膜、500μm筛膜、1000μm筛膜上；

步骤4、分别收集上述4个筛膜上的微塑料及杂质固体悬浮物转移至离心管中，并加入ZnCL

步骤5、将离心后含有微塑料的顶层通过5μm膜滤器进行真空过滤，重复进行ZnCL

步骤6、采用双氧水和稀硫酸的混合溶液对几个步骤5提取后的提取物进行除杂，剔除过多轻质碳及有机杂质，静置12小时后，过滤得到除杂后的微塑料颗粒，最后把微塑料颗粒采用纳米刷转移到显微镜的载玻片上；

步骤7、采用体式镜SZN71系列连续变倍体视显微镜，调整参数为10倍目镜、2.5倍物镜，首先将步骤6得到的微塑料颗粒采用纳米刷转移到载玻片并放入显微镜，在成像条件下对其进行拍照；之后将该载玻片在电热板上进行加热，控制温度为120-130℃，然后再将载玻片按初始位置放回显微镜，再次拍照，完成拍照后，前后对比拍照图片，经过图像处理对非透明亮点气泡的物质进行剔除，保留所有透明气泡，并计数统计，从而获取样品中微塑料颗粒的数量。

本发明第二技术方案的特点还在于，

步骤1中每次放入土壤进样口中的待测定的土壤样品质量为进样桶中自来水质量的1％，进水口中水压为0.4-0.6MPA，流量为1000-1200L/h。

步骤4中ZnCL

步骤6中，提取物质量与双氧水和稀硫酸的体积的比例为：1mg提取物依次加入10ml双氧水溶液和10ml稀硫酸溶液，双氧水浓度为30-35％体积浓度，稀硫酸浓度为20-25％体积浓度，先采用双氧水溶液，再采用稀硫酸溶液依次对提取后的微塑料固体悬浮物进行除杂，剔除过多轻质碳及有机杂质，静置12小时后过滤得到除杂后的微塑料颗粒，最后将微塑料颗粒转移到显微镜的载玻片上，使用解剖显微镜进行检测。

本发明的有益效果是，一种土壤微塑料的分离提取系统，通过土壤微塑料颗粒分级，对土壤中的微塑料颗粒进行粒径的分类，对已划分好粒径的微塑料颗粒进行除杂，最后采用解剖显微镜目检并统计土壤中各粒径微塑料的数量，进而实现土壤微塑料分离提取的目的。

附图说明

图1是本发明一种土壤微塑料的分离提取系统的结构示意图；

图2是本发明一种土壤微塑料的分离提取系统中颗粒分离柱法兰A、法兰B、法兰C、法兰D的连接处细节放大图；

图3是本发明一种土壤微塑料的分离提取系统中连接在出水管A、出水管B、出水管C、出水管D的法兰E、法兰F、法兰G、法兰H的连接处细节放大图。

图中，1.进样桶，2.颗粒分离柱，3.进水口，4.土壤进样口，5.法兰A，6.法兰B，7.法兰C，8.法兰D，9.筛盖，10.DN15球阀D，11.10μm筛膜，12.法兰H，13.出水管D，14.DN15球阀C，15.50μm筛膜，16.法兰G，17.出水管C，18.DN15球阀B，19.500μm筛膜，20.法兰F，21.出水管B，22.DN15球阀A，23.1000μm筛膜，24.法兰E，25.出水管A，26.0.05mm孔径筛网，27.0.5mm孔径筛网，28.1mm孔径筛网，29.5mm孔径筛网，30.直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片，31.直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种土壤微塑料的分离提取系统，结构如图1所示，包括进样桶1，进样桶1顶部开设有土壤进样口4，进样桶1侧壁上开设有进水口3，进样桶1顶部还竖直设置有颗粒分离柱2，颗粒分离柱2从下至上为四级分离结构，颗粒分离柱2顶部还设置有筛盖9。

颗粒分离柱2上从下至上的四级分离结构具体为：包括从下至上依次设置于颗粒分离柱2内的法兰A5、法兰B6、法兰C7、法兰D8，法兰A5、法兰B6、法兰C7、法兰D8相互平行且均水平设置，法兰A5与法兰B6之间的颗粒分离柱2侧壁上开设有出水管A25，法兰B6与法兰C7之间的颗粒分离柱2侧壁上开设有出水管B21，法兰C7与法兰D8之间的颗粒分离柱2侧壁上开设有出水管C17，法兰D8与筛盖9之间的颗粒分离柱2侧壁上开设有出水管D13，出水管A25、出水管B21、出水管C17、出水管D13内均设置有法兰，法兰内设有筛膜，出水管A25、出水管B21、出水管C17、出水管D13的管口均设有球阀。

如图2、图3所示，法兰A5中设有5mm孔径筛网29，5mm孔径筛网29两面与法兰A5之间均设置有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30，法兰B6中设有1mm孔径筛网28，1mm孔径筛网28两面与法兰B6之间均设有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30，法兰C7中设有0.5mm孔径筛网27，0.5mm孔径筛网27两面与法兰C7之间均设有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30，法兰D8中设有0.05mm孔径筛网26，0.05mm孔径筛网26两面与法兰D8之间均设有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30。

出水管A25内的法兰E24中的筛膜为1000μm筛膜23，1000μm筛膜23两面与法兰E24之间设有直径为15mm、厚度为5mm的硅胶垫片31，出水管B21内的法兰F20内的筛膜为500μm筛膜19，500μm筛膜19两面与法兰F20之间设有直径为15mm、厚度为5mm的硅胶垫片31，出水管C17内法兰G16内的筛膜为50μm筛膜15，50μm筛膜15两面与法兰G16之间设有直径为15mm、厚度为5mm的硅胶垫片31，出水管D13内法兰H12内的筛膜为10μm筛膜11，10μm筛膜11两面与法兰H12之间设有直径为15mm、厚度为5mm的硅胶垫片31。

出水管A25管口的球阀为DN15球阀A22，出水管B21管口的球阀为DN15球阀B18，出水管C17管口的球阀为DN15球阀C14，出水管D13管口的球阀为DN15球阀D10。

本发明一种土壤微塑料的分离提取方法，基于土壤微塑料的分离提取系统，具体按以下步骤实施：

步骤1、通过土壤进样口4放入待测定的土壤样品，从进水口3中通入自来水，搅拌进样桶1中的土壤样品，使土壤样品与水混合均匀；

步骤1中每次放入土壤进样口4中的待测定的土壤样品质量为进样桶1中自来水质量的1％，进水口3中水压为0.4-0.6MPA，流量为1000-1200L/h。

步骤2、关闭DN15球阀A22，DN15球阀B18及DN15球阀C14，开启DN15球阀D10，使土壤与水的混合溶液依次通过颗粒分离柱2的法兰A5、法兰B6、法兰C7、法兰D8，从DN15球阀D10流出；

步骤3、依次开启DN15球阀C14，DN15球阀B18及DN15球阀A22，使土壤与水的混合溶液通过出水管流出，5mm孔径筛网29、1mm孔径筛网28、0.5mm孔径筛网27、0.05mm孔径筛网26能够阻挡土壤与水的混合溶液中大颗粒通过颗粒分离柱2，分离的微塑料及杂质固体悬浮物分别收集在10μm筛膜11、50μm筛膜15、500μm筛膜19、1000μm筛膜23上；

步骤4、分别收集上述4个筛膜上的微塑料及杂质固体悬浮物转移至离心管中，并加入ZnCL

步骤4中ZnCL

步骤5、将离心后含有微塑料的顶层通过5μm膜滤器进行真空过滤，重复进行ZnCL

步骤6、采用双氧水和稀硫酸的混合溶液对几个步骤5提取后的提取物进行除杂，剔除过多轻质碳及有机杂质，采用0.45μm膜滤器(Whatman AE98)过滤得到除杂后的微塑料颗粒，最后采用纳米刷把微塑料颗粒转移到显微镜的载玻片上；

步骤6中，提取物质量与双氧水和稀硫酸的体积的比例为：1mg提取物依次加入10ml双氧水溶液和10ml稀硫酸溶液，双氧水浓度为30-35％体积浓度，稀硫酸浓度为20-25％体积浓度，先采用双氧水溶液，再采用稀硫酸溶液依次对提取后的微塑料固体悬浮物进行除杂，剔除过多轻质碳及有机杂质，静置12小时后，采用0.45μm膜滤器(Whatman AE98)过滤得到除杂后的微塑料颗粒，最后将微塑料颗粒转移到显微镜的载玻片上，使用解剖显微镜进行检测。

步骤7、采用体式镜SZN71系列连续变倍体视显微镜，调整参数为10倍目镜，2.5倍物镜，首先将步骤6得到的微塑料颗粒采用纳米刷转移至载玻片并放入显微镜，在成像条件下对其进行拍照；之后将该载玻片在电热板上进行加热(温度约120-130℃)，然后再将载玻片按初始位置放回显微镜，再次拍照，完成拍照后，前后对比拍照图片，经过图像处理对非透明亮点气泡的物质进行剔除，保留所有透明气泡，并计数统计，从而获取样品中微塑料颗粒的数量。

本发明中，进样桶1呈圆柱形，直径400mm，高100mm，进样桶顶部圆心位置焊接直径为150mm的颗粒分离柱2，顶部距离边缘50mm处设有矩形的土壤进样口4，尺寸为长50mm，宽50mm，并匹配有相同尺寸带有密封垫片的进样口盖子，用螺丝密封盖子和进样桶1。在进样桶1底部30mm高处设置直径为20mm的进水管3一处，进水管3与进样桶1内径呈45°角插入，进样桶1及进水管3均采用304不锈钢制作，其中进样桶1和土壤进样口4的盖子的不锈钢厚度均为5mm，进水管不锈钢厚度为3mm。进水管末端连接自来水管，采用流量计控制自来水流量为1000L/h。进样桶的底部连接不锈钢平台，平台尺寸为长400mm，宽400mm，高300mm，采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

颗粒分离柱2：颗粒分离柱为圆柱形结构，柱身通过螺纹口从下至上依次连接法兰A5、法兰B6、法兰C7、法兰D8组合而成，顶部焊接有筛盖9，底部与进样桶1焊接，中间分别焊接出水管A25、出水管B21、出水管C17、出水管D13。柱身内径150mm，高度1195mm，颗粒分离柱2柱身采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。法兰A5距离进样桶高度200mm，法兰A5上部215mm处焊接出水管A25，出水管A25上部5mm在分离柱上螺纹口连接法兰B6；法兰B6上部215mm处焊接出水管B21，出水管B21上部5mm在分离柱上螺纹口连接法兰C7；法兰C7上部215mm处焊接出水管C17，出水管C17上部5mm在分离柱上螺纹口连接法兰D8；法兰D8上部100mm处焊接出水管D13，法兰D8上部215mm处焊接筛盖9。

法兰A5具体结构为：法兰A直径150mm，上下部焊接有与颗粒分离柱柱身内径相同且具有螺纹口的管道，法兰A内部由上至下依次夹有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30一片，5mm孔径筛网29一片，5mm孔径筛网29的直径为150mm、厚度为1mm，直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30一片。法兰A及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

法兰B6具体结构为：法兰B直径150mm，上下部焊接有与颗粒分离柱身内径相同且具有螺纹口的管道，法兰B内部由上至下依次夹有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30一片，1mm孔径筛网28一片，1mm孔径筛网28的直径为150mm、厚度为1mm，直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30一片。法兰B及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

法兰C7具体结构为：法兰C直径150mm，上下部焊接有与颗粒分离柱身内径相同且具有螺纹口的管道，法兰C内部由上至下依次夹有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30一片，0.5mm孔径筛网27一片，0.5mm孔径筛网27的直径为150mm、厚度为1mm，直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30一片。法兰C及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

法兰D8具体结构为：法兰D直径150mm，上下部焊接有与颗粒分离柱身内径相同且具有螺纹口的管道，法兰D内部由上至下依次夹有直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30一片，0.05mm孔径筛网26一片，0.05mm孔径筛网26的直径为150mm、厚度为1mm，直径为150mm、厚度为5mm的硅胶垫片30一片。法兰D及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

出水管A25具体结构为：出水管A内径为15mm，与颗粒分离柱身焊接，距离柱身50mm处连接具有螺纹口的法兰E24，距离法兰E左侧50mm处连接DN15球阀A22，出水管A及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

出水管B21具体结构为：出水管B内径为15mm，与颗粒分离柱身焊接，距离柱身50mm处连接具有螺纹口的法兰F，距离法兰F左侧50mm处连接DN15球阀B，出水管B及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

出水管C17具体结构为：出水管C内径为15mm，与颗粒分离柱身焊接，距离柱身50mm处连接具有螺纹口的法兰G，距离法兰G左侧50mm处连接DN15球阀C，出水管C及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

出水管D13具体结构为：出水管D内径为15mm，与颗粒分离柱身焊接，距离柱身50mm处连接具有螺纹口的法兰H，距离法兰H左侧50mm处连接DN15球阀D，出水管D及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

法兰E24具体结构为：法兰E内径为15mm，出水管A距离颗粒分离柱身50mm处螺纹口连接，法兰E内部由上至下依次夹有直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片31一片，1000μm筛膜23一片、1000μm筛膜23的直径为15mm，厚度为1mm，直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片31一片。法兰E及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

法兰F20具体结构为：法兰F内径为15mm，出水管B距离颗粒分离柱身50mm处螺纹口连接，法兰F内部由上至下依次夹有直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片31一片，500μm筛膜19一片、500μm筛膜19的直径为15mm，厚度为1mm，直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片31一片。法兰F及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

法兰G16具体结构为：法兰G内径为15mm，出水管C距离颗粒分离柱身50mm处螺纹口连接，法兰G内部由上至下依次夹有直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片31一片，50μm筛膜15一片、50μm筛膜的直径为15mm，厚度为1mm，直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片31一片。法兰G及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

法兰H12具体结构为：法兰H内径为15mm，出水管D距离颗粒分离柱身50mm处螺纹口连接，法兰H内部由上至下依次夹有直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片31一片，10μm筛膜11一片、10μm筛膜11的直径为15mm，厚度为1mm，直径为15mm，厚度为5mm的硅胶垫片31一片。法兰H及其带螺纹口的焊接管道均采用304不锈钢制作，不锈钢厚度3mm。

本发明一种土壤微塑料的分离提取方法，主要应用在土壤微塑料颗粒分级装置的1mm，0.5mm，0.05mm，0.01mm筛膜过滤得到的微塑料颗粒。具体技术说明如下：

收集土壤微塑料颗粒分级装置的1mm，0.5mm，0.05mm，0.01mm筛膜过滤得到的微塑料颗粒，并采用氯化锌饱和溶液(ZnCL

实验验证：

采用体式镜SZN71系列连续变倍体视显微镜(10倍目镜，2.5倍物镜)，主体分为两步：第一步，将载玻片放入显微镜，在成像条件下对其进行拍照；第二步，将该载玻片在电热板上进行加热(温度约120-130℃)，然后再将载玻片按初始位置放回显微镜，再次拍照。完成拍照后，前后对比拍照图片，可使用图像处理软件对非透明亮点气泡的物质进行剔除，保留所有透明气泡，并计数统计，从而获取样品中微塑料颗粒的数量。