Стиральные машины повсеместно признаны значительным источником микропластика – крошечных пластиковых частиц, которые, предположительно, наносят вред как людям, так и животным. Чтобы сократить это загрязнение, исследователи из Боннского университета разработали новый фильтр, основанный на природной модели – системе жаберных дуг рыб. В ходе ранних испытаний устройство, находящееся на стадии патентования, удалило более 99 процентов пластиковых волокон из сточных вод стиральных машин. Результаты работы были опубликованы в журнале `npj Emerging Contaminants`.
Стиральная машина, используемая семьей из четырех человек, может ежегодно производить до 500 граммов микропластика. Это происходит в основном из-за истирания волокон с тканей во время стирки. Таким образом, повседневная стирка является одним из важнейших источников этих частиц. Сегодня большая часть такого материала попадает в иловые осадки, образующиеся на очистных сооружениях. Поскольку этот ил часто используется в качестве удобрения, волокна в конечном итоге могут распространяться по полям.
Из-за масштаба проблемы многие производители искали способы удалить микропластик из сточных вод до того, как он попадет в окружающую среду. Доктор Леандра Хаманн из Института организменной биологии Боннского университета поясняет: «Доступные до сих пор системы фильтрации имеют различные недостатки. Некоторые из них быстро засоряются, другие не обеспечивают адекватной фильтрации».
Доктор Хаманн, работая со своим научным руководителем доктором Александером Бланке и другими коллегами, в поисках идей обратилась к биологии. Команда сосредоточилась на рыбах, которые являются экспертами в естественной фильтрации – результате сотен миллионов лет эволюции.
Некоторые виды рыб, например, скумбрия, сардины и анчоусы, питаются путем фильтрации воды. Они плавают с открытым ртом и захватывают планктон с помощью системы жаберных дуг. Доктор Бланке, член междисциплинарных исследовательских областей «Жизнь и здоровье» и «Устойчивое будущее» Боннского университета, рассказывает: «Мы внимательнее изучили строение этой системы и использовали ее в качестве модели для разработки фильтра, пригодного для стиральных машин».
Со временем эти рыбы развили стратегию, схожую с перекрестной фильтрацией. Их система жаберных дуг образует воронку, которая шире всего у рта и сужается к глотке. Стенки воронки образованы жаберными дугами, включающими гребневидные структуры. Эти структуры покрыты крошечными зубцами, создавая сетку, натянутую поперек дуг. Доктор Бланке объясняет: «Во время приема пищи вода проходит через проницаемую стенку воронки, фильтруется, и очищенная от частиц вода затем возвращается в окружающую среду через жабры. Однако планктон слишком велик для этого; он задерживается естественной ситовой структурой. Благодаря форме воронки он затем скатывается к глотке, где собирается до тех пор, пока рыба не проглотит его, что очищает систему». Эта же идея помогает предотвратить засоры. Вместо того чтобы прямо натыкаться на плоский барьер, частицы движутся по поверхности и направляются дальше к глотке. Такой подход также высокоэффективен, поскольку удаляет почти весь планктон из воды. Фильтр для микропластика в стиральной машине нуждается в обеих этих характеристиках: эффективном улавливании и устойчивости к засорению. Чтобы создать такую версию для стирки, исследователи воссоздали систему жаберных дуг и протестировали различные размеры сетки и углы раскрытия воронки.
Доктор Хаманн заявляет: «Таким образом, мы нашли комбинацию параметров, которая позволяет нашему фильтру отделять более 99 процентов микропластика из воды, при этом не блокируясь». Команда достигла этого результата, объединив лабораторные эксперименты с компьютерным моделированием. Поскольку конструкция, основанная на природе, позволяет избежать сложных движущихся частей, ее производство должно быть недорогим.
Собранный микропластик скапливается на выходе из фильтра и отсасывается несколько раз в минуту. Доктор Хаманн, которая с тех пор перешла в Университет Альберты в Эдмонтоне, Канада, отмечает, что собранный материал может быть спрессован внутри машины для отжима оставшейся воды. Полученный пластиковый гранулят затем можно будет удалять каждые несколько десятков стирок и выбрасывать вместе с обычными отходами.
Команда Боннского университета и Институт Фраунгофера по экологическим, безопасным и энергетическим технологиям UMSICHT уже подали заявку на патент в Германии, и в настоящее время идет процесс патентования по всему ЕС. Исследователи надеются, что производители доработают этот дизайн и внедрят его в будущие стиральные машины. Это может, по крайней мере, в некоторой степени, уменьшить распространение микропластика, основанного на текстиле. Необходимость в этом крайне велика: анализы показывают, что эти частицы могут вызывать серьезный вред здоровью. Их уже обнаружили в грудном молоке, в плаценте и даже в мозге.
Помимо Боннского университета, в исследовании участвовал Институт Фраунгофера по экологическим, безопасным и энергетическим технологиям UMSICHT. Финансирование поступило от Федерального министерства исследований, технологий и космоса (BMFTR) и Европейского исследовательского совета (ERC). Поддержка в защите и коммерциализации изобретения осуществляется Центром трансфера `enaCom` при Боннском университете в тесном сотрудничестве с `PROvendis GmbH`, поставщиком услуг для университетской сети Северного Рейна-Вестфалии по передаче знаний и технологий `innovation2business.nrw`.
