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Jan 10, 2024

Un dispositivo microfluidico per la raccolta di microplastiche tramite focalizzazione acustica

Plastic debris particles smaller than 5 mm in size, known as microplastics

Le particelle di detriti di plastica di dimensioni inferiori a 5 mm, note come microplastiche (MP), rappresentano un serio problema ambientale. Formati dalla decomposizione dei rifiuti di plastica a causa dell'usura e della luce solare o prodotti dai rifiuti di fibre nelle acque reflue della lavanderia e come microsfere nei prodotti di bellezza, assorbono e introducono sostanze chimiche dannose che inquinano l'ambiente. Entro il 2050, il numero dei parlamentari potrebbe superare quello dei pesci negli oceani. In queste circostanze, la raccolta e la rimozione dei MP dall’acqua sono cruciali.

Convenzionalmente, gli MP vengono raccolti filtrando l'acqua attraverso reti. La sabbia e i detriti biologici vengono rimossi dagli MP raccolti rispettivamente mediante separazione per densità e trattamento chimico. Successivamente, i parlamentari vengono prelevati manualmente, il che è laborioso e richiede tempo. Inoltre, le maglie possono facilmente intasarsi e non riescono a raccogliere particelle di dimensioni inferiori alla loro apertura. Richiedono inoltre una manutenzione frequente e sono costosi. Date queste carenze,i ricercatori hanno sviluppatodispositivi microfluidici – sistemi che controllano piccole quantità di fluidi utilizzando canali di dimensioni micrometriche – che utilizzano la messa a fuoco acustica per raccogliere MP.

La tecnologia acustica genera onde ultrasoniche che trasportano i MP al centro del flusso del fluido e quindi arricchiscono, cioè aumentano la quantità raccolta, di MP. Tuttavia, un elevato arricchimento di MP utilizzando gli attuali dispositivi microfluidici richiede il ripetuto ricircolo dei fluidi attraverso di essi. In questa luce, un gruppo di ricercatori, guidato dal professor Yoshitake Akiyama del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Robotica della Facoltà di Scienze e Tecnologie Tessili dell'Università di Shinshu, ha sviluppato un dispositivo ad alto arricchimento per MP da 10-200 μm.

Questo dispositivo è stato segnalato in uno studio di cui è coautore il professor Hiroshi Moriwaki del Dipartimento di Biologia Applicata, Facoltà di Scienze e Tecnologie Tessili, Università di Shinshu, che è stato reso disponibile online il 26 marzo 2023 e sarà pubblicato nel volume 315 del Rivista Separation and Purification Technology del 15 giugno 2023.

"Il nostro dispositivo microfluidico proposto, progettato sulla base di un'analogia idraulico-elettrica, ha tre microcanali larghi 1,5 mm collegati tramite quattro giunzioni triforcate seriali larghe 0,7 mm. Gli MP sono allineati al centro del microcanale centrale utilizzando un sistema acustico di massa un'onda di frequenza di risonanza di 500 kHz. Di conseguenza, ad ogni giunzione deve verificarsi un arricchimento di 3,2 volte di MP, con un conseguente arricchimento complessivo del dispositivo di 105 volte", spiega Akiyama, descrivendo il design del loro dispositivo. Mentre gli MP vengono raccolti dal ramo centrale delle giunzioni triforcate, il restante fluido privo di MP viene rimosso dagli altri rami.

I ricercatori hanno valutato le prestazioni di raccolta del dispositivo misurando i tassi di raccolta totali per microparticelle di 5, 10, 15, 25, 50 e 200 μm di diametro. I tassi di raccolta superavano il 90% per tutte le microparticelle tranne quelle da 5 μm, che erano troppo piccole per essere controllate acusticamente. Inoltre, i ricercatori hanno testato il dispositivo utilizzando due miscele di acqua campione, una con MP piccoli (25–200 μm) e un’altra con MP molto piccoli (10–25 μm). I suoi tassi di raccolta variavano dal 70 al 90% e l'effettivo arricchimento di MP variava dalla metà del valore di progetto di 105 al valore di progetto.

Sebbene sia stato riscontrato che alcuni MP rallentano e intasano le pareti dei microcanali del dispositivo mediante la forza della radiazione acustica, i ricercatori ritengono che queste limitazioni minori possano essere facilmente risolte attraverso la pre-filtrazione e migliorando la messa a fuoco 2D.

Un ottimista Akiyama conclude quindi: "Questo dispositivo microfluidico proposto basato sulla focalizzazione acustica può raccogliere in modo efficiente, rapido e continuo 10-200 μm MP senza ricircolo dopo la prefiltrazione di MP più grandi attraverso una rete. Può essere installato in lavatrici, fabbriche , e altre fonti di MP per arricchire e rimuovere in modo efficiente MP di varie dimensioni dalle lavanderie e dalle acque reflue industriali. Ciò consentirà di prevenire lo scarico di MP nell'ambiente."