10 Minutės
Tyrėjų grupė iš Bonno universiteto sukūrė skalbimo mašinos filtrą, įkvėptą žuvų žiaunų, kuris pirminiuose bandymuose sugauna daugiau nei 99 % mikroplastikinių pluoštų. Pasitelkdami daugelio milijonų metų evoliucijos patikrintą konstrukciją, mokslininkai pritaikė kūgio formos, savaime besivalantį sietą, skirtą surinkti ir koncentruoti audinių pluoštus dar prieš patekant į nuotekas. Ši koncepcija derina biologinius principus su pramoniniu inžineriniu dizainu ir gali reikšmingai prisidėti prie mikroplastikų mažinimo buityje.
Biomimikrija skalbykloje
Mikroplastikas iš tekstilės — tai smulkūs pluoštai, kurie nusitrina nuo audinių ir išsisklaido skalbimo metu — yra reikšmingas aplinkos taršos šaltinis. Viena namų skalbimo mašina per metus gali išleisti šimtus gramų sintetinių pluoštų; dauguma šių dalelių praeina per nuotekų valymo sistemas ir nusėda dumblo pavidalu. Kadangi apdorotas dumblas dažnai naudojamas žemės ūkyje kaip trąša, pluoštai gali patekti į dirvožemį ir maisto grandines, taip plintant tolyn po ekosistemas ir galimai pasiekiant žmonių vartojamą maistą. Dėl šių priežasčių mikropluoštų sulaikymas ties namų ūkių šaltiniu yra strateginis sprendimas mažinti vandens taršą ir ilgalaikį poveikį aplinkai.
Norėdami perimti šiuos taršos šaltinius ties jų išeities vieta, dr. Leandra Hamann ir dr. Alexander Blanke vadovaujama komanda ištyrė natūralius filtrus, randamus jūrinių filtratorių — pavyzdžiui, ančiuvių, sardinių ir skumbrių. Šios žuvys naudoja žiaunų lankų sistemą, kuri jungia šepečio formos lankus ir mažas dantelių struktūras (dentiklius), formuojančias lanksčią tinklo struktūrą. Biologinė konstrukcija veikia pagal skersinio srauto filtracijos principą: vanduo praeina pro porėtą, kūgio formos sienelę, o didesnės dalėlės nukreipiamos į stemplę ir pašalinamos be to, kad sietelis užsikimštų. Šio tipo biomimikrija leidžia perkelti natūraliai optimizuotus mechanizmus į inžinerinius sprendimus, skirtus kasdieniams prietaisams ir buitinėms nuotekoms.
Žiaunų lankai padengti dentikliais, sudarančiais tinklelį, kurie gaudo daleles. Kreditas: Leandra Hamann
Kaip veikia filtras
Bonno komandos prototipas atkartoja tris pagrindines žuvų žiaunų savybes: kūgio formos siaurėjimą, tinklelį iš šepečio panašių briaunų ir dantelių bei srauto modelį, skatinantį daleles ridenti link surinkimo kanalo, o ne įstrigti prieš tinklelius. Praktikoje skalbimo mašinos išbėgantis vanduo nukreipiamas per porėtą filtro elemento sienelę; mikroplastikiniai pluoštai sulaikomi tinklu ir kartu su vandens srautu pašalinami link mažo išleidimo angos, kur jie kaupiasi koncentruotoje formoje. Tokiu būdu pasiekiamas aukštas sulaikymo efektyvumas be sudėtingų mechaninių dalių, o savaime besivalantis srautas sumažina riziką užkimšti sistemą.
Užuot naudoję mechaninę judančią įrangą, biomimetinis filtras remiasi geometrija ir kontroliuojamais srautais. Tyrėjai reguliavo dvi svarbias kintamąsias — tinklo tarpus (mesh spacing) ir kūgio angos kampą — ir per laboratorinius bandymus bei skaitmenines srauto simuliacijas (CFD — computational fluid dynamics) nustatė optimalų derinį. Tiriant slėgio nuostolius, srauto profilius ir dalelių trajektorijas, komanda galėjo optimizuoti filtrą taip, kad jis išlaikytų minimalų atsparumą vandens nutekėjimui ir maksimalų pluoštų sulaikymą. Rezultatas: paprastas, mažo kaštų elementas, pirminiuose bandymuose surinkęs daugiau nei 99 % plastikinių pluoštų iš skalbimo nutekamųjų vandenų.
Filtro medžiagų parinkimas ir gamybos technologijos taip pat yra esminiai aspektai. Tinklas gali būti pagamintas iš atsparių polimerų (pvz., polipropileno ar PET), nerūdijančio plieno ar pažangių kompozitų, o prototipams buvo naudotos 3D spausdinimo ir liejimo technologijos. Siekiant masinės gamybos, konstrukcija turi būti pritaikyta injekciniam liejimui arba kitiems ekonomiškiems gamybos metodams, kas mažina vieneto kainą ir užtikrina medžiagos kokybę. Be to, filtras turi palaikyti tinkamą pralaidumą, kad nepadidintų energijos sąnaudų skalbimo ciklų metu.
Simuliacijos metu komanda analizavo mažų pluoštų trajektorijas įvairiuose srauto greičiuose bei deriniuose, siekdama suprasti, kaip planktono modeliai, putos ir cheminės medžiagos iš skalbiklių gali paveikti sulaikymo efektyvumą. Tokie tyrimai padeda nuspręsti, ar verta taikyti papildomas struktūrizuotas briaunas, spiralinius srautus ar sluoksnius, kurie pagerintų dalelių konvergenciją link surinkimo kanalo.
Filtro elementas centre imituoja žuvų žiaunų lankų sistemą. Filtro korpusas palengvina periodinį valymą ir montavimą skalbimo mašinose. Kreditas: Christian Reuß/Leandra Hamann
Praktinis diegimas ir atliekų tvarkymas
Surinkti pluoštai yra nukreipiami į mažą talpyklą ir periodiškai pašalinami. Komanda numato priežiūros ciklą, kuriame sukauptas medžiagas per išleidimo angą siurbtuvo pagalba paima kelis kartus per minutę, o vėliau spaudžia tam, kad pašalintų perteklinį vandenį ir suspaustų medžiagą į kompaktišką plastiko granulę. Tokias granulėles būtų galima ištuštinti kas kelias dešimtis skalbimų ir išmesti kaip mišrias buities atliekas arba nukreipti į tolesnio perdirbimo srautus, priklausomai nuo vietinių atliekų tvarkymo galimybių. Svarbu sukurti logistikos grandinę, kuri leistų granulėles surinkti ir perdirbti ar tinkamai utilizuoti, kad nebūtų grąžinamos į aplinką.
Filtro montavimo variantai gali būti skirti tiek į naujai gaminamas mašinas, tiek kaip priedas retrofitui jau egzistuojančioms įrangoms. Galimi sprendimai: integruotas modulis prie nuotekų vamzdžio, vidinis kasetinis elementas skalbimo mašinos išleidimo kanale arba išorinis kasetinis filtras, prijungiamas prie mašinos žarnų. Kiekvienas variantas turi savų privalumų: integruotas modulis suteikia elegantiškesnį vartotojo patyrimą, o išorinis priedas palengvina montavimą be pamatinių pakeitimų.
Paprasta priežiūra ir aiškios vartotojo instrukcijos padės didinti priėmimą. Rekomenduojama, kad filtrą tikrintų ir tuštintų kas kelias dešimtis skalbimų — tai užtikrina patogumą ir nedidelį papildomą vartotojo įsipareigojimą. Gamintojai taip pat gali pasiūlyti indikatorius arba mobiliąsias aplikacijas, pranešančias apie surinktų granulėlių kiekį ar reikalingą tuštinimą, taip sumažinant riziką, kad vartotojas pamirš ištuštinti talpą. Be to, prevencinės priemonės ir aiškios etiketės padės sumažinti netinkamą granulėlių šalinimą.
Atliekų tvarkymo strategijos gali apimti mechaninį perdirbimą (regranuliavimą), atskyrimą pagal polimerą ir tolesnį panaudojimą pramonėje. Jei granulės bus mišrios arba užterštos, gali būti reikalinga papildoma perdirbimo infrastruktūra; alternatyviai tam tikrose vietovėse granulės gali būti nukreiptos energiniam panaudojimui su tinkamomis emisijų kontrolės priemonėmis. Šie sprendimai reikalauja bendradarbiavimo su vietinėmis atliekų valdymo sistemomis ir perdirbėjais.
Mokslinis kontekstas ir sveikatos rūpesčiai
Šis darbas, paskelbtas žurnale npj Emerging Contaminants, prisideda prie sparčiai augančios biomimetinių filtravimo sprendimų ir buitinių taršos kontrolės tyrimų srities. Skersinio srauto filtracijos (cross-flow filtration) koncepcijos plačiai taikomos pramonėje procesams, kuriems reikalingas nuolatinis ir efektyvus atskyrimas be greito prastojo užkimšimo, pavyzdžiui, vandens valyme, maisto pramonėje ir farmacijoje. Perkeliant šiuos pramoninius principus į namų sektorių, atsiranda galimybė spręsti mikroplastiko problemą tiesiogiai prie jos šaltinio ir sumažinti bendrą nuotekų krūvį valykloms.
Mikroplastikas nėra vien tik estetinė ar ekologinė problema — tai potencialus sveikatos rizikos veiksnys. Analitiniai tyrimai nustatė plastiko daleles žmogaus audiniuose, įskaitant motinos pieną, placentą ir net kai kuriuos smegenų mėginius, o tai kelia klausimų apie ilgalaikes pasekmes sveikatai. Nors tiesioginiai priežastiniai ryšiai ir rizikos slenksčiai vis dar tiriami, sumažinus pluoštų patekimą iš namų į aplinką, pašalinama viena galimo poveikio žmonių sveikatai ekspozicijos grandžių ir suteikiamas laikas viešojo sveikatos bei toksikologijos tyrimams surinkti reikalingus duomenis.
Mokslininkai filtro našumui vertinti naudoja pažangias analizės metodikas, tokias kaip FTIR (Fourier transform infrared) ir Raman spektroskopija, optinė mikroskopija ir dalelių skaičiavimo technologijos. Šios technikos leidžia ne tik skaičiuoti sulaikytas daleles, bet ir klasifikuoti jas pagal polimero tipą (pvz., poliesteris, polipropilenas), kas labai svarbu tolimesniam perdirbimui ir atliekų tvarkymui. Standartizuotos analizės procedūros taip pat būtinos, kad būtų galima palyginti rezultatus tarp laboratorijų ir ilgojo stebėjimo programų.
Pasekmės, patentai ir tolimesni žingsniai
Bonno universitetas kartu su Fraunhofer instituto UMSICHT tyrėjais pateikė patentines paraiškas Vokietijoje ir pradėjo ES mastu taikomą patentavimo procesą. Kita jų užduotis — pritraukti pramonę: buitinės technikos gamintojams reikės adaptuoti skalbimo mašinų konstrukcijas, kad būtų galima integruoti filtro elementą ir paprastą surinkimo išleidimo angą. Tokia integracija apimtų ne tik fizinį komponentą, bet ir priežiūros instrukcijas, vartotojo sąsają talpelių tuštinimui bei atitikties reikalavimus pagal saugos ir sanitarines normas.
Ekonominė vertė priklausys nuo masinio gamybos lygio: kuo daugiau gamyklų pradės diegti standartizuotus filtro modulius, tuo mažesnė bus vieneto kaina. Taip pat svarbios galimybės sukurti naujas atliekų perdirbimo grandines, kurios priimtų panaudotas granulėles. Vietinių valdžių paskatos ar finansinė parama — pvz., subsidijos gamintojams ar lengvatos vartotojams už ekologiškesnius prietaisus — gali paspartinti diegimą ir sumažinti socialines barjeras. Verslo modeliai gali apimti tiek pirminę įrangos pardavimą, tiek servisines paslaugas ir granulėlių surinkimo programas.
Priekyje dr. Leandra Hamann, dešinėje dr. Alexander Blanke, centre medžiagų tyrėjas Christian Reuß, kairėje biologas dr. Hendrik Herzog. Kreditas: Peter Rühr/Uni Bonn
Eksperto įžvalga
„Biologinių architektūrų pritaikymas buitinei taršos kontrolei yra perspektyvus kelias“, — teigia dr. Maya Reynolds, aplinkos inžinerijos specialistė, dirbanti su miesto vandens sistemomis. „Žiaunų-lankų modelis yra įdomus tuo, kad sujungia didelį atskyrimo efektyvumą su savaime besivalančiu srauto režimu — dviem esminėmis savybėmis buičiai. Jei gamintojams pavyks įterpti šį dizainą į masiškai gaminamas mašinas nepadidinant žymiai gamybos kaštų ar energijos sąnaudų, visuomenės sveikatai ir aplinkai teigiami pokyčiai gali būti reikšmingi.“
Tolimesni iššūkiai ir platesnės perspektyvos
Prieš komercinę plėtrą filtras turės praeiti papildomus testus: ilgalaikis patvarumas realių skalbimo ciklų sąlygomis, veiksmingumas skirtingiems audiniams ir skalbiklių formulėms, suderinamumas su skirtingais mašinų modeliais bei saugaus surinktų granulėlių šalinimo ar perdirbimo standartai. Reguliavimo institucijos ir standartų organizacijos gali nustatyti našumo ribas buitiniams filtrams, o viso gyvavimo ciklo (LCA) analizės reikės patvirtinti, ar diegimas iš tiesų sumažina bendrą aplinkos naštą, atsižvelgiant į gamybos, transportavimo ir utilizavimo sąnaudas.
Gyvavimo ciklo analizė turi apimti ne tik filtro veikimo laikotarpį, bet ir medžiagų gavybą, gamybą, transportavimą ir galutinį utilizavimą arba perdirbimą. Jeigu filtro gamybai naudojamos medžiagos sukurs didelę anglies pėdsaką arba granulės nebus tinkamai perdirbamos, bendra nauda aplinkai gali susilpnėti. Todėl būtina įvertinti visus grandinės etapus ir, jei įmanoma, naudoti perdirbtas arba mažo anglies pėdsako medžiagas filtro gamybai.
Svarbūs ir socialiniai aspektai: vartotojų elgsena, gamintojų interesai ir reguliavimo skatinimas gali nulemti, kaip greitai ir plačiai bus diegiami tokie sprendimai. Viešosios informavimo kampanijos apie mikroplastiko poveikį, etiketės, tarptautiniai standartai ir galimos kompensacijos gali padėti pasiekti reikšmingą poveikį per kelis artimiausius dešimtmečius.
Apibendrinant, žiaunų principu paremtas skalbimo mašinos filtras siūlo praktišką ir techniškai pagrįstą sprendimą mažinti namų ūkių mikroplastiko išmetimą. Tolesni tyrimai, standartizacija, perdirbimo grandinių kūrimas ir pramonės bendradarbiavimas yra būtini, tačiau ši biomimetinė koncepcija turi potencialą tapti dalimi plataus masto strategijų, skirtų mažinti mikroplastiką vandenyse, dirvožemyje ir maisto grandinėje.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą