通过声聚焦收集微塑料的微流控装置，用于过滤环境污染物
2023-04-22 10:16:36 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
日本信州大学（Shinshu University）的研究人员开发了一种微流控装置——使用直径在微米级的通道来控制少量流体的系统，该系统利用声聚焦来收集微塑料。
尺寸小于5 mm的塑料碎片颗粒被称为微塑料（MP），会造成严重的环境问题。微塑料由磨损及光照导致的塑料废料分解形成，或由洗衣废水的纤维废料和美容产品中的微珠产生，其吸附携带污染环境的有害化学物质。预计到2050年，全球微塑料的数量可能会超过海洋中的鱼类。在此种情况下，收集和清除水中的微塑料至关重要。
日本研究人员开发的微流控装置有四个串联的三叉结，在每个三叉结处施加500 kHz的声波，用于水中各种大小的微塑料的富集（可浓缩105倍）（来源：信州大学）
传统的收集微塑料的方法是通过筛网过滤水，再分别通过密度分离和化学处理从收集的微塑料中去除沙子和生物碎屑。之后，微塑料经由人工挑选，这既费力又耗时。而且，网格很容易堵塞，无法收集直径小于其孔径的颗粒。并且，筛网需要频繁的维护，价格又昂贵。据麦姆斯咨询报道，鉴于这些缺点，日本信州大学（Shinshu University）的研究人员开发了一种微流控装置——使用直径在微米级的通道来控制少量流体的系统，该系统利用声聚焦来收集微塑料。
通过声学技术产生的超声波，将微塑料输送到流体中心，从而达到富集微塑料的效果，即增加收集微塑料的量。然而，使用当前的微流控装置对微塑料进行高富集需要流体通过该装置，进而重复再循环。鉴于此，信州大学纺织科学与技术学院机械工程与机器人系的Yoshitake Akiyama教授领导的研究小组开发了一种用于直径在10 μm ~ 200 μm范围微塑料的高富集装置。
该微流控装置已在信州大学纺织科学与技术学院应用生物学系Hiroshi Moriwaki教授与其他研究人员合著的论文中有所报道，该论文于2023年3月26日发布在Journals & Books上，并将于2023月6月15日发表于《分离与纯化技术》（Separation and Purification Technology）期刊上。
Yoshitake Akiyama教授在描述该微流控装置的设计时解释道：“我们提出的微流控装置是基于液压-电气模拟设计的，有三个1.5 mm宽的微通道，通过四个0.7 mm宽的三叉结串联连接。我们使用500 kHz共振频率的体声波，将微塑料排列在中间微通道的中心。因此，每个三叉结处实现3.2倍的微塑料富集，最终实现微流控装置105倍的总富集。当从三叉连接结中间的分支收集微塑料时，剩余的无微塑料的流体从其它分支移除。”
研究人员通过测量直径为5 μm、10 μm、15 μm、25 μm、50 μm和200 μm微塑料的总收集率来评估该微流控装置的收集性能。除5 μm微塑料之外，其它微塑料的收集率均超过90%，5 μm的微粒太小，无法进行声学控制。此外，研究人员使用两种样品水混合物对该微流控装置进行了测试，一种是较小的微塑料（直径25 μm ~ 200 μm），另一种是非常小的微塑料（直径10 μm ~ 25 μm）。其收集率在70%~90%之间，微塑料的实际富集度从52.5倍到设计值105倍不等。
尽管研究人员发现一些微塑料的收集会减慢，因为微塑料似乎被声辐射力困住并附着在微通道壁上，进而堵塞装置的微通道，但是研究人员认为，通过预过滤和改善2D声聚焦，可以很容易地解决这类小问题。
Yoshitake Akiyama教授由此得出结论：“这种基于声聚焦的微流控装置可以高效、快速、连续地收集直径在10 μm ~ 200 μm的微塑料，通过筛网预过滤较大的微塑料后无需再循环。该微流控装置可以安装在洗衣机、工厂和其它微塑料来源场景中，以有效地富集和去除洗衣及工业废水中的各种大小的微塑料，这将有可能防止微塑料排放到环境中。”
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123697
延伸阅读：
上一篇：基于频率梳的呼吸分析仪可准确检测新冠病毒肺炎
下一篇：最后一页