Kanadyjscy naukowcy drukują w 3D proste dyski, które wyłapują mikroplastik z wody

Nie trzeba wymyślać skomplikowanej membrany ani budować wielkiej instalacji, by poradzić sobie z częścią zanieczyszczeń w wodzie. Badacze z University of Waterloo w Kanadzie opracowali filtr składający się z drobnych dysków drukowanych w technologii 3D. Po złożeniu dwudziestu takich elementów w jedną kolumnę, układ wychwytywał aż 90 proc. mikroplastiku obecnego w przepływającej wodzie.

Koncepcja stojąca za projektem jest zaskakująco nieskomplikowana. Naukowcy zrezygnowali z próby stworzenia jednej, bardzo zaawansowanej membrany, stawiając zamiast tego na serię niewielkich krążków, przez które przepływa woda. Dyski da się swobodnie układać jeden nad drugim, co wydłuża trasę, jaką muszą przebyć zawieszone w wodzie drobiny plastiku.

Filtr wygląda niepozornie, ale jego powierzchnia jest pełna pułapek

W toku eksperymentów testowano kolumny zbudowane z ośmiu do dwudziestu dysków. Najwyższą skuteczność zaobserwowano przy najdłuższym wariancie – układ dwudziestu elementów usuwał z wody około 90 proc. badanego mikroplastiku. Większe fragmenty plastiku były zatrzymywane praktycznie w całości, natomiast znacznie trudniej szło z cząstkami mniejszymi niż 10 mikrometrów. To właśnie one odpowiadają za brakujące 10 proc. skuteczności. Zespół badawczy planuje teraz dalsze modyfikacje, które pozwolą lepiej radzić sobie z najdrobniejszymi fragmentami.

Wynik na poziomie 90 proc. nie jest zresztą rekordem w tej dziedzinie. Spider's Web pisał już o eksperymentalnym materiale, który w odpowiednich warunkach eliminował z wody nawet 99,9 proc. mikroplastiku. W przypadku rozwiązania z Waterloo liczy się jednak coś innego – niski koszt, prostota wytwarzania oraz możliwość łatwego dopasowania konstrukcji do konkretnych potrzeb.

Warto pamiętać, że domowe metody usuwania mikroplastiku z wody charakteryzują się bardzo różną efektywnością. Filtry mechaniczne, węglowe czy instalacje wykorzystujące odwróconą osmozę opierają się na odmiennych zasadach działania i w różnym stopniu radzą sobie z najmniejszymi zanieczyszczeniami. Konstrukcja wychodząca z drukarki 3D ma być kolejną opcją na tej liście – ale taką, którą łatwo modyfikować w zależności od potrzeb.

Wydruk to dopiero początek

Standardowy element wydrukowany metodą FDM z samego tworzywa nie sprawdziłby się jako skuteczny filtr. Dlatego badacze musieli opracować powierzchnię, która rzeczywiście zatrzymuje mikroplastik. Bazowym materiałem stał się PLA, czyli polilaktyd dobrze znany każdemu, kto korzysta z drukarek 3D w domu. Do niego dodano glikol polietylenowy, oznaczany jako PEG, który odgrywa rolę materiału tymczasowego – po wydrukowaniu elementu można go wypłukać wodą, co tworzy w strukturze gęstą sieć mikroskopijnych porów.

Dzięki temu powierzchnia dysku traci charakter gładkiej plastikowej ścianki. Woda styka się z dużo większym obszarem materiału, a cząstki mikroplastiku mają więcej szans na zatrzymanie. To jednak nie wszystkie zabiegi, jakie zastosowali naukowcy. Powierzchnię pokryto dodatkowo substancją zwiększającą przyczepność zanieczyszczeń – nie chodzi o zaklejenie porów, lecz o wzmocnienie oddziaływania między materiałem filtra a cząstkami plastiku, dzięki czemu łatwiej pozostają one na powierzchni podczas przepływu wody.

Filtr działa więc dzięki dwóm mechanizmom naraz. Struktura porowata utrudnia cząstkom fizyczną drogę dalej, a przygotowana odpowiednio powierzchnia zwiększa prawdopodobieństwo, że mikroplastik do niej przylgnie. Pełny opis konstrukcji oraz wyniki przeprowadzonych testów zespół z University of Waterloo opublikował w czasopiśmie Separation and Purification Technology.

Można po prostu dołożyć kolejne dyski

Druk 3D okazuje się tu rozwiązaniem o dużym praktycznym sensie. Jeśli filtr musi obsługiwać większą objętość wody, konstrukcję można po prostu przeprojektować. Gdy potrzebna jest wyższa skuteczność, wystarczy zmienić geometrię przepływu albo dodać kolejne dyski do kolumny – bez budowania od zera nowej linii produkcyjnej. Autorzy badania widzą zastosowanie takiego rozwiązania zarówno w domowych systemach uzdatniania wody, jak i w instalacjach przemysłowych na większą skalę. Priorytetem pozostaje jednak poprawa skuteczności wobec najmniejszych cząstek – im drobniejszy plastik, tym trudniej go oddzielić klasycznymi metodami filtracji.

Problem mikroplastiku nie ogranicza się przy tym do wody pitnej. Zanieczyszczenie to trafia do środowiska z wielu źródeł, a jednym z nich są nasze ubrania – podczas prania z tkanin syntetycznych odrywają się mikroskopijne włókna, które wraz ze ściekami mogą wędrować dalej. Jednocześnie rośnie też nasza zdolność do wykrywania takich zanieczyszczeń. W Polsce rozwijany jest system mający wykrywać mikroplastik w wodzie w czasie rzeczywistym. Samo zidentyfikowanie problemu to jednak dopiero początek – kolejnym krokiem musi być skuteczne usunięcie drobin z wody.

Skala zjawiska staje się jeszcze bardziej odczuwalna, gdy wychodzimy poza rzeki i oczyszczalnie ścieków. Mikroplastik wykryto już w ludzkiej krwi, a kolejne badania ujawniały jego obecność także w innych tkankach i narządach.

Naukowcy odnajdywali cząstki plastiku między innymi w próbkach pobranych z ludzkiego serca. Samo ich wykrycie nie oznacza automatycznie wystąpienia konkretnej choroby, a dyskusja na temat długofalowych skutków takiej ekspozycji wciąż trwa. Trudno jednak uznać działania mające ograniczyć ilość plastiku trafiającego do wody za zbędne.