Пробоотборник для определения содержания микропластика в морской воде (HydroPuMP)

Полезная модель относится к океанологическим измерительным системам и может быть использована для отбора проб морской воды для определения содержания микропластиковых частиц в воде поверхностного и подповерхностного горизонта.
В мире существуют различные методы отбора проб морской воды на содержание микропластиковых частиц (частицы менее 5 мм). При этом до сих пор в мире нет общепринятого стандартизированного метода, так как метод отбора проб на микропластик сильно зависит от типа водного объекта, его биологической продуктивности, уровня загрязненности, а также технических возможностей проведения полевых исследований. Самым распространенным в мировой практике методом, позволяющим произвести облов наибольшей площади водной поверхности за единицу времени, является использование так называемого «манта-трала», представляющего собой сеть с размером ячеи до 300 мкм, прикрепленной к корпусу, с металлическими крыльями, позволяющего осуществлять отбор пробы с поверхностного горизонта. Для исследования водной толщи иногда используют батометры для отбора проб воды на различных горизонтах, однако, данный метод целесообразен в заведомо сильно загрязненных морях (из-за используемых небольших объемов воды) для получения достоверных концентраций. Третьим методом отбора проб является использование различных пробоотборников-фильтров, встраиваемых в проточную систему судна, или используемых автономно.
Известны пробоотборник для микропластика в воде, состоящий из конусовидной фильтровальной части и цилиндрического пробосборника на конце, с краном слива (Заявка на патент Южной Кореи KR 102178099 В1) и устройство для ручного отбора проб на микропластик, представляющее собой конусовидную сеть, размером ячеи 300 мкм (Заявка на патент Китая CN 110470509 А), позволяющие фильтровать воду с поверхностного горизонта с помощью различных конструкций конусовидных сетей, встроенных в пробоотборную систему (раму). Недостатком заявленных технических решений является размер ячеи не менее 300 мкм, что не позволяет отбирать частицы меньшего размера.
Другой близкой по технической сущности системой является фильтрующая система для морской воды, состоящая из фильтра, счетчика воды и ультразвукового вибратора, которая встраивается в проточную систему судна (Заявка на патент Китая N 107843460 A). Недостатком является использование непосредственно в судне и невозможность автономного использования.
Более сложной системой, близкой по сущности, является автономный аппарат для сбора микропластика, состоящий из цилиндрической фильтровальной системы с насосом, прикрепляемой к подводному управляемому аппарату (Заявка на патент США US 20180217029 A1), главным недостатком которого является сложность его устройства и необходимость привлечения профессионального персонала, а также отсутствие сменных фильтров в системе.
Таким образом, наиболее близким по технической сущности, прототипом, полезной модели является автономная пробоотборная система, представляющая собой переносной пробоотборник с обработкой проб, представляющий собой фильтровальную систему с фильтром до 5 мм, и ультразвуковой генератор тепла. Основным недостатком данной системы является размер ячеи фильтра - 5 мм, не позволяющим учитывать частицы меньшего размера (50-100 мкм), имеющие ключевое значение в процессе вовлечения частиц в пищевые цепи (потребление микрочастиц зоопланктоном).
Технический результат, достигаемый в заявленном устройстве - пробоотборник для определения содержания микропластика в морской воде (HydroPuMP), заключается в получении проб воды на содержание микропластика в любых условиях, не зависящих от источника питания, расширении диапазона размерности определяемых частиц, повышение точности определения, упрощении конструкции и снижении требований к подготовке пользователя устройства.
Для достижения заявленного технического результата устройство HydroPuMP снабжено встроенным насосом из нержавеющей стали с аккумулятором в водонепроницаемом боксе, что позволяет проводить отбор проб как на мелководье, в прибрежной зоне, в условиях отсутствия источника энергии, так и непосредственно с борта судна в открытом море (при необходимости к раме крепится груз для увеличения ее устойчивости к волновому воздействию); герметичной насадкой со сменными металлическими фильтрами различного размера ячеи, что позволяет расширить диапазон размерности определяемых частиц, что в сочетании с маленькой площадью взаимодействия фильтровальной насадки с внешней средой сокращает возможные источники загрязнения пробы, и при этом исключаются потери материала (как это происходит в случае использования конусовидных сетей и других форм пробоотборников с большой площадью поверхности); упрощенной конструкцией, что дает возможность работы с ним пользователя с любой подготовкой.
Результатом работы пробоотборника HydroPuMP являются пробы морской воды с минимальной погрешностью загрязнения пробы микропластиковыми частицами, а значит повышение точности определения. Это позволяет использовать данный пробоотборник для арктических морей, где наблюдаемые концентрации микропластика сравнительно низкие, и для получения достоверных концентраций необходима фильтрация значительных объемов воды.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели достаточна для достижения результата, связанного с отбором проб морской воды для определения содержания микропластиковых частиц в воде поверхностного и подповерхностного горизонта.
На фиг. 1 (А - вид сбоку, Б - общий вид фильтровальной герметичной насадки с выемками для постановки сменных металлических фильтров, В - вид фильтровальной герметичной насадки в разрезе) приведена функциональная схема заявляемого устройства. Пробоотборник для определения содержания микропластика в морской воде (HydroPuMP) представляет собой последовательную цепь из электрического погружного насоса (1), корпуса из нержавеющей стали с аккумулятором (производительностью 30 л/мин) в герметичном боксе (6), соединенного посредством выпускного патрубка (3) и силиконового шланга (5) со счетчиком воды (8) с обратным клапаном (10) через патрубки (9), и далее соединенного силиконовым шлангом (11) через патрубок (13) со специальной герметичной фильтровальной насадкой (12), состоящей из серии сменных металлических фильтров различного размера ячеи (50-300 мкм), скрепленных барашковыми гайками (14), помещенных в стальную раму-корпус (16), к которой при необходимости крепится трос за кольцо (17) и груз (на нижнюю часть). Насос (1) крепится к нижней части рамы (16) с помощью хомутов (2), в то время как счетчик воды (8) - к верхней части рамы (16). Аккумулятор в боксе (6) и фильтровальная насадка (12) размещаются на специальной платформе (15), в верхней части рамы (16). Размер рамы 120 / 28 / 26 см (В/Ш/Г), вес около 3,5 кг. Допустимый навес груза - до 25 кг.
Устройство работает следующим образом:
При работе с судна или лодки. Определяется гидрометеорологическая обстановка, при волнении навешивается дополнительный груз на нижнюю часть рамы для устойчивости (от 1 до 25 кг). В фильтровальную насадку (12) помещаются сменные металлические фильтры, подготовленные заранее, насадка закручивается барашковыми гайками (14). Фильтровальная насадка крепится на площадку (15) и подсоединяется шлангом (11). Устройство крепится на трос за кольцо (17) и вывешивается за борт судна или лодки. После этого подключается питание - включается насос (1), и устройство погружается в воду на глубину до 1-2 метров. При погружении в воду погружной насос автоматически включается. Производится отбор пробы (фильтрование воды) в течение заданного времени, по окончании которого устройство вынимается из воды. При подъеме из воды, погружной насос автоматически отключается. На палубе судна / лодки производится фиксация показателей счетчика воды (8), после чего фильтровальная насадка снимается и переносится в лабораторию для выемки фильтров и дальнейшего анализа.
При работе с устройством в прибрежной зоне, оператор (пользователь) заходит в воду с устройством, держа его в руках, на глубину не менее 1 м и производит замеры по процедуре, описанной выше.
Новыми признаками предлагаемой полезной модели является то, что, во-первых, в ее состав входит электрический погружной насос из корпуса из нержавеющей стали с аккумулятором (производительностью 30 л/мин), который позволяет не зависеть от источника питания и проводить замеры в любых условиях, не только с судна, но и в удаленных местах сбора проб в прибрежной зоне. Во-вторых, специальная герметичная фильтровальная насадка состоит из серии сменных металлических фильтров различного размера ячеи (50-300 мкм), что позволяет менять их по мере необходимости и в зависимости от продуктивности водоема и уровня его загрязненности (высокого или низкого количества органического вещества или взвеси в воде). Третьим важным преимуществом является простота модели, что позволяет ее сконструировать и использовать даже неквалифицированному персоналу и работать в любых условиях, в том числе в рамках так называемой «гражданской науки», когда к исследованиям привлекаются обычные люди-волонтеры, не имеющие специализированного океанологического образования.
При этом данная модель позволяет проводить усовершенствования при необходимости и наличии такой возможности, например, навешивание на несущую раму дополнительных датчиков температуры, солености, давления (глубины) и других. Также конструкция рамы предполагает возможность закрепление груза на ней для использования пробоотборника при сильном волнении, когда пробоотборники-сети не работают.
При этом легкость рамы, компактность и автономность оборудования, а также простота конструкции данного пробоотборника позволяет использовать его как на судне, при креплении на трос на кран-балку, либо в ручном режиме в мелководных водоемах, например, с борта лодки, а также в прибрежной зоне при отборе проб у берега непосредственно стоя в воде.
Пробоотборник испытывался в экспедиции в рамках программы ТРАНСАРКТИКА-2019 в морях российской Арктики, где показал высокую эффективность в неблагоприятных погодных условиях, показав преимущества перед другими известными способами отбора проб на содержание микропластика, и позволив получить данные более широкого спектра размерности микропластиковых частиц в арктических морях (до 50 мкм), чем в предшествующих исследованиях. Данные, полученные данным способом, легли в основу нескольких докладов на конференциях и печатных работ.
Литература
1. Lusher, A.L. et al. Microplastics in Arctic polar waters: the first reported values of particles in surface and sub-surface samples. Sci. Rep. 5, 14947; doi: 10.1038/srep14947 (2015).
2. Заявка на патент KR 102178099 В1 Южная Корея / Precision sampling device for microplastic analysis in seawater, опубл. 12.11.2020.
3. Заявка на патент CN 110470509 A Китай / The micro- plastic collection devices and methods therefor in handheld portable waters, опубл. 19.11.2019.
4. Заявка на патент CN 107843460 A Китай / Micro- plastics sampling system and method in seawater, опубл. 23.03.2018.
5. Заявка на патент US 20180217029 А1 США / Aquatic Sampler and Collection Apparatus, опубл. 02.08.2018.
6. Заявка на патент CN 107807005 А Китай Portable seawater sample and the device and method of pre-treatment, опубл. 16.03.2018.