Mają genialny pomysł na oczyszczenie oceanów w mikroplastiku. Kluczem jest hałas
Zanieczyszczenie plastikiem środowiska naturalnego, a zwłaszcza oceanów przybiera coraz większe rozmiary. Chodzi nie tylko o wykonane z tworzyw sztucznych odpady większych rozmiarów, takie jak np. sieci rybackie, które są jednym z głównych źródeł zanieczyszczenia oceanów plastikiem. Coraz większy problem stanowią bowiem cząsteczki mikroplastiku, czyli takie, których rozmiary nie przekraczają 5 mm, na które rozpadają się większe śmieci. Upływ czasu i tarcie spowodowane oceanicznymi pływami są w stanie zetrzeć niemal każdy plastikowy obiekt na proch.
Obecnie oceany są dosłownie nasycone plastikiem. Cząstki plastiku dryfują pod powierzchnią większości dróg wodnych, począwszy od strumieni śródlądowych po Ocean Arktyczny. Te ledwo dostrzegalne gołym okiem mikroplastiki są szczególnym zagrożeniem dla wszystkich morskich zwierząt, a także dla ludzi, którzy wprowadzają plastik do organizmu, jedząc ryby. Naukowcy opracowali właśnie metodę, która może pozwolić na usunięcie większości plastikowych cząstek z wody.
Czytaj także:
- Planety zbudowane z ciemnej materii - jak je odnaleźć?
- Gotowanie, zamrażanie, próżnia, promieniowanie, brak wody. Dla niesporczaków to bułka z masłem!
- Ten kosmiczny obiekt był tak dziwny, że ludzie podejrzewali już obcych
Filtracja wody przy pomocy dźwięku
Podczas wiosennego spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (ACS) Spring 2023 zostanie przedstawionych ponad 10 000 prezentacji dotyczących bardzo szerokiego zakresu tematów naukowych. Profesor Menake Piyasena, związany z Uniwersytetem Stanowym Nowego Meksyku w USA zaprezentował tam projekt dwustopniowego urządzenia wykonanego ze stalowych rurek i pulsujących fal dźwiękowych, które usuwa większość plastikowych cząstek z próbek wody. Jak mówi naukowiec:
Pomysł zrodził się podczas dyskusji z kolegą, który powiedział, że potrzebujemy nowych sposobów zbierania mikroplastików z wody. Ponieważ siły akustyczne mogą popychać cząstki razem, zastanawiałem się, czy moglibyśmy je wykorzystać do agregacji mikroplastików w wodzie, dzięki czemu plastik byłby łatwiejszy do usunięcia.
To nowatorskie podejście, ponieważ najczęściej stosowaną techniką usuwania zanieczyszczeń z wody jest filtracja. Każdy zna to dobrze z życia codziennego, gdzie na przykład filtry wylotowe pralek pomagają zatrzymać włókna, które oddzielają się od ubrań podczas prania, przed dostaniem się do ścieków. Na dużą skalę jednak ta metoda jest bardzo kosztowna na dużą skalę, wymaga regularnego czyszczenia filtrów, które często się zatykają.
Innym pomysłem jest koncentracja cząstek plastiku w płynącej wodzie za pomocą sił akustycznych lub fal dźwiękowych, które przenoszą energię na pobliskie cząstki, powodując, że niektóre z nich zaczynają wibrować i się poruszać. By to sobie wyobrazić, można sobie wyobrazić głośnik grający głośną muzykę, który wprawia otoczenie w drgania, które z kolei wprawiają drobiny kurzu w ruch. Naukowcy wykorzystują już ten mechanizm w procesie oddzielania cząstek biologicznych od płynów, np. czerwonych krwinek od osocza.
Jak oczyścić oceany z mikroplastiku ?
Niektóre zespoły badawcze zastosowały to podejście do oddzielenia mikroplastików od próbek wody. W testach użyte zostały mikroplastiki, o średnicy dziesiątków mikronów, czyli mniej niż wynosi grubość ludzkiego włosa. Jak tłumaczy Nelum Perera, studentka w laboratorium wspomnianego profesora Piyaseny:
Czytałam, że większość mikroplastików w środowisku jest większa niż próbki, których użyliśmy. Chciałam więc opracować urządzenie, które mogłoby być użyteczne dla większości rozmiarów i mogłoby działać w różnych skalach, tak aby przydać się w realnym świecie.
W tym celu Perera stworzyła urządzenie testowe ze stalowymi rurkami o szerokości 8 mm, połączonymi z jedną rurką wlotową i wieloma rurkami wylotowymi. Następnie przymocowała do boku całej konstrukcji przetwornik. Kiedy był włączony, generował fale ultradźwiękowe w metalowej rurce, co sprawiało, że fale akustyczne oddziaływały na mikroplastiki, które przepływały przez system rurek, co ułatwiało ich wychwycenie. Prototypowe jak na razie urządzenie jest stosunkowo proste w porównaniu do tradycyjnych metod filtracji, wyjaśnia Piyasena, a to dlatego, że nie zatyka się tak łatwo jak filtr. To może pozwolić ograniczyć koszty związane z czyszczeniem.
We wstępnych eksperymentach z cząsteczkami mikroplastiku wykonanymi z polistyrenu, polietylenu i polimetakrylanu metylu badacze odkryli, że mniejsze znich - o szerokości od 6 do 180 µm (mikrometrów), zachowywały się inaczej niż większe - o szerokości od 180 do 300 µm, gdy działały na nie siły akustyczne. Cząstki obu rozmiarów po wrzuceniu do kanału wypełnionego czystą wodą układały się wzdłuż jego środka. Jednak jeśli do wody dodano detergent do prania lub zmiękczacz tkanin, większe cząstki skupiły się po bokach kanału.
Na podstawie tych wyników badacze postanowili opracować system, który mógłby wykorzystać to zjawisko. Połączyli dwie stalowe rury w system: Na pierwszym etapie wychwytywane były małe mikroplastiki o szerokości mniejszej niż 180 µm, a strumień wody z pozostałymi, większymi mikroplastikami trafiał do drugiego etapu w celu dalszego oczyszczenia. W ten sposób udało się oczyścić wodę z ponad 70% mniejszych fragmentów plastików i ponad 82% większych.
Po tej próbie nadszedł czas na kolejną, bardziej zbliżoną do naturalnych warunków. By pokazać, że taki dwustopniowy system może sprawdzić się w rzeczywistych zastosowaniach, Perera i Piyasena pobrali wodę ze stawu na terenie kampusu Uniwersytetu Stanowego Nowego Meksyku oraz z rzeki Rio Grande. Najpierw przefiltrowali wszystkie próbki, aby usunąć jedynie duże zanieczyszczenia, pozostawiając wodę, która nadal zawierała różne, rozpuszczone w niej substancje, które mogły wpłynąć na separację mikroplastików. Następnie dodali do wody mikroplastiki. Kiedy próbki wody pobranej z naturalnych zbiorników zostały przeprowadzone przez urządzenie akustyczne, cząstki plastiku zostały usunięte równie skutecznie jak z czystej wody. Co niezwykłe, w przypadku tego prototypu, Perera szacuje, że koszt pracy takiego urządzenia przez godzinę i oczyszczenia jednego litra wody w ciągu około półtorej godziny wyniósłby około 7 centów!
Teraz naukowcy przygotowują się do kolejnego kroku. Będzie nim opracowanie systemu z szerszymi rurkami lub wiązkami wielu rurek i wypróbowanie go na próbkach ze świata rzeczywistego, w tym z użyciem wody oceanicznej i ścieków z pralek.
Jak przekonuje profesor Piyasena:
Pokazaliśmy, że siły akustyczne mogą być wykorzystane do koncentracji szerokiego zakresu mikroplastiku. Teraz chcemy udowodnić, że można to zrobić na większą skalę z próbkami wody z pobranymi w realnych warunkach, w których już znajdują się mikroplastiki.
Pozostaje trzymać kciuki za powodzenie tego ambitnego projektu, bo w kwestii zanieczyszczenia światowych akwenów czas na podjęcie skutecznych działań minął już dawno.
