Акустическое устройство для улавливания микропластика

При добавлении нескольких каналов, загрязнения из 100 литров воды после стирки можно будет легко сконцентрировать в объеме 50 мл и далее легко утилизировать

Микропластикам в последнее время уделяется всё больше внимания из-за сложности их удаления из окружающей среды. Фильтрация считается основным способом улавливания микропластика в воде. Однако этот процесс трудоемкий и неэффективный, поскольку фильтры быстро забиваются и их необходимо регулярно чистить или менять.

Другая проблема заключается в том, что невозможно собрать частицы пластика диаметром меньшим, чем 0,3 мм - это размер диаметра отверстий сита для планктона. Этот факт вызывает сожаление, потому что большинство микропластиков имеют меньший диаметр и их воздействие на эко и биосистемы пока мало изучено.

Предлагается новый многообещающий метод сбора таких микропластиков в воде с использованием акустики. Было разработано и изготовлено многоканальное устройство для создания объемной акустической волны, которая группирует и удерживает микропластики в среднем канале, позволяя воде очищаться и вытекать по бокам.

При разработке технологии исследователи сосредоточили внимание на том факте, что одним из крупнейших источников загрязнения микропластиками наших океанов являются стиральные машины. Типичная стиральная машина выпускает около десяти тысяч волокон за один 100-литровый цикл стирки. Большая часть современной одежды сделана из химических волокон, которые при стирке разрываются на крошечные кусочки микропластика. Существующие станции очистки сточных вод в настоящее время не могут улавливать микропластики.

Исследователи решили создать устройство, которое собирает микропластики и микропластичные волокна с помощью пьезоэлектрической вибрации. При использовании акустики с силой и амплитудой, соответствующей длине, диаметру и сжимаемости микропластика, мусор собирается в середине трехканального устройства.

Два канала сбоку отводят чистую воду, в то время как микропластичные волокна собираются в середине, благодаря акустической фокусировке, с использованием пьезоэлемента для создания акустической волны.

Разные типы микропластиков имеют разные типы плотностей, занимаемый объем и сжимаемость, что обусловливает различия в коэффициенте акустической контрастности. Выбирая ширину микроканала, равную половине длины волны в воде, частицы собираются в середине трубки.

Первоначально исследователи столкнулись с проблемами при подготовке микропластика для эксперимента. Было сложно создать микропластик соответствующего размера. Сначала они пытались использовать блендер для измельчения волокон до одинаковой длины, но пластиковые волокна не разрезались. Благодаря совету коллег из текстильного отдела, им удалось обзавестись материалами, необходимыми для исследований.

Для эксперимента была разработана формула для расчета наилучшей акустической фокусировки для микропластичных волокон Nylon 6, PET и микрочастиц полистирола. Показатели сбора оказались очень высокими: 95% для ПЭТ и 99% для Nylon 6, если не учитывать очень небольшое количество частиц, прилипших к стенкам.

Гидродинамическая сила выравнивает волокна, поэтому акустическое устройство позволяет избежать засорения. Частицы отслеживались с использованием программного обеспечения для анализа движения. Для будущих улучшений поверхность микроканалов может быть обработана с использованием методов, позволяющих минимизировать шероховатость и устранить прилипание.

Условия, необходимые для реальных приложений и масштабируемости, - это использование нескольких каналов последовательно и параллельно, с различными диаметрами и параметрами воздействия для захвата всех типов микропластиков.

При добавлении нескольких каналов, загрязнения из 100 литров воды после стирки можно будет легко сконцентрировать в объеме 50 мл и далее легко утилизировать. В исследовании использовались концентрации микропластичных волокон, максимально приближенных к реальным условиям применения.

Существующие ограничения на реализацию таковы, что процесс слива воды из стиральной машины займет много времени. Большинство микропластиков в сточных водах имеют диаметр 10 мкм и длину от 2 до 200 мкм. Акустическое устройство может успешно захватывать такие микропластики. Необходимы дальнейшие разработки в области акустофлюидики для захвата нанопластиков диаметром менее 100 нм.

Источник: EurekAlert. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127328