一种通过声学聚焦收集微塑料的微流体装置

尺寸小于 5 毫米的塑料碎片颗粒，称为微塑料 (MP)，是一个严重的环境问题。它们由塑料废弃物因磨损和阳光分解而形成，或由洗衣废水中的纤维废弃物产生，并作为美容产品中的微珠，吸附和引入污染环境的有害化学物质。到 2050 年，国会议员的数量可能会超过海洋中的鱼类。在这种情况下，从水中收集和去除 MP 至关重要。

传统上，MP 是通过滤网过滤水来收集的。分别通过密度分离和化学处理从收集的 MP 中去除沙子和生物碎片。之后需要人工拾取MP，费时费力。此外，网眼很容易堵塞，无法收集小于其孔径的颗粒。它们还需要经常维护并且价格昂贵。鉴于这些缺点，研究人员开发了微流体设备——使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 MP。

声学技术产生超声波，将 MP 传输到流体流的中心，从而富集(即增加收集的 MP 量)。然而，使用当前的微流体装置对 MP 进行高富集需要通过它们反复循环流体。有鉴于此，由信州大学纺织科学与技术学院机械工程与机器人学系 Yoshitake Akiyama 教授领导的一组研究人员开发了一种用于 10-200 μm MPs 的高浓缩装置。

信州大学纺织科学与技术学院应用生物学系 Hiroshi Moriwaki 教授与人合着的一项研究报告了该设备，该研究于 2023 年 3 月 26 日在线提供，并将发表在第 315卷Separation and Purification Technology杂志 2023 年 6 月 15 日。

“我们提出的微流体装置是基于液压-电动类比设计的，具有三个 1.5 毫米宽的微通道，通过四个串联的 0.7 毫米宽的三叉路口连接。MP 使用 500 kHz 共振频率的体声波排列在中间微通道的中心。因此，在每个连接处必须发生 3.2 倍的 MP 富集，从而导致设备整体富集 105 倍，” Akiyama 教授在描述他们的设备设计时解释道。当 MPs 从三叉路口的中间分支收集时，剩余的无 MP 流体从其他分支中移除。

研究人员通过测量其对直径为 5、10、15、25、50 和 200 μm 的微粒的总收集率来评估该设备的收集性能。除 5 μm 微粒外，所有微粒的收集率均超过 90%，这些微粒太小而无法进行声学控制。此外，研究人员使用两种样品水混合物测试了该装置，一种含有小 MP(25-200 μm)，另一种含有非常小的 MP(10-25 μm)。其收集率在 70-90% 之间，MP 的实际富集从设计值 105 的一半到设计值不等。

尽管发现一些 MP 会通过声辐射力减慢并堵塞设备的微通道壁，但研究人员认为这些小限制可以通过预过滤和改进 2D 聚焦轻松解决。

因此，乐观的 Akiyama 教授总结道：“这种基于声学聚焦的微流体装置可以高效、快速、连续地收集 10-200 μm 的 MPs，而无需在通过筛网预过滤较大的 MPs 后进行再循环。它可以安装在洗衣机、工厂和其他 MPs 来源，用于从洗衣和工业废水中高效富集和去除各种尺寸的 MPs。这将有可能防止国会议员排放到环境中。”

多亏了信州大学研究人员的这项有用发明，我们为无微塑料的清洁环境祈祷。