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Jan 10, 2024

Ein mikrofluidisches Gerät zum Sammeln von Mikroplastik mittels akustischer Fokussierung

Plastikmüllpartikel mit einer Größe von weniger als 5 mm, sogenanntes Mikroplastik

Kunststoffabfälle mit einer Größe von weniger als 5 mm, sogenannte Mikroplastik (MP), stellen ein ernstes Umweltproblem dar. Sie entstehen durch die Zersetzung von Kunststoffabfällen durch Abnutzung und Sonnenlicht oder entstehen durch Faserabfälle im Wäscheabwasser und als Mikrokügelchen in Schönheitsprodukten. Sie absorbieren schädliche Chemikalien und tragen sie ein, die die Umwelt verschmutzen. Bis 2050 könnte es mehr Abgeordnete geben als Fische in den Ozeanen. Unter diesen Umständen ist das Sammeln und Entfernen von MPs aus dem Wasser von entscheidender Bedeutung.

Herkömmlicherweise werden MPs gesammelt, indem Wasser durch Maschen gefiltert wird. Der Sand und die biologischen Rückstände werden durch Dichtetrennung bzw. chemische Behandlung aus den gesammelten MPs entfernt. Danach werden die MPs manuell abgeholt, was mühsam und zeitaufwändig ist. Darüber hinaus können die Maschen leicht verstopfen und Partikel, die kleiner als ihre Öffnung sind, nicht auffangen. Sie erfordern außerdem häufige Wartung und sind teuer. Angesichts dieser MängelForscher haben entwickeltMikrofluidische Geräte – Systeme, die kleine Flüssigkeitsmengen mithilfe mikrometergroßer Kanäle steuern – die akustische Fokussierung nutzen, um MPs zu sammeln.

Die akustische Technologie erzeugt Ultraschallwellen, die MPs in die Mitte des Flüssigkeitsstroms transportieren und dadurch die MPs anreichern, dh die gesammelte Menge erhöhen. Allerdings erfordert eine hohe Anreicherung von MPs mit aktuellen mikrofluidischen Geräten eine wiederholte Rezirkulation von Flüssigkeiten durch sie. Vor diesem Hintergrund hat eine Forschergruppe unter der Leitung von Professor Yoshitake Akiyama von der Abteilung für Maschinenbau und Robotik der Fakultät für Textilwissenschaft und -technologie der Shinshu-Universität ein Gerät zur Hochanreicherung von MPs mit einer Größe von 10–200 μm entwickelt.

Über dieses Gerät wurde in einer von Professor Hiroshi Moriwaki von der Abteilung für Angewandte Biologie der Fakultät für Textilwissenschaft und -technologie der Shinshu-Universität mitverfassten Studie berichtet, die am 26. März 2023 online verfügbar gemacht wurde und in Band 315 des Buches veröffentlicht wird Zeitschrift Separation and Purification Technology am 15. Juni 2023.

„Unser vorgeschlagenes mikrofluidisches Gerät, das auf einer hydraulisch-elektrischen Analogie basiert, verfügt über drei 1,5 mm breite Mikrokanäle, die über vier serielle, 0,7 mm breite, dreifach gegabelte Verbindungen verbunden sind. Die MPs werden mithilfe einer Bulk-Akustik in der Mitte des mittleren Mikrokanals ausgerichtet Welle mit einer Resonanzfrequenz von 500 kHz. Dadurch muss an jedem Übergang eine 3,2-fache Anreicherung der MPs erfolgen, was zu einer 105-fachen Gesamtanreicherung im Gerät führt“, erklärt Akiyama den Aufbau ihres Geräts. Während die MPs aus dem mittleren Zweig der dreifach gegabelten Verbindungen gesammelt werden, wird die verbleibende MP-freie Flüssigkeit aus den anderen Zweigen entfernt.

Die Forscher bewerteten die Sammelleistung des Geräts, indem sie seine Gesamtsammelraten für Mikropartikel mit einem Durchmesser von 5, 10, 15, 25, 50 und 200 μm maßen. Die Sammelraten lagen bei allen Mikropartikeln mit Ausnahme von 5 μm, die zu klein waren, um akustisch kontrolliert zu werden, bei über 90 Prozent. Darüber hinaus testeten die Forscher das Gerät mit zwei Probenwassermischungen, eine mit kleinen MPs (25–200 μm) und eine andere mit sehr kleinen MPs (10–25 μm). Die Sammelquoten lagen zwischen 70 und 90 Prozent, und die tatsächliche Bereicherung der MPs schwankte zwischen der Hälfte des Designwerts von 105 und dem Designwert.

Obwohl festgestellt wurde, dass einige MPs die Mikrokanalwände des Geräts durch akustische Strahlungskraft verlangsamen und verstopfen, glauben die Forscher, dass diese geringfügigen Einschränkungen durch Vorfiltration und Verbesserung der 2D-Fokussierung leicht behoben werden können.

Ein optimistischer Akiyama kommt daher zu dem Schluss: „Dieses vorgeschlagene mikrofluidische Gerät, das auf akustischer Fokussierung basiert, kann nach Vorfiltration größerer MPs durch ein Netz effizient, schnell und kontinuierlich 10–200 μm große MPs ohne Rückführung sammeln. Es kann in Waschmaschinen und Fabriken installiert werden.“ und andere MP-Quellen zur effizienten Anreicherung und Entfernung von MPs unterschiedlicher Größe aus Wäscherei- und Industrieabwässern. Dadurch wird es möglich, die Einleitung von MPs in die Umwelt zu verhindern.“

Dank dieser nützlichen Erfindung von Forschern der Shinshu-Universität drücken wir die Daumen für eine sauberere Umwelt ohne Mikroplastik.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Shinshu-Universität veröffentlicht