超音波パルスが海洋からマイクロプラスチックを除去する可能性がある

Sep 16, 2023

エリザベス・モンタルバーノ | 2023 年 4 月 19 日

海洋やその他の水域に浮遊するマイクロプラスチックは、世界の大規模な汚染源であり、野生動物、環境、さらには人間に脅威を与えています。 現在、研究者らは、この地球規模の問題に対する潜在的な解決策として、パルス音波を使用してプラスチック粒子を除去する概念実証装置を開発しました。

ニューメキシコ鉱業工科大学のメナケ・ピヤセナ准教授が率いるチームは、鋼管とパルス音波で構成される2段階装置を開発し、実際の水サンプルから幅5ミリメートル未満の小さなプラスチック粒子を除去できることを実証した。 。

この解決策は、科学者たちがマイクロプラスチックの問題に取り組むために注目している数多くの方法の 1 つである。マイクロプラスチックは海洋に大量のプラスチック廃棄物があり、その後、動物が摂取し、その後海で魚を食べるときに人間も摂取し、洗浄も行う。陸の上に。

現在どれだけのマイクロプラスチックが存在するかについての予測はかなり悲惨だが、2021年の九州大学の研究では、世界の高層海洋には約24.4兆個、総重量8万2000～57万8000トンのマイクロプラスチックが存在することが判明しているが、科学者らはマイクロプラスチックが地球に与える影響を予測している。現在の問題に対する解決策が広く適用されれば、環境、さらには人間の健康さえも削減される可能性があります。

ピヤセナ氏のチームは、この問題との戦いに役立つ発明を追加したいと考えている。 超音波を使用してマイクロプラスチックを収集するというアイデアは、プロジェクトの主任研究者が水からこれらのプラスチックを除去する問題を解決する方法について同僚と行った議論から生まれたと彼は述べた。

「音響の力で粒子を押し寄せることができるので、音響の力を利用して水中のマイクロプラスチックを凝集させ、プラスチックを除去しやすくできないか考えました」と同氏は語った。

結局のところ、科学者たちは音波を使ってエネルギーを粒子に伝達し、粒子を振動させ、移動させ、その後集めやすくするために集まることができることを研究者らは発見した。 実際、科学者たちはすでにこの概念を、大音量の音楽を再生するスピーカーが地面を揺るがすのと同じように、血漿などの液体から赤血球などの生物学的粒子を分離するなど、他のプロセスに適用しています。

当初、ニューメキシコ工科大学のチームは、実験室で少量の純水を使用して調製したサンプルから、幅数十ミクロン（人間の髪の毛の幅より小さい）のマイクロプラスチックを分離する理論を検証しました。

しかし、環境中のマイクロプラスチックがそれよりも大きいことを知っていたため、ピヤセナ氏のチーム（研究室の大学院生であるネラム・ペレラ氏を含む）は、存在するほとんどのサイズのマイクロプラスチックに使用でき、また、破壊される可能性がある装置の構築に着手しました。実世界で使用できるようにスケールアップしたと彼女は言いました。

より高い水流量に対応するために、ペレラ氏は 1 本の入口チューブと複数の出口チューブに接続された幅 8 mm の鋼管を備えた概念実証装置を作成し、金属管の側面にトランスデューサーを取り付けました。 このトランスデューサーをオンにすると、金属チューブ全体に超音波が発生し、マイクロプラスチックがシステムを通過するときに音響力がマイクロプラスチックに加えられます。 その結果、音波により粒子が捕捉されやすくなります。

研究者らによると、このプロトタイプの装置は、マイクロプラスチックを収集するために現在最も一般的に使用されている従来の濾過方法と比べて比較的単純だという。 フィルターベースのソリューションほど目詰まりしにくいからだという。

研究者らはこの装置をポリスチレン、ポリエチレン、ポリメタクリル酸メチルのマイクロプラスチックでテストし、小さい粒子（幅6～180μm）と大きい粒子（幅180～300μm）の挙動の違いを観察したという。

システムのこれらのテスト実行では、両方のサイズの粒子がチャネルの中心に沿って配置され、中央の出口から流出し、周囲の出口からきれいな水が流出しました。 しかし、研究者が洗濯洗剤や柔軟剤を水に加えた場合、より大きな粒子によってその挙動が変化しました。 それらは側面に沿って集まり、側面の出口から出て、中央の出口から浄化された水が出ました。

粒子のさまざまな動作についてこのことを知った研究者は、さまざまな動きを利用できるシステムの開発を目指しました。 これを行うために、彼らは2本の鋼管を直列に接続し、第1ステージで幅180μm未満の小さなマイクロプラスチックを捕捉し、残った大きなマイクロプラスチックを含む水流が第2ステージに移動して洗浄された。

「この方法で、小さなプラスチックの 70% 以上、大きなプラスチックの 82% 以上を除去できました」とペレラ氏は新しいシステムのテスト結果について語った。

チームの次のステップは、この 2 段階システムが現実世界のアプリケーションで機能することを証明することであり、ペレラとピヤセナは、ニューメキシコ工科大学のキャンパスの池とリオグランデ川から水を集めることでそれを行うことに着手しました。 テストを実施する前に、すべてのサンプルをろ過して大きな汚染物質を除去しましたが、分離に影響を与える可能性のある溶解物質がまだ含まれている水が残りました。 次に、水にマイクロプラスチックを混ぜてシステムに流し込んだところ、実験室で使用した純水と同じくらい効果的にマイクロプラスチックが除去されたことが判明した、と研究者らは述べた。

ペレラ氏は、現在の装置を 1 時間稼働させるのにかかる費用は約 7 セント、1 リットルの水を浄化するのに約 1 時間半かかると見積もっています。これにより、より大規模に使用すると費用対効果が高くなります。彼らのデバイスの未来。

この目的を達成するために、研究者らのシステム開発の次のステップは、より幅の広いチューブ、または複数のチューブの束を備えたシステムを作成し、海水や廃水など、加工されていない現実世界のサンプルでそれを試すことです。洗濯機から、と彼らは言いました。

「我々は音響力を利用して、広範囲のサイズのマイクロプラスチックを濃縮できることを示した」とピヤセナ氏は語った。 「そしてここから、すでにマイクロプラスチックが含まれている本物のサンプルを使って、これがより大規模に実行できることを証明したいと考えています。」

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