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聲學(xué)聚焦可積聚水中的微塑料
由于微塑料很難從環(huán)境中清除，因此最近受到了廣泛的關(guān)注。目前，篩分和過(guò)濾是捕獲水中微塑料的主要方法。但是，這是不切實(shí)際的，因?yàn)檫^(guò)濾器容易堵塞并且需要定期清潔或更換。另一個(gè)問(wèn)題是，不可能收集小于0.3毫米(網(wǎng)眼浮游生物凈孔徑大小)的東西。這是不幸的，因?yàn)橐鹌茐牡拇蠖鄶?shù)微塑料都比這種塑料小，對(duì)生態(tài)和生物系統(tǒng)的影響未知。
已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種有前途的收集這種微塑料的新方法，該方法利用聲學(xué)將它們收集在水中。設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)體聲波(BAW)裝置，該裝置可以引導(dǎo)微塑料，將它們收集在中間通道中，而水則從兩側(cè)通道中流出。這項(xiàng)研究的主意是在紡織科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專門(mén)從事環(huán)境分析的森浩弘教授問(wèn)到該研究的第一作者秋山芳武副教授是否從工程的角度出發(fā)解決水中的微塑料的。
研究人員關(guān)注的事實(shí)是，我們海洋中最大的微塑料來(lái)源之一是洗衣機(jī)。典型的洗衣機(jī)每100升洗滌周期排放約一萬(wàn)根纖維。我們的許多衣服都是用化學(xué)纖維制成的，而細(xì)小的塑料纖維碎片會(huì)在洗衣機(jī)中脫落。廢水處理廠目前無(wú)法捕獲微塑料。
研究人員決定創(chuàng)建一種通過(guò)壓電振動(dòng)收集微塑料和微塑料纖維的設(shè)備。通過(guò)以適合于微塑料的長(zhǎng)度，直徑和可壓縮性的力和振幅使用聲音，碎屑會(huì)聚集在三通道設(shè)備的中間。側(cè)面的兩個(gè)通道排出清潔的水，而微塑料纖維聚集在中間，利用壓電元件進(jìn)行聲學(xué)聚焦，從而產(chǎn)生聲駐波。不同類型的微塑料具有不同類型的密度，體積模量和可壓縮性，這導(dǎo)致了不同的聲學(xué)對(duì)比度(ACF)。通過(guò)將微通道的寬度選擇為水中波長(zhǎng)的一半，可以促使粒子聚集在管的中間。大約花了0。
研究人員在為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備微塑料時(shí)遇到了麻煩：很難制造出合適尺寸的微塑料。最初，他們嘗試使用混合機(jī)將纖維切成相同的長(zhǎng)度，但塑料纖維卻無(wú)法切割。通過(guò)詢問(wèn)紡織部門(mén)的同事，研究人員發(fā)現(xiàn)了Kanehara絨毛制造商，后者為他們提供了研究所需的材料。
對(duì)于該實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)公式來(lái)計(jì)算針對(duì)目標(biāo)微塑料纖維尼龍6，PET和聚苯乙烯微粒的最佳聲聚焦。收集率非常高，當(dāng)不考慮粘附在墻上的最小顆粒時(shí)，PET的收集率為95%，尼龍6的收集率為99%。流體動(dòng)力使纖維對(duì)齊，從而使BAW設(shè)備避免堵塞。使用運(yùn)動(dòng)分析軟件跟蹤粒子。為了將來(lái)的改進(jìn)，可以通過(guò)使用使粗糙度最小化和阻止粘附的方法來(lái)產(chǎn)生微通道的表面。
實(shí)際應(yīng)用和可伸縮性所需的改進(jìn)包括使用多個(gè)具有不同直徑的串行和并行通道，并強(qiáng)制捕獲所有類型的微塑料。通過(guò)添加多個(gè)通道(7個(gè)三叉通道，意味著3等于7的冪)，可以將100升洗衣水毫不費(fèi)力地濃縮為50 mL，這很容易丟棄或燃燒。該研究使用了現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中所期望的最大濃度的微塑性纖維。當(dāng)前實(shí)施的限制是消耗過(guò)程將花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。
通過(guò)這項(xiàng)研究，捕獲了直徑為15μm的PS珠，理論上，該BAW設(shè)備能夠捕獲的PS珠的最小尺寸為4.3μm。修改BAW設(shè)備可以捕獲較小的珠子。廢水中的大多數(shù)微塑料的直徑為10μm，長(zhǎng)度為2至200μm。BAW設(shè)備可以成功捕獲此類微塑料。為了捕獲直徑小于100 nm的納米塑料，聲流體技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展。
