利用基于惯性微流控技术的完全自动化自清洁台式系统实现连续高效去除微塑料：一项初步研究

《Journal of Water Process Engineering》：Continuous high-throughput microplastic removal using a fully automated self-cleaning benchtop system based on inertial microfluidics: a pilot study

本研究开发了一种全自动桌面微塑料去除系统，结合螺旋惯性微流控和空气驱动自清洁机制，有效去除10-30μm微塑料，产水率达100mL/min，效率达97.6%，优于传统POU膜过滤系统，具有紧凑、节能和免维护优势。

　　

Jiyun Kim | Byungjoo Kang | Daeyong Kim | Hyuntae Lim | Sangil Cho | Yeeun Lee | Junghyo Yoon | Jongyoon Han | Hyungkook Jeon

韩国首尔科技大学（SEOULTECH）制造系统与设计工程系（MSDE），韩国首尔Nowon-gu区Gongneung-ro 232号，邮编01811

摘要

全球塑料消费量的迅速增加加剧了微塑料污染问题，引发了人们对生态和人类健康影响的担忧。传统的净化方法，如膜过滤和混凝-絮凝，存在污染、堵塞以及设备体积庞大等局限性，这限制了它们在紧凑型或现场使用（POU）系统中的应用。本文介绍了一种全自动的台式微塑料去除系统，该系统结合了一个紧凑的螺旋微通道模块和空气驱动的自清洁机制，无需人工干预即可生产出无微塑料的水。该平台采用隔膜泵、非接触式水位传感器和基于Arduino的控制器，能够自主在净化模式和空气冲洗模式之间切换，保持稳定的过滤效果并防止颗粒堆积。使用20–30微米的聚苯乙烯微珠，该设备实现了连续的无膜净化，净化水收集速率为约100毫升/分钟，平均去除效率达到97.6%。高速成像证实了其无堵塞运行的可靠性，技术经济分析显示其成本和可持续性优于传统的POU膜装置。这些结果突显了所提出的台式平台作为紧凑、节能且免维护的微塑料净化解决方案的潜力，适用于实际的水源地现场使用（POU）净化。

引言

全球塑料消费量的快速增长使微塑料成为了一个紧迫的环境和人类健康问题[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。微塑料通常被定义为尺寸小于5毫米的塑料碎片，可能来源于较大塑料产品的降解或初级制造过程，例如化妆品微珠和工业磨料。越来越多的证据表明，微塑料不仅存在于海洋和淡水环境中，还存在于饮用水甚至大气系统中[6]、[7]、[8]、[9]。其中，来自一次性塑料容器（尤其是瓶装水）的微塑料尤其受到关注，其颗粒大小主要集中在10–50微米范围内[10]、[11]、[12]。这种尺寸范围的颗粒特别令人担忧，因为它们有可能穿透生物屏障，引发组织炎症、氧化应激和内分泌紊乱[13]、[14]。 传统的微塑料去除方法，如膜过滤、混凝-絮凝和沉淀，存在分离效率、运行稳定性和维护需求之间的固有权衡[15]、[16]、[17]。基于膜的系统虽然具有高效的选择性过滤能力，但容易发生污染和堵塞，从而降低通量并需要频繁更换滤芯[18]、[19]、[20]。这些运营挑战导致了高昂的维护成本，并产生了废弃滤芯带来的二次塑料废物。替代的物理分离技术，如混凝-絮凝、离心和沉淀，往往依赖于体积庞大的设备或大量的能源输入，限制了它们在紧凑型、连续型或现场使用（POU）系统中的应用。这些挑战共同凸显了对下一代净化平台的需求，这种平台能够以连续、节能、无堵塞且可持续的方式去除悬浮微塑料，同时具备紧凑性和便携性，以实现现场使用（POU）的应用。 螺旋惯性微流控技术因其无标记、被动、连续和高通量操作能力而成为一种有前景的替代方案。在螺旋惯性微流控设备中，颗粒在惯性升力和二次Dean流诱导的阻力作用下移动，达到尺寸依赖的平衡位置[21]、[22]、[23]、[24]。这种内在的尺寸依赖性颗粒操控能力使得螺旋惯性微流控设备广泛应用于颗粒分离和去除，众多研究证明了其强大的性能和卓越的有效性，特别是在生物工程应用中[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]。 值得注意的是，Jeon等人最近通过塑料注塑成型实现大规模生产，并将生产出的设备堆叠起来，从而显著提高了通量[40]。这种方法大大扩展了螺旋惯性微流控的应用范围，此前其应用受到低通量的限制。作为代表性的例子，Jeon等人展示了使用高通量螺旋惯性微流控设备去除微流控通道中的微塑料[41]。在这项研究中，多通道塑料螺旋系统实现了连续、无堵塞的微塑料去除，净化水收集速率高达约125毫升/分钟，去除效率根据颗粒大小不同而变化，最高可达约99%，成功展示了10升规模的操作。然而，该系统仍需要大型实验室泵和庞大的实验装置，操作时需要人工干预以清除设备内的残留样品和连接管。这些要求限制了平台的便携性和自动化程度，凸显了开发适用于实际现场使用（POU）应用的紧凑型全自动台式系统的必要性。 为了解决这些限制，本研究介绍了一种全自动的台式微塑料去除系统，该系统将惯性微流控技术与空气驱动的自清洁机制相结合。该系统围绕一个由隔膜泵驱动的紧凑螺旋微通道模块设计，并由基于Arduino的反馈控制器和非接触式水位传感器控制。这种配置实现了净化模式和自清洁模式之间的自动切换，有效防止了颗粒堆积，同时保持了稳定的性能。所开发的设备以紧凑（10 × 15 × 20厘米）和便携的形式运行，适用于家庭或现场使用（POU）应用，无需依赖庞大的实验室基础设施。 在这项初步研究中，我们证明了该自动化台式系统用于连续微塑料去除的可行性和性能。使用代表瓶装水中常见微珠的聚苯乙烯微珠进行了定量净化测试，并评估了系统的去除效率、运行稳定性和自清洁能力。此外，还进行了与传统POU膜过滤系统的经济技术对比分析，以评估其成本竞争力和长期可持续性。总体而言，这些结果证明了所提出的系统是一种下一代、节能且自主运行的净化平台，填补了微流控研究与实际水处理应用之间的差距。

设备制造

塑料螺旋微流控设备是通过注塑成型制造的，具体方法如先前研究[41]所述。使用3D CAD软件（SolidWorks 2020，SolidWorks，美国）设计了特定的通道尺寸（图S1）。注塑成型过程中，顶部（具有或不具有突出连接端口的平面表面）和底部（通道侧）的主模具均采用硬质铝材料通过微铣削工艺制造（RnD Factory，韩国）。

利用惯性微流控技术的高通量台式微塑料去除系统概述

图1a展示了螺旋微流控设备中微塑料去除的工作原理。被微塑料污染的水样被引入设备后，悬浮颗粒受到尺寸依赖的流体动力侧向力的作用，包括惯性升力和Dean阻力。作用在颗粒上的惯性升力可以表示为 $F_L=f_L\rho U_m^2{a}^4/H^2$ 其中 $f_L$ 是升力系数， $\rho$ 是流体密度， Um 是平均流体速度，

讨论与结论

在这项研究中，我们开发并实验验证了一种全自动的台式微塑料去除系统，该系统将惯性微流控技术与空气驱动的自清洁机制相结合。在之前报道的多通道螺旋单元[41]的基础上，新设计的系统能够在紧凑且便携的平台上实现连续、高通量的净化（净化水收集速率约为100毫升/分钟），完全自主运行，无需额外设备。

CRediT作者贡献声明

Jiyun Kim：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、调查、形式分析、数据整理。 Byungjoo Kang：撰写 – 审稿与编辑、调查、形式分析。 Daeyong Kim：撰写 – 审稿与编辑、调查、形式分析。 Hyuntae Lim：撰写 – 审稿与编辑、调查、形式分析。 Sangil Cho：撰写 – 审稿与编辑、调查、形式分析。 Yeeun Lee：撰写 – 审稿与编辑、调查、形式分析。 Junghyo Yoon：撰写 –

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：作者H.J.和J.H.拥有与螺旋颗粒分离过程相关的专利和专利申请。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助，该基金由韩国政府（MSIT）提供（项目编号：RS-2024-00413607，基础研究实验室计划），以及韩国技术进步院（KIAT）的资助，该基金由韩国政府（MOTIE）提供（项目编号：RS-2025-02304112，工业创新人力资源开发计划）。此外，本工作还得到了韩国首尔科技大学的支持。