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YoshitakeAkiyama教授领导的一组研究人员开发了一种用于10-200μmMPs的高浓缩装置。

该设备已在信州大学纺织科学与技术学院应用生物学系教授HiroshiMoriwaki与人合着的一项研究中进行了报道，该研究于2023年3月26日在线提供，并将发表在Separationand净化技术杂志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使用体声波排列在中间微通道的中心500kHz共振频率的波。因此，在每个连接点必须发生3.2倍的MP富集，从而导致设备整体富集105倍，”Akiyama教授解释说，他描述了他们的设备设计。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200μm的微粒的总收集率来评估该设备的收集性能。除5μm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，一种具有小MP(25-200μm)，另一种具有非常小的MP(10-25μm)。其收集率在70%~90%之间，MPs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，Akiyama教授总结说：“这种基于声学聚焦的微流控装置可以高效、快速、连续地收集10-200μm的MPs，无需再循环，在通过筛网预过滤较大的MPs后。它可以安装在洗衣机、工厂中，以及其他MPs来源，可有效地从洗衣和工业废水中富集和去除各种尺寸的MPs。这将有可能防止MPs排放到环境中。”