Bunte Plastikpartikel treiben unter der Oberfläche der meisten Wasserstraßen, von Oberläufen bis zum Arktischen Ozean. Dieses kaum sichtbare Mikroplastik – weniger als 5 mm breit – ist potenziell schädlich für Wassertiere und -pflanzen sowie für Menschen. Daher entwickeln Forscher Möglichkeiten, sie zu entfernen und sie an ihrer Quelle zu stoppen. Heute berichtet ein Team von einem zweistufigen Gerät aus Stahlrohren und pulsierenden Schallwellen, das die meisten Plastikpartikel aus echten Wasserproben entfernt.
Die Forscher stellen ihre Ergebnisse auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor. ACS Spring 2023 ist ein Hybrid-Meeting, das vom 26. bis 30. März virtuell und persönlich abgehalten wird.
„Die Idee entstand aus einer Diskussion mit einem Kollegen, der sagte, dass wir neue Wege brauchen, um Mikroplastik aus Wasser zu sammeln“, sagt Menake Piyasena, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts. „Da akustische Kräfte Partikel zusammendrücken können, habe ich mich gefragt, ob wir sie verwenden könnten, um Mikroplastik in Wasser zu aggregieren und das Plastik leichter zu entfernen.“
Filtration ist die am häufigsten verwendete Technik zur Entfernung dieser Materialien aus Wasser. Beispielsweise können Auslauffilter von Waschmaschinen verhindern, dass Fasern, die sich beim Waschen von der Kleidung lösen, ins Abwasser gelangen. Diese Methode kann jedoch im großen Maßstab kostspielig sein und eine regelmäßige Reinigung der Filter erfordern, die verstopfen können.
Eine andere Möglichkeit könnte darin bestehen, Kunststoffpartikel in fließendem Wasser mit akustischen Kräften oder Schallwellen zu konzentrieren, die Energie auf benachbarte Partikel übertragen, wodurch einige von ihnen vibrieren und sich bewegen. Denken Sie nur an einen Lautsprecher, der laute Musik spielt, die den Boden erschüttert und Staub- und Schmutzflecken aufeinanderprallen lässt. Wissenschaftler haben dieses Phänomen bereits genutzt, um biologische Partikel von Flüssigkeiten zu trennen, beispielsweise rote Blutkörperchen aus Plasma.
Kürzlich haben einige Teams diesen Ansatz auf die Trennung von Mikroplastik aus Proben angewendet, die sie im Labor mit reinem Wasser aufbereitet haben. Aber diese Arbeit wurde mit winzigen Wassermengen erledigt. Sie verwendeten auch Mikroplastik, das nur zehn Mikrometer breit war – kleiner als die Breite eines menschlichen Haares, erklärt Nelum Perera, ein Doktorand in Piyasenas Labor an der New Mexico Tech.
„Ich habe gelesen, dass das meiste Mikroplastik in der Umwelt größer ist“, sagt Perera, der die Arbeit vorstellt. „Also wollte ich ein Gerät entwickeln, das für die meisten Größen nützlich sein und skaliert werden kann, um reale Ziele zu erreichen.“
Um höhere Wasserdurchflussraten zu bewältigen, hat Perera ein Proof-of-Concept-Gerät mit 8 mm breiten Stahlrohren entwickelt, die mit einem Einlassrohr und mehreren Auslassrohren verbunden sind. Dann befestigte sie einen Wandler an der Seite des Metallrohrs. Wenn der Wandler eingeschaltet wurde, erzeugte er Ultraschallwellen über dem Metallrohr und übte akustische Kräfte auf Mikroplastik aus, während es das System passierte, wodurch es einfacher zu erfassen war. Das Prototypgerät ist im Vergleich zu herkömmlichen Filtermethoden relativ einfach, erklärt Piyasena, weil es nicht so leicht verstopft wie ein Filter.
In ersten Experimenten mit Mikroplastik aus Polystyrol, Polyethylen und Polymethylmethacrylat entdeckten die Forscher, dass sich kleinere (6 bis 180 µm breite) Partikel bei akustischen Kräften anders verhalten als größere (180 bis 300 µm breite). . In reines Wasser gespießt, ordneten sich Partikel beider Größen entlang der Mitte des Kanals an und traten durch den mittleren Auslass aus, während sauberes Wasser aus den umliegenden Auslässen floss. Wenn dem Wasser jedoch Waschmittel oder Weichspüler zugesetzt wurde, konzentrierten sich die größeren Partikel zu den Seiten, traten durch die seitlichen Auslässe aus und gereinigtes Wasser aus dem mittleren Auslaß.
Basierend auf diesen Ergebnissen machten sich die Forscher daran, ein System zu entwickeln, das sich diese unterschiedlichen Bewegungen zunutze machen könnte. Sie verbanden zwei Stahlrohre hintereinander: Die erste Stufe fing kleine Mikroplastikpartikel mit einer Breite von weniger als 180 µm auf, und der Wasserstrom mit den verbleibenden größeren Mikroplastikpartikeln ging zur zweiten Stufe, um gereinigt zu werden. „Auf diese Weise haben wir mehr als 70 % der kleinen Kunststoffe und mehr als 82 % der großen entfernt“, sagt Perera.
Um zu zeigen, dass das zweistufige System für reale Anwendungen funktionieren könnte, sammelten Perera und Piyasena Wasser aus einem Teich auf dem New Mexico Tech Campus und aus dem Rio Grande River. Sie filterten alle Proben, um große Verunreinigungen zu entfernen, und ließen Wasser zurück, das noch gelöste Substanzen enthielt, die die Trennung beeinträchtigt haben könnten. Als nächstes versetzten sie das Wasser mit Mikroplastik. Als die Umweltwasserproben das Akustikgerät passierten, wurden Plastikpartikel so effektiv wie aus reinem Wasser entfernt. Mit diesem Prototyp schätzt Perera, dass es etwa 7 Cent kosten würde, das aktuelle Gerät eine Stunde lang zu betreiben, und etwa anderthalb Stunden dauern würde, um einen Liter Wasser zu reinigen.
Der nächste Schritt des Teams besteht darin, ein System mit breiteren Röhren oder Bündeln aus mehreren Röhren zu entwickeln und es an nicht dotierten realen Proben zu erproben, darunter Meerwasser und Abwasser aus Waschmaschinen. „Wir haben gezeigt, dass akustische Kräfte genutzt werden können, um ein breites Spektrum an Mikroplastikgrößen zu konzentrieren“, sagt Piyasena. „Und von hier aus wollen wir beweisen, dass dies in größerem Maßstab mit echten Proben möglich ist, die bereits Mikroplastik enthalten.“
Mehr Informationen:
ACS Frühjahr 2023: Entfernung von umweltrelevantem Mikroplastik mittels akustischer Kräfte und Stahlrohren, www.acs.org/meetings/acs-meetings/spring-2023.html