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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^濾器容易堵塞并且需要定期清潔或更換。另一個(gè)問題是，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)院專門從事環(huán)境分析的森浩弘教授問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。廢水處理廠目前無法捕獲微塑料。
研究人員決定創(chuàng)建一種通過壓電振動(dòng)收集微塑料和微塑料纖維的設(shè)備。通過以適合于微塑料的長度，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)。通過將微通道的寬度選擇為水中波長的一半，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度，但塑料纖維卻無法切割。通過詢問紡織部門的同事，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。為了將來的改進(jìn)，可以通過使用使粗糙度最小化和阻止粘附的方法來產(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)施的限制是消耗過程將花費(fèi)很長時(shí)間。
通過這項(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。
