超声波助力塑料污染治理问题 ​

超声波助力塑料污染治理问题

从水源地到北冰洋，五颜六色的塑料颗粒沿着水道的表面漂移，这些几乎不可见的微塑料——小于5毫米宽——对水生动植物和人类都有潜在的危害。因此，研究人员正在设计方法来清除它们，并从源头上阻止它们。近日，一个研究小组报告了一种由钢管和脉冲声波制成的两阶段装置，它可以从真实的水样中去除大部分塑料颗粒。

该项目的首席研究员Menake Piyasena博士说：“这个想法来自与一位同事的讨论，他说我们需要从水中收集微塑料的新方法。”“因为声波可以将粒子推到一起，我想知道我们是否可以使用它们来聚合水中的微塑料，从而更容易把塑料去除。”

过滤是从水中去除这些材料的最常用技术。例如，洗衣机出口过滤器可以防止洗涤过程中从衣服上脱落的纤维进入废水。但这种方法在大规模上可能成本很高，需要定期清洗过滤器，而过滤器可能会被堵塞。

另一种选择是利用声波将塑料粒子集中在流动的水中，声波将能量传递给附近的粒子，使其中一些粒子振动和移动。想象一下，一个扬声器大声播放音乐，地面震动，灰尘和污垢相互碰撞。科学家们已经利用这一现象从液体中分离出生物颗粒，例如从血浆中分离出红细胞。

最近，一些团队已经将这种方法应用于从他们在实验室中用纯水制备的样品中分离微塑料。但这项工作是在少量的水中完成的。新墨西哥理工学院Piyasena实验室的研究生Nelum Perera解释说，他们还使用了只有几十微米宽的微塑料——比人类头发的宽度还小。

“我读到过，环境中的大多数微塑料都比这个大，”Perera说，“所以，我想开发一种设备，可以对大多数尺寸有用并可以扩大规模，以满足全世界的目标。”

为了适应更高的水流流速，Perera设计了一种概念验证装置，该装置采用8毫米宽的钢管连接到一个进口管和多个出口管。然后她在金属管的一侧安装了一个换能器。当换能器被打开时，它会在金属管上产生超声波，在微塑料通过系统时施加声力，使它们更容易被捕获。Piyasena解释说，与传统的过滤方法相比，原型设备相对简单，因为它不像过滤器那样容易堵塞。

在聚苯乙烯、聚乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯微塑料的初始实验中，研究人员发现，在声学力存在的情况下，较小的颗粒（6~180μm宽）与较大的颗粒（180~300μm宽）的行为不同。两种大小的颗粒插入纯水中，沿着通道中心排列，从中间的出口流出，而清洁的水则从周围的出口流出。但如果在水中加入洗衣液或织物柔顺剂，较大的颗粒就会集中在侧面，从侧面的出口流出，而纯净水则从中间的出口流出。

基于这些结果，研究人员着手开发一种可以利用这些不同运动的系统。他们将两根钢管串联起来：第一阶段捕获宽度小于180μm的小微塑料，而带有剩余较大微塑料的水流进入第二阶段进行清洗。Perera说：“我们用这种方法去除了70%以上的小塑料和82%以上的大塑料。”

为了证明这个两级系统可以落地使用，Perera和Piyasena从新墨西哥理工学院校园的一个池塘和格兰德河收集了水。他们过滤了所有的样品，以去除较大的污染物，留下的水仍然含有可能影响分离的溶解物质。接下来，他们在水中加入微塑料。当环境水样通过声学装置时，塑料颗粒被有效去除，就像从纯水中去除一样。佩雷拉估计，有了这个原型机，运行目前的设备一个小时大约需要7美分，清洗一升水大约需要一个半小时。

该团队的下一步是开发一个更宽的管道系统，或多管束，并在真实世界的未加标样本上进行试验，包括海水和洗衣机废水。Piyasena说：“我们已经证明，声交互作用力可以用来集中各种尺寸的微塑料。”“从这里开始，我们想证明这可以在更大的范围内用已经含有微塑料的真实样本来实现。”

信息源于：phys.org

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