过滤污染：一种通过声聚焦收集微塑料的微流控装置

微塑料(MPs)，小于5毫米的塑料碎片，间接危害环境。传统上，它们是通过滤网从水中收集和去除的，这种方法效率很低。在这种情况下，日本研究人员开发了一种高富集微流控装置，利用声聚焦从废水中收集和去除10-200 μm的MPs，而无需再循环。在测试样品上，其收集率和富集率分别约为70-90%和50-100。

　　

   

   

图片:由日本研究人员开发的设备有四个连续的三叉接头，其中500千赫的声波应用于水中各种大小的微塑料的105倍富集。

资料来源:信州大学的Yoshitake Akiyama

尺寸小于5毫米的塑料碎片被称为微塑料(MPs)，是一个严重的环境问题。由于磨损和阳光照射，塑料垃圾被分解，或洗衣废水中的纤维废物产生，或作为美容产品中的微珠形成，它们吸附并引入污染环境的有害化学物质。到2050年，议员的数量可能会超过海洋中的鱼。在这种情况下，从水中收集和去除MPs是至关重要的。

传统上，MPs是通过滤网过滤水来收集的。通过密度分离和化学处理分别去除收集到的MPs中的沙子和生物碎片。在此之后，将手动拾取MPs，这既费力又耗时。此外，网格很容易堵塞，无法收集小于其孔径的颗粒。它们还需要经常维护，而且价格昂贵。鉴于这些缺点，研究人员开发了微流体装置——利用微米大小的通道控制少量流体的系统——利用声学聚焦来收集MPs。

声波技术产生超声波，将MPs输送到流体的中心，从而富集(即增加MPs的收集量)。然而，使用目前的微流体装置进行MPs的高富集需要流体通过它们进行重复再循环。在这种情况下，由日本新州大学纺织科学技术学院机械工程和机器人系教授秋山义武(Yoshitake Akiyama)领导的研究小组开发了一种10-200 μm MPs的高浓缩装置。

该设备已在新州大学纺织科学与技术学院应用生物学系的Hiroshi Moriwaki教授共同撰写的一项研究中报道，该研究于2023年3月26日在线提供，并将于2023年6月15日发表在分离与纯化技术杂志第315卷上。

“我们提出的微流控装置是基于水力-电力类比设计的，有三个1.5毫米宽的微通道，通过四个0.7毫米宽的串联三叉结点连接。MPs使用500千赫共振频率的大块声波对准中间微通道的中心。因此，3.2倍的MPs富集必须发生在每个结，导致105倍的设备整体富集，”秋山教授解释说，描述了他们的设备的设计。当MPs从三叉结的中间分支收集时，剩余的无mp流体从其他分支中移除。

研究人员通过测量直径为5、10、15、25、50、200 μm的微粒的总收集率，评估了该装置的收集性能。除5 μm微粒外，其他微粒的采集率均超过90%，这些微粒太小，无法进行声学控制。此外，研究人员使用两种水样混合物测试了该装置，一种是小的MPs (25-200 μm)，另一种是非常小的MPs (10-25 μm)。其采集率在70-90%之间，MPs的实际富集量从设计值105的一半到设计值不等。

尽管一些MPs被发现会因声辐射力而减慢并堵塞设备的微通道壁，但研究人员认为，这些微小的限制可以通过预过滤和改善2D聚焦轻松解决。

秋山教授因此得出了乐观的结论:“这种基于声聚焦的微流控装置可以高效、快速、连续地收集10-200 μm的MPs，而无需通过网格预过滤较大的MPs后再循环。它可以安装在洗衣机、工厂和其他MPs来源中，用于有效地富集和去除洗衣和工业废水中各种大小的MPs。这将有可能防止MPs排放到环境中。”