纳米气泡浮选技术助力废水微塑料高效去除
纳米气泡浮选技术助力废水微塑料高效去除
微塑料污染是当前全球面临的重大环境问题之一，尤其是小尺寸微塑料由于难以被传统废水处理工艺有效分离，大量进入自然水体，对生态环境和生物健康构成严重威胁。近日，发表于《Nature Communications》的一项研究提出了一种纳米气泡辅助浮选（MNB-F）工艺，为解决这一难题提供了新的思路。
微塑料的危害与分布
微塑料在全球水环境中广泛存在，其丰度随粒径减小而显著增加。众多研究表明，在不同的水生环境中，如芬兰、意大利等地的研究发现，随着微塑料颗粒尺寸的减小，其在水体中的数量增多。就像在一些污水处理厂进出水的研究中观察到的那样，大尺寸的微塑料相对更容易被去除，导致出水中主要残留的是小尺寸微塑料。这些小尺寸微塑料由于难以被传统废水处理工艺有效分离，大量进入自然水体。它们不仅容易被水生生物摄入，而且因其较高的表面积与体积比，可能成为污染物和病原体的高效载体，对生态环境和生物健康构成严重威胁。例如，已有研究发现贻贝会摄入3-10微米的微塑料，螃蟹也能通过摄食或呼吸摄入8-10微米的球形微塑料。
浮选工艺现状
浮选是水处理中常用的分离技术，在去除50-150µm悬浮颗粒方面较为有效，但对于此范围外的颗粒，其处理效果不尽人意。从先前研究总结来看，浮选在去除较大尺寸微塑料方面有一定效果，但对小尺寸微塑料的去除往往被忽视。比如，一项研究报告称，经过预处理的全尺寸浮选系统在去除大于20µm的微塑料时，抓取采样的去除效率为95%，而24小时综合采样的去除效率仅为48%；另一项实验室规模的研究发现，对于2-5µm、5-10µm和15-20µm的微塑料，其去除效率分别低于35%、45%和85%，这表明传统浮选技术在回收小尺寸微塑料方面存在很大的改进空间。
纳米气泡特性与应用潜力
纳米气泡（NBs）因其独特的性质，如微小尺寸、高浓度和高稳定性，在各个领域的研究日益增多。其高表面积与体积比和高浓度有助于增加与细颗粒碰撞和粘附的概率。例如，在一些研究中发现，NBs可以提高油滴和胺沉淀物的分离效率，以及在泡沫浮选中回收矿物颗粒。然而，NBs在废水微塑料去除中的作用尚未明确，这也成为本研究关注的重点。
研究内容
研究团队首先对香港某污水处理厂化学强化一级处理后的出水进行了初步分析。采用拉曼显微镜识别大于5µm的微塑料，光学光热红外（O-PTIR）光谱系统量化1-5µm的微塑料颗粒。经过对三个子样本的量化（补充图1e），发现大于5µm的微塑料平均每100mL样品中有25.67±8.33个，1-5µm的微塑料平均每100mL样品中有204.53±73.06个，这与其他研究中发现的微塑料丰度随粒径减小而增加的趋势一致，凸显了提高水处理过程中小尺寸微塑料去除率的紧迫性。
通过对比微气泡浮选（MB-F）、微纳米气泡浮选（MNB-F）和纳米气泡浮选（NB-F）在去除合成废水中不同尺寸球形聚苯乙烯（PS）MPs的效率，研究发现，对于40-50µm的MPs，MB-F和MNB-F的去除效率均超过90%，而NB-F仅为77.1%；对于20µm的MPs，MB-F和MNB-F的总体去除效率约为80%，NB-F为69.5%。对于两种尺寸的MPs，MB-F和MNB-F之间的去除效率无显著差异，但NB-F的去除效率显著低于前两者。
进一步研究发现，对于10µm和1µm的小尺寸MPs，MNB-F相比MB-F去除效率显著提高，在10ppm和25ppm剂量下，10µmMPs的去除效率提高超过10%，1µmMPs在10ppm剂量下提高12.4%，这表明MNB-F在处理小尺寸MPs时效果更优，且可减少混凝剂用量。
在实际废水中评估了MB-F和MNB-F去除四种不同尺寸球形PSMPs混合物的效果。结果表明，MNB-F的去除效率（87.4%）显著高于MB-F（73.1%），TOC去除率也更高（38.5%比27.9%）。这表明MNB-F在实际废水处理中不仅能有效去除MPs，还能提高其他悬浮颗粒的去除率，不受复杂水基质的影响。
研究机制
MNB-F提高MPs去除效率和TOC去除率的机制主要包括以下几个方面。首先，NBs的小尺寸特性使其在水中呈现布朗运动，增加了与颗粒（尤其是亚10µmMPs）碰撞和粘附的概率。然而，小尺寸也导致其上升速度低，因此需要与粗气泡协同作用，粗气泡提供浮力将附着颗粒运输到水面。其次，NBs的疏水性质使其与颗粒发生疏水相互作用，增强了接触角，促进了粘附和聚集，形成的疏水聚集体稳定性高，有助于在浮选过程中保持聚集状态。此外，NBs增强了絮体浮选，有助于去除废水中的有机物，虽然NBs在水中具有一定反应性，但在本研究中自由基对有机物去除的作用较小，主要是物理相互作用起主导作用。
研究结论
本研究提出的MNB-F工艺在去除小尺寸MPs方面表现出显著优势，相比传统MB-F工艺，在合成废水中MPs去除率最高可提高16.8%，在实际废水中可提高14.3%。浮选建模和实验结果表明，MNB-F中NBs的添加增加了与颗粒的碰撞和粘附效率，通过疏水相互作用促进了MPs与气泡的相互作用。同时，MNB-F在去除MPs的过程中，使合成废水中有机物去除率提高7.2%，实际废水中提高10.6%，这主要归因于有机絮体浮选增强，而非NBs产生的自由基直接降解。综上所述，本研究为MNB-F技术在水处理中去除小尺寸颗粒提供了有力的概念验证，有望为废水处理设施更有效地减少MPs污染提供新的解决方案。
参考文献：
Jia M, et al. Advanced nanobubble flotation for enhanced removal of sub-10 µm microplastics from wastewater. Nat Commun. 2024 Oct 21;15(1):9079.