Блог

Jan 10, 2024

Микрофлюидное устройство для сбора микропластика посредством акустической фокусировки

Частицы пластикового мусора размером менее 5 мм, известные как микропластик.

Частицы пластикового мусора размером менее 5 мм, известные как микропластик (МП), представляют собой серьезную экологическую проблему. Образующиеся в результате разрушения пластиковых отходов в результате износа и воздействия солнечного света или образующиеся из отходов волокон в сточных водах прачечных и в виде микрогранул в косметических продуктах, они адсорбируют и вносят вредные химические вещества, загрязняющие окружающую среду. К 2050 году количество членов парламента может превысить численность рыбы в океанах. В этих обстоятельствах сбор и удаление МП из воды имеют решающее значение.

Обычно МП собираются путем фильтрации воды через сетки. Песок и биологический мусор удаляются из собранных МП путем разделения по плотности и химической обработки соответственно. После этого МП подбираются вручную, что трудоемко и занимает много времени. Кроме того, сетки легко засоряются и не могут собирать частицы размером меньше их апертуры. Они также требуют частого обслуживания и стоят дорого. Учитывая эти недостатки,исследователи разработалимикрофлюидные устройства — системы, которые контролируют небольшие количества жидкостей с помощью каналов микрометрового размера, — которые используют акустическую фокусировку для сбора МП.

Акустическая технология генерирует ультразвуковые волны, которые транспортируют МП к центру потока жидкости и тем самым обогащают, т.е. увеличивают собранное количество МП. Однако высокое обогащение МП с использованием современных микрофлюидных устройств требует многократной рециркуляции жидкостей через них. В связи с этим группа исследователей под руководством профессора Ёситаке Акиямы с кафедры машиностроения и робототехники факультета текстильных наук и технологий Университета Синсю разработала устройство высокого обогащения МП размером 10–200 мкм.

Об этом устройстве сообщалось в исследовании, соавтором которого является профессор Хироши Мориваки с кафедры прикладной биологии факультета текстильных наук и технологий Университета Синсю, которое было доступно в Интернете 26 марта 2023 года и будет опубликовано в 315 томе журнала. Журнал «Технологии разделения и очистки», 15 июня 2023 г.

«Предлагаемое нами микрофлюидное устройство, спроектированное на основе гидроэлектрической аналогии, имеет три микроканала шириной 1,5 мм, соединенных четырьмя последовательными тройчатыми переходами шириной 0,7 мм. МП выравниваются в центре среднего микроканала с помощью объемного акустического волна с резонансной частотой 500 кГц. В результате на каждом переходе должно происходить 3,2-кратное обогащение МП, что приводит к 105-кратному общему обогащению устройства", - объясняет Акияма, описывая конструкцию своего устройства. В то время как МП собираются из средней ветви тройчатых соединений, оставшаяся жидкость, не содержащая МП, удаляется из других ветвей.

Исследователи оценили эффективность устройства по сбору, измерив общую скорость сбора микрочастиц диаметром 5, 10, 15, 25, 50 и 200 мкм. Уровень сбора превысил 90 процентов для всех микрочастиц, кроме микрочастиц размером 5 мкм, которые были слишком малы, чтобы их можно было контролировать акустически. Кроме того, исследователи протестировали устройство, используя две пробы водных смесей: одну с маленькими МП (25–200 мкм), а другую с очень маленькими МП (10–25 мкм). Его собираемость колебалась в пределах 70–90 процентов, а фактическое обогащение МП варьировалось от половины расчетного значения 105 до расчетного.

Хотя было обнаружено, что некоторые МП замедляют и закупоривают стенки микроканалов устройства силой акустического излучения, исследователи полагают, что эти незначительные ограничения можно легко устранить с помощью предварительной фильтрации и улучшения 2D-фокусировки.

Оптимистичный Акияма заключает: «Это предлагаемое микрофлюидное устройство, основанное на акустической фокусировке, может эффективно, быстро и непрерывно собирать МП размером 10–200 мкм без рециркуляции после предварительной фильтрации более крупных МП через сетку. Его можно устанавливать в стиральных машинах, на фабриках. и другие источники ЛЧ для эффективного обогащения и удаления ЛЧ различного размера из прачечных и промышленных сточных вод. Это позволит предотвратить выброс ЛЧ в окружающую среду".