Агрегатообразование и магнитная сепарация микрочастиц полиэтилена из водных растворов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Для определения количества и состава искусственных полимерных микрочастиц в водоемах требуется подготовка репрезентативных проб воды. В работе изучается новый метод магнитной сепарации для извлечения из воды микрочастиц полиэтилена (10–200 мкм) при их агрегации с композитными магнитными наночастицами. Синтезированы и аттестованы наночастицы с ядром из магнетита и с оболочкой из диоксида кремния с присоединенными на поверхности аминогруппами (Fe3O4@SiO2-NH2, dгидр = 200 нм). Эти наночастицы за счет электростатического взаимодействия могут формировать агрегаты с частицами полиэтилена и отделяться от воды под действием неоднородного магнитного поля.

Изучено влияние добавок солей (NaCl, Na2SO4, NaH2PO4, CaCl2) и поверхностно-активного вещества – додецилсульфата натрия (ДСН) на условия сепарации микрочастиц полиэтилена от воды. Показано, что при добавлении магнитных частиц в концентрации с = 0.01 г/л к водным суспензиям микрочастиц полиэтилена, содержащим соли NaCl, NaH2PO4 в концентрации 10 мМ и с(ДСН) = 3 мМ, эффективность их сепарации после предварительной выдержки суспензии в течение 30 минут и длительности магнитной седиментации 15 минут составляет не менее 98%. При увеличении концентрации солей NaCl, NaH2PO4 до 100 мМ, а также в присутствии Na2SO4 эффективность магнитной седиментации снижается. В присутствии CaCl2 и ДСН эффективность магнитной седиментации составляет не менее 98% при изученных концентрациях солей. Из модельных растворов речной и морской воды извлечение не менее 80% микрочастиц поли- этилена происходит в течение 5 минут в режиме магнитной фильтрации.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. С. Филинкова

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: filinkova-ms@yandex.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Ю. А. Бахтеева

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: filinkova-ms@yandex.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

И. В. Медведева

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН; Уральский государственный горный университет

Email: filinkova-ms@yandex.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108; ул. Куйбышева, 30, Екатеринбург, 620144

И. В. Бызов

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: filinkova-ms@yandex.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

А. С. Минин

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: filinkova-ms@yandex.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

И. А. Курмачев

Институт физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН

Email: filinkova-ms@yandex.ru
Россия, ул. С. Ковалевской, 18, Екатеринбург, 620108

Список литературы

  1. Costa C.Q. V., Cruz J., Martins J., Teodósio M. A.A., Jockusch S., Ramamurthy V., da Silva J. P. Fluorescence sensing of microplastics on surfaces // Environ. Chem. Lett. 2021. V. 19. P. 1797–1802. https://doi.org/10.1007/s10311-020-01136-0
  2. Caldwell J., Taladriz-Blanco P., Lehner R., Lubskyy A., Ortuso R. D., Rothen-Rutishauser B., Petri-Fink A. The micro-, submicron-, and nanoplastic hunt: A review of detection methods for plastic particles // Chemosphere. 2022. V. 293. P. 133514. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.133514
  3. Lee J., Chae K.-J. A systematic protocol of microplastics analysis from their identification to quantification in water environment: A comprehensive review // J. Hazard. Matter. 2021. V. 5. № 403. P. 124049. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124049
  4. Колончин К.В., Педченко А.П., Беляев В.А. Исследования содержания микропластика в воде и промысловых рыбах: от научного поиска к масштабному мониторингу // ТРУДЫ ВНИРО. 2023. Т. 193. С. 162–173. https://doi.org/10.36038/2307-3497-2023-193-162-173
  5. Parashar N., Hait S. Recent advances on microplastics pollution and removal from wastewater systems: a critical review // J. Environ. Manag. 2023. V. 340. P. 118014. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2023.118014
  6. Pan Y., Gao Sh-H., Ge Ch, Gao Q., Huang S., Kang Y., Luo G., Zhang Z., Fan L., Zhu Y., Wang A.-J. Removing microplastics from aquatic environments: a critical review // Environ. Sci. Ecotechnol. 2023. V. 13. P. 100222. https://doi.org/10.1016/j.ese.2022.100222
  7. Hildebrandt L., Mitrano D. M., Zimmermann T., Pröfrock D. A nanoplastic sampling and enrichment approach by continuous flow centrifugation // Front. Environ. Sci. 2020. V. 8. https://doi.org/10.3389/fenvs.2020.00089
  8. Padervand M., Lichtfouse E., Robert D., Wang Ch. Removal of microplastics from the environment. A review // Environ. Chem. Lett. 2020. V. 18. P. 807–828. https://doi.org/10.1007/s10311-020-00983-1
  9. Shen M., Song B., Zhu Y., Zeng G., Zhang Y., Yang Y., Wen X., Chen M., Yi H. Removal of microplastics via drinking water treatment: current knowledge and future directions // Chemosphere. 2020. V. 251. P. 126612. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126612
  10. Grbic J., Nguyen B., Guo E., You J. B., Sinton D., Rochman Ch. M. Magnetic extraction of microplastics from environmental samples // Environ. Sci. Technol. Lett. 2019. V. 6. P. 68−72. https://doi.org/10.1021/acs.estlett.8b00671
  11. Surette M. C., Mitrano D. M., Rogers K. R. Extraction and concentration of nanoplastic particles from aqueous suspensions using functionalized magnetic nanoparticles and a magnetic flow cell // Microplast. Nanoplast. 2023. V. 3. № 2. P. 1–12.https://doi.org/10.1186/s43591-022-00051-1
  12. Rhein F., Scholl F., Nirschl H. Magnetic seeded filtration for the separation of fine polymer particles from dilute suspensions: microplastics // Chem. Eng. Sci. 2019. V. 207. P. 1278–1287. https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.07.052
  13. Bakhteeva I.A., Medvedeva I.V., Filinkova M.S., Byzov I.V., Uimin M.A., Tseitlin E. Magnetic nanoparticles for monitoring microplastics pollution in the surface waters // RTA. 2022. V. 17. P. 458–463. https://doi.org/10.24412/1932-2321-2022-470-458-463
  14. Martin L.M.A., Sheng J., Zimba P.V., Zhu L., Fadare O.O., Haley C., Wang M., Phillips T.D., Conkle J., Xu W. Testing an iron oxide nanoparticle-based method for magnetic separation of nanoplastics and microplastics from water // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 2348. https://doi.org/10.3390/nano12142348
  15. Pasanen F., Fuller R. O., Maya F. Sequential extraction, depolymerization and quantification of polyethylene terephthalate nanoplastics using magnetic ZIF-8 nanocomposites // Chem. Eng. J. 2024. V. 490. P. 151453. https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151453
  16. Relle S., Grant S.B. One-step process for particle separation by magnetic seeding // Langmuir. 1998. V. 14. № 9. P. 2316–2328. https://doi.org/10.1021/la970858a
  17. Li Y., Wang J., Zhao Y., Luan Zh. Research on magnetic seeding flocculation for arsenic removal by superconducting magnetic separation // Sep. Pur. Technol. 2010. V. 73. P. 264–270. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2010.04.011
  18. Svoboda J. Magnetic techniques for the treatment of materials // Kluwer Academic Publishers, London. 2004.
  19. Lim J.K., Yeap S.P., Low S.Ch. Challenges associated to magnetic separation of nanomaterials at low field gradient // Sep. Purif. Technol. 2014. V. 123. P. 171–174. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2013.12.038
  20. Medvedeva I., Bakhteeva Iu., Zhakov S., Revvo A., Uimin M., Yermakov A., Byzov I., Mysik A., Shchegoleva N. Separation of Fe 3 O 4 nanoparticles from water by sedimentation in a gradient magnetic field // J. Water Res. Protect. 2015. V. 7. P. 111–118. https://doi.org/10.4236/jwarp.2015.72009
  21. Yavuz C.T., Mayo J.T., Yu W.W., Prakash A., Falkner J.C., Yean S., Cong L., Shipley H.J., Kan A., Tomson M., Natelson D., Colvin V.L. Low-field magnetic separation of monodisperse Fe 3 O 4 nanocrystals // Science. 2006. V. 314. P. 964–967. https://doi.org/10.1126/science.1131475
  22. Kelland D.R. Magnetic separation of nanoparticles // IEEE T. Magn. 1998. V. 34 № 4. P. 2123–2125. https://doi.org/10.1109/20.706824
  23. Ditsch A., Lindenmann S., Laibinis P.E., Wang D.I.C., Hatton T.A. High-gradient magnetic separation of magnetic nanoclusters // Ind. Eng. Chem. Res. 2005. V. 44. P. 6824–6836. https://doi.org/10.1021/ie048841s
  24. Bakhteeva Iu.A., Medvedeva I.V., Filinkova M.S., Byzov I.V., Zhakov S.V., Uimin M.A., Yermakov A.E. Magnetic sedimentation of nonmagnetic TiO 2 nanoparticles in water by heteroaggregation with Fe-based nanoparticles // Sep. Pur. Technol. 2019. V. 218. P. 156–163. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.02.043
  25. Bakhteeva Iu.A., Medvedeva I.V., Zhakov S.V., Byzov I.V., Filinkova M.S., Uimin M. A., Murzakaev A.M. Magnetic separation of water suspensions containing TiO 2 photocatalytic nanoparticles // Sep. Pur. Technol. 2021. V. 269. P. 118716. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118716
  26. Bakhteeva I.A., Medvedeva I.V., Filinkova M.S., Byzov I.V., Minin A.S., Zhakov S.V., Uimin M.A., Patrakov E.I., Novikov S.I., Suntsov A.Yu., Demin A.M. Removal of microplastics from water by using magnetic sedimentation // Int. J. Environ. Sci. Technol. 2023. V. 20. P. 11837–11850. https://doi.org/10.1007/s13762-023-04776-1
  27. Singh N., Tiwari E., Khandelwal N., Darbha G.K. Understanding the stability of nanoplastics in aqueous environments: Effect of ionic strength, temperature, dissolved organic matter, clay, and heavy metals // Environ. Sci. Nano. 2019. V. 6. P. 2968–2976. https://doi.org/10.1039/c9en00557a
  28. Shams M., Alam I., Chowdhury I. Aggregation and stability of nanoscale plastics in aquatic environment // Water Res. 2020. V. 171. P. 115401. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.115401
  29. Yan R., Lin S., Jiang W., Yu X., Zhang L., Zhao W., Sui Q. Effect of aggregation behavior on microplastic removal by magnetic Fe 3 O 4 nanoparticles // Sci. Total Environ. 2023. V. 898 P. 165431. http://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.165431
  30. Li S., Liu H., Gao R., Abdurahman A., Dai J., Zeng F. Aggregation kinetics of microplastics in aquatic environment: Complex roles of electrolytes, pH, and natural organic matter // Environ. Pollut. 2018. V. 237. P. 126–132. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2018.02.042
  31. Li Y., Wang X., Fu W., Xia X., Liu C., Min J., Zhang W., Crittenden C.J. Interactions between nano/microplastics and suspended sediment in water: implications on aggregation and settling // Water Res. 2019. V. 161. P. 486–495. https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.06.018
  32. Cai L., Hu L., Shi H., Ye J., Zhang Y., Kim H. Effects of inorganic ions and natural organic matter on the aggregation of nanoplastics // Chemosphere. 2018.V. 197. P. 142–151. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2018.01.052
  33. Fred-Ahmadu O.H., Bhagwat G., Oluyoye I., Benson N.U., Ayejuyo O.O., Palanisami T. Interaction of chemical contaminants with microplastics: Principles and perspectives // Sci. Total. Environ. 2020. V. 706. P. 135978. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135978
  34. Jardak K., Drogui P., Daghrir R. Surfactants in aquatic and terrestrial environment: occurrence, behavior, and treatment processes // Environ. Sci. Pollut. Res. 2016. V. 23. P. 3195–3216. https://doi.org/10.1007/s11356-015-5803-x
  35. Shi X., Zhang X., Gao W., Zhang Y., He D. Removal of microplastics from water by magnetic nano- Fe 3 O 4 // Sci. Total. Environ. 2022. V. 802. P. 149838. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.149838
  36. Tang Y., Zhang S., Su Y., Wu D., Zhao Y., Xie B. Removal of microplastics from aqueous solutions by magnetic carbon nanotubes // Chem. Eng. J. 2021. V. 406. P. 126804. https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.126804
  37. Zhao H., Huang X., Wang L., Zhao X., Yan F., Yang Y., Li G., Gao P., Ji P. Removal of polystyrene nanoplastics from aqueous solutions using a novel magnetic material: adsorbability, mechanism, and reusability // Chem. Eng. J. 2022. V. 430. P. 133122. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133122
  38. Bakhteeva Iu.A., Filinkova M.S, Medvedeva I.V., Podvalnaya N.V., Byzov I.V., Zhakov S.V., Uimin M.A., Kurmachev I.A. Design and application of environmentally friendly composite magnetic particles for microplastic extraction from water media // J. Environ. Chem. Eng. 2024. V. 12. № 5. P. 113287. https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.113287
  39. Huang Y.-F., Wang Y.-F., Yan X.-P. Amine-functionalized magnetic nanoparticles for rapid capture and removal of bacterial pathogens // Environ. Sci. Technol. 2010. V. 44. P. 7908–7913. https://doi.org/10.1021/es102285n
  40. Мурашкевич А.Н., Лавицкая А.С., Баранникова Т.И., Жарский И.М. Инфракрасные спектры поглощения и структура композитов TiO 2 – SiO 2 // Ж. Прикл. Спектроскоп. 2008. Т. 75. №5.
  41. Jahanbakhsh Z., Hosseinzadeh H., Masoumi B. Synthesis of carboxymethyl β-cyclodextrin bonded Fe 3 O 4 @ SiO 2 − NH 2 core-shell magnetic nanocomposite adsorbent for effective removal of Pb(II) from wastewater // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2021. V. 99. P. 230–242. https://doi.org/10.1007/s10971-021-05569-z
  42. Hakim A., Kobayashi M. Aggregation and aggregate strength of microscale plastic particles in the presence of natural organic matter: effects of ionic valence // J. Polym. Environ. 2021. V. 29. P. 1921–1929. https://doi.org/10.1007/s10924-020-01985-4
  43. Hafizah M. A. E., Riyadi A. F., Manaf A., Andreas. Particle size reduction of polyaniline assisted by anionic emulsifier of Sodium Dodecyl Sulphate (SDS) through emulsion polymerization // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 2019. V. 515. P. 012080. https://doi.org/10.1088/1757-899X/515/1/012080
  44. Zhang P., Shi H., Xiuxiu R., Guangren Q. Na-dodecylsulfate modification of hydrocalumite and subsequent effect on the structure and thermal decomposition //J. Thermal. Anal. Calorim. 2011. V. 104. № 2. P. 743–747. https://doi.org/10.1007/s10973-010-1001-8
  45. Sammalkorpi M., Karttunen M., Haataja M. Ionic surfactant aggregates in saline solutions: Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) in the presence of excess Sodium Chloride (NaCl) or Calcium Chloride ( CaCl 2 ) // J. Phys. Chem. B.2009. V. 113. № 17. P. 5863–5870. https://doi.org/10.1021/jp901228v
  46. Shen Q., Wei H., Wang L., Zhou Y., Zhao Y., Zhang Zh., Wang D., Xu G., Xu D. Crystallization and aggregation behaviors of Calcium Carbonate in the presence of Poly(vinylpyrrolidone) and Sodium Dodecyl Sulfate // J. Phys. Chem. B. 2005. V. 109. № 39. P. 18342–18347. https://doi.org/10.1021/jp052094a
  47. Yan H., Yuan Sh.-L., Xu G.-Y., Liu Ch.-B. Effect of Ca 2+ and Mg 2+ ions on surfactant solutions investigated by molecular dynamics simulation // Langmuir. 2010. V. 26. № 13. P. 10448–10459. https://doi.org/10.1021/la100310w
  48. Zhang Y., Chen Y., Westerhoff P., Crittenden J. Impact of natural organic matter and divalent cations on the stability of aqueous nanoparticles // Water Res. 2009. V. 43. № 17. P. 4249–4257. https://doi.org/10.1016/j.watres.2009.06.005
  49. Liu J., Dai Ch., Hu Y. Aqueous aggregation behavior of citric acid coated magnetite nanoparticles: Effects of pH, cations, anions, and humic acid // Environ. Res. 2018. V. 161. P. 49–60. https://doi.org/10.1016/j.envres.2017.10.045
  50. Wang H., Zhao X., Han X., Tang Zh., Liu Sh., Guo W., Deng Ch., Guo Q., Wang H., Wu F., Meng X., Giesy J.P. Effects of monovalent and divalent metal cations on the aggregation and suspension of Fe 3 O 4 magnetic nanoparticles in aqueous solution // Sci. Total Environ. 2017. V. 586. P. 817–826. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.02.060
  51. Bakhteeva Iu.A., Medvedeva I.V., Uimin M.A., Byzov I.V., Zhakov S.V., Yermakov A.E., Shchegoleva N.N. Magnetic sedimentation and aggregation of Fe 3 O 4 @ SiO 2 nanoparticles in water medium // Sep. Pur. Technol. 2016. V. 159. P. 35–42. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.12.043

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. ИК-спектры МПЭ и МНЧ (а); СЭМ-изображение МПЭ (б); ПЭМ-изображение МНЧ (в).

Скачать (771KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Зависимость эффективности сепарации МПЭ в водных суспензиях МПЭ/ДСН/ПС от времени τ при гравитационном отстаивании, с(ПС) = 10 мМ (a, в), с(ПС) = 100 мМ (б, г).

Скачать (242KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость эффективности магнитной сепарации МПЭ из водных суспензий МПЭ/МНЧ/ДСН/ПС от концентрации природных солей, с(МНЧ) = 0.005 г/л (а), 0.01 г/л (б), 0.05 г/л (в), с(ПС) = 10 и 100 мМ; с(ДСН) = 3 мМ. Длительность предварительной выдержки t = 30 минут, длительность магнитной седиментации τ = 15 минут.

Скачать (162KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зависимость эффективности магнитной сепарации МПЭ из водных суспензий МПЭ/МНЧ/ДСН/ПС от длительности предварительной выдержки t, с(ПС) = 10 мМ (а) и 100 мМ (б), с(ДСН) = 3 мМ, с(МНЧ) = 0.01 г/л. Длительность магнитной седиментации τ = 15 минут.

Скачать (169KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость эффективности магнитной сепарации МПЭ из водных суспензий МПЭ/МНЧ/ДСН/ПС от длительности магнитной седиментации τ, с(ПС) = 10 мМ (а) и 100 мМ (б), с(ДСН) = 3 мМ, с(МНЧ) = 0.01 г/л. Длительность предварительной выдержки t = 30 минут.

Скачать (147KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Микрофотографии суспензий МПЭ/МНЧ/ДСН/NaCl при концентрациях МНЧ с = 0.005 и 0.05 г/л без предварительной выдержки (а, г), после предварительной выдержки в течение t = 30 мин (б, д) и после магнитной сепарации в течение 15 мин (в, е). с(NaCl) = 10 мМ, с(ДСН) = 3 мМ.

Скачать (1MB)
Метаданные
8. Рис. 7. ИК-спектры сухого осадка, полученного из водной суспензии ДСН/СаCl2 и порошка ДСН, с(CaCl2) = 100 мМ, с(ДСН) = 3 мМ.

Скачать (142KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Микрофотографии суспензий МПЭ/МНЧ/ДСН/CaCl2 без предварительной выдержки (а), после предварительной выдержки в течение t = 30 мин (б) и после магнитной сепарации в течение 15 минут (в). с(CaCl2) = 10 мМ, с(ДСН) = 3 мМ, с(МНЧ) = 0,.01 г/л.

Скачать (755KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Оптические спектры поглощения, полученные методом УФ-спектрофотометрии, для водных суспензий состава МПЭ/ДСН/NaCl при концентрации с(NaCl) = 0 мМ (а), 10 мМ (б), 100 мМ (в). Длительность предварительной агрегации составляла 0 минут (черный), 30 минут (красный), 300 минут (синий), с(ДСН) = 3 мМ.

Скачать (133KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость дзета-потенциала МНЧ от концентрации солей NaCl, Na2SO4, NaH2PO4, CaCl2 в растворе МНЧ/ПС.

Скачать (103KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Микрофотографии суспензий МПЭ/МНЧ/ДСН/Na2SO4 без предварительной выдержки (а), после предварительной выдержки в течение t = 30 (б) и 4200 (г) минут, и после магнитной сепарации в течение 15 минут (в, д). с(Na2SO4) = 10 мМ, с(ДСН) = 3 мМ, с(МНЧ) = 0.01 г/л.

Скачать (1MB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость эффективности сепарации МПЭ из модельных водных суспензий от концентрации МПЭ при гравитационном отстаивании МПЭ/ДСН/раствор 1 (2) и магнитной седиментации МПЭ/МНЧ/ДСН/раствор 1 (2), 1 – речная вода, 2 – морская вода, с(ДСН) = 3 мМ, с(МНЧ) = 0.01 г/л. Длительность предварительной выдержки t = 30 минут.

Скачать (336KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Зависимость эффективности сепарации МПЭ из модельных водных суспензий МПЭ/МНЧ/ДСН/раствор 1 (2) от времени сепарации τ в магнитных полях, 1 – речная вода, 2 – морская вода, с(ДСН) = 3 мМ, с(МНЧ) = 0.01 г/л. Длительность предварительной выдержки t = 30 минут.

Скачать (417KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024