Akustisk fokusering til at samle mikroplast i vand

Mikroplast har fået meget opmærksomhed på det seneste på grund af deres vanskeligheder med at fjerne dem fra miljøet. Sigter og filtrering er i øjeblikket den fremherskende måde at opfange mikroplast i vand. Imidlertid, dette er upraktisk, fordi filtre nemt tilstoppes og regelmæssigt skal rengøres eller udskiftes. Et andet problem er, at det har været umuligt at samle noget mindre end 0,3 mm, størrelsen af ​​maskeplanktonnettets porediameter. Dette er uheldigt, fordi størstedelen af ​​mikroplastik, der forårsager kaos, er mindre end det, med ukendte effekter på øko- og biosystemerne.

En lovende ny metode til at indsamle sådan mikroplast er blevet udtænkt ved hjælp af akustik til at samle dem i vand. En bulk akustisk bølge (BAW) enhed blev designet og fremstillet, der kanaliserer mikroplastik, samle dem i den midterste kanal, mens vandet strømmer ud af de to sidekanaler. Idéen til denne undersøgelse opstod, da professor Hiroshi Moriwaki, med speciale i miljøanalyse ved Fakultet for Tekstilvidenskab og Teknologi spurgte lektor Yoshitake Akiyama, første forfatter til undersøgelsen, hvis der var en måde at tackle mikroplast i vand fra et ingeniørmæssigt synspunkt.

Forskerne fokuserede på, at en af ​​de største kilder til mikroplast i vores have er fra vaskemaskiner. En typisk vaskemaskine udleder omkring ti tusinde fibre pr. 100 liters vaskecyklus. Mange af vores tøj er lavet af kemiske fibre, og bittesmå stykker af mikroplastfibre knækker af i vaskemaskinen. Spildevandsrensningsanlæg er i øjeblikket ikke i stand til at opfange mikroplast.

Forskerne besluttede at skabe en enhed, der indsamler mikroplast og mikroplastfibre ved piezovibrationer. Ved at bruge akustik med en kraft og amplitude, der passer til længden, diameter og kompressibilitet af mikroplasten, snavs samler sig i midten af ​​en tre-kanals enhed. De to kanaler på siden driver rent vand ud, mens mikroplastfibrene samler sig i midten, efter at være blevet akustisk fokuseret ved at bruge piezo-elementet til at skabe den akustiske stående bølge. Forskellige typer mikroplast har forskellige typer densiteter, bulk modul og kompressibilitet, hvilket giver en anden akustisk kontrastfaktor (ACF). Ved at vælge bredden af ​​mikrokanalen til at være halvdelen af ​​bølgelængden i vand, partiklerne induceres til at samle sig i midten af ​​røret. Det tog omkring 0,7 sekunder for partiklerne at blive fokuseret på denne måde.

Forskerne løb ind i problemer, da de forberedte mikroplast til eksperimentet:Det var svært at skabe mikroplast i en passende størrelse. Først prøvede de at bruge en blender til at hakke fibrene i samme længde, men plastikfibrene ville ikke skære. Ved at spørge kolleger i Tekstilafdelingen, forskerne opdagede Kanehara Pile-producenten, som venligt forsynede dem med materialer, der var nødvendige til forskning.

Til eksperimentet, en formel blev udtænkt til at beregne den bedste akustiske fokusering for at målrette mikroplastfibre Nylon 6, KÆLEDYR, og polystyren-mikropartikler. Indsamlingsprocenten var meget høj, 95 % for PET og 99 % for Nylon 6, når der ikke tages højde for minimale partikler, der klæber til væggene. Den hydrodynamiske kraft justerer fibrene, så BAW-enheden undgår tilstopning. Partiklerne blev sporet ved hjælp af bevægelsesanalysesoftware. For fremtidige forbedringer, overfladen af ​​mikrokanalerne kunne fremstilles ved at bruge metoder til at minimere ruhed og modvirke klæbning.

Forfinelser, der er nødvendige for anvendelser i den virkelige verden og skalerbarhed involverer brugen af ​​flere kanaler i serie og parallel med forskellige diametre og kraft til at fange alle typer mikroplast. Ved at tilføje flere kanaler (7 tredelte, hvilket betyder 3 til 7) 100 liter vaskevand kan nemt koncentreres til 50 ml, hvilket ville gøre det nemt at smide ud eller brænde. Undersøgelsen brugte koncentrationer af mikroplastfibre på det maksimale, der forventes i virkelige applikationer. De nuværende begrænsninger for implementeringer er, at dræningsprocessen vil tage lang tid.

Med denne undersøgelse, PS-perler med en diameter på 15 μm blev fanget, og i teorien, minimumsstørrelsen af ​​PS-perler, der er i stand til at blive fanget af denne BAW-enhed, er 4,3 μm. Mindre perler kunne fanges med modifikationer af BAW-enheden. Det meste mikroplast i spildevand har en diameter på 10 μm og en længde på 2 til 200 μm. BAW-enheden kan med succes fange sådanne mikroplastik. Yderligere udvikling inden for akustofluidik er nødvendig for at fange nanoplastik mindre end 100 nm i diameter.