블로그

Jan 10, 2024

음향 포커싱을 통해 미세플라스틱을 수집하는 미세유체 장치

크기가 5mm보다 작은 플라스틱 파편 입자, 미세플라스틱이라고 함

마이크로 플라스틱(MP)으로 알려진 크기가 5mm보다 작은 플라스틱 파편 입자는 심각한 환경 문제입니다. 마모와 햇빛에 의해 플라스틱 폐기물이 분해되어 형성되거나, 세탁 폐수의 섬유 폐기물에 의해 생성되며, 미용 제품의 마이크로비드로 구성되어 환경을 오염시키는 유해 화학 물질을 흡착 및 유입합니다. 2050년에는 국회의원 수가 바다의 물고기 수보다 많아질 수도 있습니다. 이러한 상황에서는 물에서 MP를 수집하고 제거하는 것이 중요합니다.

일반적으로 MP는 메쉬를 통해 물을 필터링하여 수집됩니다. 수집된 MP에서 모래와 생물학적 잔해는 각각 밀도분리와 화학적 처리를 통해 제거됩니다. 그 후에 MP를 수동으로 선택해야 하는데 이는 힘들고 시간이 많이 소요됩니다. 또한 메시는 쉽게 막힐 수 있으며 조리개보다 작은 입자를 수집할 수 없습니다. 또한 자주 유지 관리가 필요하고 비용이 많이 듭니다. 이러한 단점을 감안할 때,연구자들이 개발한미세유체 장치(마이크로미터 크기의 채널을 사용하여 소량의 유체를 제어하는 ​​시스템)는 MP를 수집하기 위해 음향 집중을 활용합니다.

음향 기술은 MP를 유체 흐름의 중심으로 이동시켜 MP의 수집량을 증가시키는 초음파를 생성합니다. 그러나 현재의 미세유체 장치를 사용하여 MP를 높게 농축하려면 이를 통한 유체의 반복적인 재순환이 필요합니다. 이러한 관점에서 신슈대학교 섬유과학기술부 기계공학 및 로봇공학과의 아키야마 요시타케(Yoshitake Akiyama) 교수가 이끄는 연구진은 10~200μm MPs를 위한 고농축 장치를 개발했습니다.

이 장치는 신슈대학교 섬유과학기술부 응용생물학과의 모리와키 히로시 교수가 공동 저술한 연구에서 보고되었으며, 이 연구는 2023년 3월 26일에 온라인으로 공개되었으며 2023년 315권에 게재될 예정입니다. 분리 및 정제 기술 저널 2023년 6월 15일자.

"수압-전기 비유를 기반으로 설계된 우리가 제안한 미세유체 장치는 4개의 직렬 0.7mm 폭 삼중 접합을 통해 연결된 3개의 1.5mm 폭 마이크로채널을 가지고 있습니다. MP는 벌크 음향을 사용하여 중간 마이크로채널의 중심에 정렬됩니다. 500kHz 공명 주파수의 파동. 결과적으로 각 접합에서 MP가 3.2배 농축되어 장치의 전체 농축이 105배가 되어야 합니다."라고 Akiyama는 장치 설계를 설명하면서 설명합니다. MP가 삼분할 접합의 중간 가지에서 수집되는 동안 나머지 MP가 없는 유체는 다른 가지에서 제거됩니다.

연구진은 직경 5, 10, 15, 25, 50, 200μm의 미세입자에 대한 총 포집률을 측정하여 장치의 포집 성능을 평가했습니다. 음향적으로 제어하기에는 너무 작은 5μm 미세 입자를 제외한 모든 입자의 수집 속도가 90%를 초과했습니다. 또한 연구원들은 두 개의 샘플 물 혼합물을 사용하여 장치를 테스트했습니다. 하나는 작은 MP(25~200μm)이고 다른 하나는 매우 작은 MP(10~25μm)입니다. 수집률은 70~90% 범위였으며 MP의 실제 농축량은 설계 값 105의 절반부터 설계 값까지 다양했습니다.

일부 MP는 음향 방사력에 의해 장치의 마이크로채널 벽의 속도를 늦추고 막는 것으로 밝혀졌지만, 연구원들은 이러한 사소한 한계가 사전 여과와 2D 포커싱 개선을 통해 쉽게 해결될 수 있다고 믿습니다.

낙관적인 Akiyama는 다음과 같이 결론을 내렸습니다. "음향 집중을 기반으로 제안된 이 미세 유체 장치는 메쉬를 통해 더 큰 MP를 사전 여과한 후 재순환 없이 10~200μm MP를 효율적이고 신속하며 지속적으로 수집할 수 있습니다. 세탁기, 공장에 설치할 수 있습니다. , 기타 MP 공급원을 통해 세탁수 및 산업폐수에서 다양한 크기의 MP를 효율적으로 농축하고 제거할 수 있어 MP가 환경으로 배출되는 것을 방지할 수 있습니다."