ترشيح التلوث.. جهاز لجمع الجسيمات البلاستيكية الدقيقة بالتحكم في السوائل والتركيز الصوتي
يمكن تثبيته في الغسالات والمصانع وإثراء الجسيمات بأحجام مختلفة وإخراجهم بكفاءة
تشكل جزيئات الحطام البلاستيكية التي يقل حجمها عن 5 مم، والمعروفة باسم اللدائن الدقيقة (MPs) ، مصدر قلق بيئي خطير. تشكلت من خلال تحلل النفايات البلاستيكية بسبب البلى وأشعة الشمس أو الناتجة عن نفايات الألياف في مياه الصرف الصحي للغسيل وكميكروبيدات في منتجات التجميل، فهي تمتص وتدخل المواد الكيميائية الضارة التي تلوث البيئة.
بحلول عام 2050 ، قد يفوق الجسيمات الدقيقية عدد الأسماك في المحيطات، في ظل هذه الظروف، فإن جمع النواب وإخراجهم من المياه أمر بالغ الأهمية.
تقليديا ، يتم جمع هذه الجسيمات عن طريق تصفية المياه من خلال الشبكات، تتم إزالة الرمل والحطام البيولوجي من البرمائيات المجمعة عن طريق فصل الكثافة والمعالجة الكيميائية ، على التوالي.
بعد ذلك، يتم انتقاء اللدائن الدقيقة يدويًا ، وهو أمر شاق ويستغرق وقتًا طويلاً، بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تنسد الشبكات بسهولة ولا يمكنها تجميع جزيئات أصغر من فتحتها. كما أنها تتطلب صيانة متكررة وباهظة الثمن.
بالنظر إلى أوجه القصور هذه، طور الباحثون أجهزة ميكروفلويديك – أنظمة تتحكم في كميات صغيرة من السوائل باستخدام قنوات بحجم ميكرومتر – تستخدم التركيز الصوتي لجمع اللدائن الدقيقة.
تولد التكنولوجيا الصوتية موجات فوق صوتية تنقل النواب إلى مركز تيار السوائل وبالتالي تثري، أي زيادة الكمية المجمعة، من اللدائن الدقيقة، فإن الإثراء العالي الذين يستخدمون أجهزة ميكروفلويديك الحالية يتطلب إعادة تدوير السوائل من خلالها بشكل متكرر.
في ضوء ذلك ، طورت مجموعة من الباحثين بقيادة البروفيسور يوشيتاكي أكياما من قسم الهندسة الميكانيكية والروبوتات في كلية علوم وتكنولوجيا المنسوجات بجامعة شينشو، جهازًا عالي الإثراء لـ10-200 ميكرومتر اللدائن الدقيقة.
تم الكشف عن هذا الجهاز في دراسة شارك في تأليفها البروفيسور هيروشي موريواكي من قسم البيولوجيا التطبيقية، كلية علوم وتكنولوجيا المنسوجات، جامعة شينشو، وسيتم نشرها في الفصل و مجلة Purification Technology بتاريخ 15 يونيو 2023.
يوضح البروفيسور أكياما ، في وصف تصميم أجهزتهم “جهاز الموائع الدقيقة الذي اقترحناه، والذي تم تصميمه على أساس القياس الهيدروليكي والكهربائي، يحتوي على ثلاثة قنوات صغيرة بعرض 1.5 مم متصلة عبر أربعة تقاطعات متسلسلة بعرض 0.7 مم. موجة من تردد الرنين 500 كيلوهرتز، ونتيجة لذلك، يجب أن يحدث إثراء بمقدار 3.2 أضعاف الجسيمات عند كل تقاطع، مما يؤدي إلى إثراء إجمالي قدره 105 أضعاف في الجهاز”، بينما يتم جمع اللدائن من الفرع الأوسط للوصلات الثلاثية، تتم إزالة السائل الخالي من MP من الفروع الأخرى.
قام الباحثون، بتقييم أداء التجميع للجهاز من خلال قياس معدلات التجميع الإجمالية للجسيمات الدقيقة ذات القطر 5 و 10 و 15 و 25 و 50 و 200 ميكرومتر.
تجاوزت معدلات التجميع 90٪ لجميع الجسيمات الدقيقة باستثناء 5 ميكرومتر ، والتي كانت صغيرة جدًا بحيث لا يمكن التحكم فيها صوتيًا.
علاوة على ذلك ، اختبر الباحثون الجهاز باستخدام عينتين من خليط الماء ، أحدهما به نواب صغير (25-200 ميكرومتر) والآخر مع نواب صغير جدًا (10-25 ميكرومتر)، تراوحت معدلات التحصيل من 70٪ إلى 90٪ ، وتفاوت الإثراء الفعلي من نصف قيمة التصميم البالغة 105 إلى قيمة التصميم.
على الرغم من أنه تم العثور على بعض الجسيمات لإبطاء وسد جدران القناة الدقيقة للجهاز بواسطة قوة الإشعاع الصوتي ، يعتقد الباحثون أنه يمكن معالجة هذه القيود الطفيفة بسهولة من خلال الترشيح المسبق وتحسين التركيز ثنائي الأبعاد.
وهكذا يخلص البروفيسور أكياما إلى أن “جهاز ميكروفلويديك المقترح القائم على التركيز الصوتي يمكنه بكفاءة وسرعة وبشكل مستمر جمع 10-200 ميكرومتر من اللدان، دون إعادة تدوير بعد الترشيح المسبق لجسيمات أكبر من خلال شبكة.
ويمكن تثبيته في الغسالات والمصانع، ومصادر أخرى للدائن، من أجل إثراء الجسيمات بأحجام مختلفة وإخراجهم بكفاءة من الغسيل ومياه الصرف الصناعي، وهذا سيمكن من منع تصريف الجسيمات إلى البيئة”.
