11 دقیقه
پژوهشگرانی در دانشگاه بن فیلتر جدیدی برای ماشینهای لباسشویی ساختهاند که از ساختار آبشش ماهی الهام گرفته و در آزمایشهای اولیه بیش از 99 درصد از فیبرهای میکروپلاستیک را به دام میاندازد. تیم تحقیقاتی با تکیه بر طرحهایی که در طول میلیونها سال تکامل یافتهاند، یک الک قیفیشکل خودپاکشونده طراحی کردهاند که رشتههای نساجی را قبل از ورود به شبکه فاضلاب جمعآوری و تمرکز میکند و بدین ترتیب میزان انتشار میکروپلاستیکِ ناشی از شستوشوی لباس را کاهش میدهد.
Biomimicry in the laundry room
میکروپلاستیکهای منشا گرفته از منسوجات — رشتههای بسیار ریز که هنگام ساییده شدن و فرسایش پارچهها در ماشین لباسشویی رها میشوند — یکی از منابع اصلی آلودگی محیط زیست هستند. یک ماشین لباسشویی خانگی میتواند سالانه صدها گرم فیبر مصنوعی آزاد کند که این فیبرها بهراحتی از سیستمهای فاضلاب عبور کرده و به لجن فاضلاب منتقل میشوند؛ لجنهایی که پس از تصفیه اغلب بهعنوان کود کشاورزی مصرف میشوند و بدین ترتیب فیبرها میتوانند به خاکها، آبهای زیرزمینی و در نهایت زنجیره غذایی وارد شوند.
برای رهگیری این ذرات در مبدأ، تیمی به سرپرستی دکتر لیاندرّا هامان و دکتر الکساندر بلانکه فیلترهای طبیعی موجود در جانداران صافیخوار دریایی مانند آنچوی، ساردین و ماکرل را مورد بررسی قرار دادند. این ماهیها از سیستم قوس آبششی استفاده میکنند که ترکیبی از قوسهای شبیه شانه و دنتیکلهای ریز دندانهشکل است تا یک شبکه قابل انعطاف ایجاد کنند. این طراحی زیستی نوعی فیلتراسیون جریان متقاطع را اجرا میکند: آب از طریق دیوارهٔ نفوذپذیر قیفیشکل عبور میکند در حالی که ذرات بزرگتر به سمت حفرهٔ گلو هدایت و بدون انسدادِ الک جدا میشوند؛ مکانیسمی که الهامبخش طراحی فیلتر لباسشویی شده است و ویژگیهای کارآمدی مانند جلوگیری از گرفتگی و جمعآوری متمرکز را در خود دارد.
ساختار شبکهای دنتیکلها روی رِیکِ آبشش که ذرات را بهدام میاندازد. Credit: Leandra Hamann
How the filter works
پروتوتایپ تیم بن سه ویژگی اصلی آبشش ماهی را بازتولید میکند: هندسه قیفیِ مخروطیشکل، شبکهای متشکل از تیغهها و دندانههای شانهای و الگوی جریان که ذرات را به جای گیر کردن در مقابل توری، به سمت یک کانال جمعآوری میغلتاند. در عمل، آب خروجی از ماشین لباسشویی از دیوارهٔ نفوذپذیر عنصر فیلتر عبور داده میشود. فیبرهای میکروپلاستیک توسط شبکه نگهداری شده و سپس توسط جریان کنترلشدهٔ آب در امتداد قیف به سمت یک خروجی کوچک رانده شده و در آنجا تجمع مییابند.
این فیلتر بیومیمتیک بهجای اتکا به قطعات متحرک پیچیده، بر هندسه و مسیرهای کنترلشدهٔ جریان تکیه دارد. پژوهشگران دو متغیر کلیدی را تنظیم کردند — فاصلهٔ بین مشها و زاویهٔ بازشدگی قیف — و با ترکیب آزمایشهای آزمایشگاهی و شبیهسازیهای جریان محاسباتی (CFD) به ترکیب بهینهای دست یافتند تا انرژی پرفورمنس بالا و خطر گرفتگی کم را متعادل کنند. نتیجهٔ این بهینهسازی، عنصری ساده و کمهزینه بود که در آزمایشهای اولیه بیش از 99 درصد فیبرهای پلاستیکی را از خروجی شستوشو حذف کرد؛ رقمی که در حوزهٔ فیلترهای خانگی برای مقابله با فیبرهای نساجی بسیار چشمگیر محسوب میشود.
در جزئیات فنی، تیم پارامترهایی مانند اندازهٔ منافذ شبکه (از نانو تا میکرومتر)، نسبت طول به قطر قیف و توزیع سرعت جریان را وارسی کردند. شبیهسازیهای دینامیک سیالات نشان داد که جریان متقاطع (cross-flow) باعث میشود ذرات کوچکتر در امتداد دیوارهٔ نفوذپذیر بلغزند و به سمت مجرای جمعآوری هدایت شوند، در حالی که از تشکیل پل ذرهای و انسداد شبکه جلوگیری میشود. این سازوکار برای فیبرهای با طول و قطر متغیر (شامل فیبرهای پلیاستر، پلیآمید و ترکیبات مختلف نساجی) نشان داد که میتواند بازده بالایی داشته باشد، هرچند نتایج دقیق میتواند بسته به ترکیب پارچه و نوع شوینده متفاوت باشد.
عنصر فیلتر در وسط سیستم، سیستم قوس آبششی ماهی را تقلید میکند. پوستهٔ فیلتر امکان پاکسازی دورهای و نصب در ماشینهای لباسشویی را فراهم میکند. Credit: Christian Reuß/Leandra Hamann
Practical deployment and waste handling
فیبرهای جمعآوریشده به سمت یک محفظهٔ کوچک هدایت میشوند و بهصورت دورهای تخلیه میگردند. تیم طراحی یک چرخهٔ نگهداری را تصور کرده است که در آن مواد انباشتهشده از خروجی چند بار در دقیقه مکیده شده و تحت فشار قرار میگیرند تا آب اضافی از آنها خارج شود و یک پِلِت یا گلولهٔ پلاستیکی فشرده تولید شود. این پلتها میتوانند هر چند ده شستوشو یکبار خالی شوند و بهعنوان پسماند عمومی دور ریخته یا در جریانهای بازیافت اختصاصی پردازش شوند؛ راهکاری که نیازمند توسعهٔ زیرساختهای جمعآوری و بازیافت مناسب است اما از رهاسازی آرام فیبرها در محیط جلوگیری میکند.
مزیت عملیاتی این رویکرد دوگانه است: کارآیی بالای جداسازی و جریان خودپاککنندهای که بهطور چشمگیری گرفتگی را کاهش میدهد. فیلترهای خانگی موجود اغلب دچار توقف بهخاطر انسداد میشوند یا مقاومت بالایی در خطوط فاضلاب ایجاد میکنند که میتواند منجر به افزایش مصرف انرژی یا نیاز به تعمیرات مکرر شود. طراحی الهامگرفته از آبشش این امکان را فراهم میکند که هزینهٔ انرژی پایین، تولید ساده و نصب مجدد (retrofit) آسانتر توسط سازندگان لوازم خانگی محقق شود.
از منظر مدیریت پسماند، فشردهسازی فیبرها به پلتهایی با حجم کم منجر میشود که جابجایی و دفع یا بازیافت آنها را عملیتر میسازد؛ اما لازم است استانداردهایی برای طبقهبندی این پلتها تعیین شود تا مشخص گردد آیا میتوان آنها را وارد جریان بازیافت پلاستیکهای صنعتی کرد یا باید بهعنوان پسماند جامد شهری مدیریت شوند. همچنین روشهای آزمایشی و معیارهای زیستمحیطی برای ارزیابی ایمنی دفن یا فرایندهای بازیافت شیمیایی/مکانیکی این پلتها لازم است تا از ورود دوبارهٔ میکروفیبرها به محیط جلوگیری شود.
Scientific context and health concerns
این پژوهش، که در نشریهٔ npj Emerging Contaminants منتشر شده است، به حوزهٔ روزافزون فیلتراسیون بیومیمتیک و کنترل آلودگی خانگی میافزاید. فراتر از شستوشوی لباس، مفاهیم فیلتراسیون جریان متقاطع در صنایع مختلف برای فرایندهایی استفاده میشود که نیازمند جداسازی مستمر بدون گرفتگی سریع هستند؛ از تصفیهٔ آب و صنایع دارویی تا فرآوری مواد غذایی و جداسازی زیستی.
میکروپلاستیکها تنها یک مزاحمت زیستمحیطی نیستند. مطالعات تحلیلی ذرات پلاستیکی را در بافتهای انسانی — از جمله شیر مادر، جفت و حتی نمونههایی از مغز — شناسایی کردهاند و این امر پرسشهایی دربارهٔ پیامدهای بلندمدت سلامت ایجاد میکند. هرچند رابطهٔ علیت و آستانههای خطر هنوز موضوع پژوهشهای فعال است، کاهش مسیرهای مواجههٔ بالقوه مانند انتشار فیبرها از خانهها به محیط زیست میتواند یک گام پیشگیرانهٔ مهم باشد تا زمان لازم برای مطالعات سمشناسی و بهداشت عمومی فراهم شود.
در این چارچوب، فیلترهای خانگی کارآمد میتوانند بهعنوان یک لایهٔ حفاظتی در زنجیرهٔ کنترل آلودگی عمل کنند. با توجه به اینکه منابع عمدهٔ میکروپلاستیک شامل فرسایش لاستیک جاده، خرد شدن زبالههای پلاستیکی و نیز فیبرهای نساجی است، مداخله در سطح مصرفکننده (مانند نصب فیلتر در ماشینهای لباسشویی) یکی از راههای روشن برای کاهش بار آلودگی ورودی به تصفیهخانهها و محیطهای کشاورزی به شمار میآید.
Implications, patents and next steps
تیم دانشگاه بن، همراه با مؤسسهٔ فرائونهوفر برای فناوریهای محیطی، ایمنی و انرژی UMSICHT، در آلمان برای حفاظت ثبت اختراع اقدام کرده و فرایند ثبت در سطح اتحادیه اروپا را آغاز کردهاند. گام بعدی آنها جذب صنعت است: سازندگان لوازم خانگی باید طراحی ماشین لباسشویی را تطبیق دهند تا عنصر فیلتر و یک خروجی جمعآوری ساده را درون دستگاه تعبیه کنند؛ این کار میتواند بهصورت تولید انبوه یا ارائهٔ قطعهٔ الحاقی برای مدلهای موجود انجام شود.
اجرای این فیلتر در مقیاس وسیع میتواند بهطور چشمگیری بار میکروپلاستیکی ناشی از منسوجات را که به تصفیهخانهها و زمینهای کشاورزی میرسد، کاهش دهد. پژوهشگران اشاره میکنند که نبود مکانیزمهای مکانیکی پیچیده در طراحی، هزینهٔ تولید را پایین نگه میدارد و نگهداری در منزل را سادهتر میکند — عواملی که برای پذیرش گسترده اهمیت زیادی دارند. بهعلاوه، اگر تولیدکنندگان بتوانند این قطعه را بهعنوان استاندارد در مدلهای جدید یا بهصورت قطعهٔ پسفروش ارائه دهند، سرعت نفوذ فناوری به بازار افزایش خواهد یافت.
از منظر سیاستگذاری نیز، هماهنگی بین سازندگان دستگاه، سازمانهای استاندارد و نهادهای بازیافت لازم است تا پروتکلهایی برای عملکرد، بازرسی و مدیریت پسماند تعیین شود. علاوه بر این، تحلیلهای کالبدی-چرخه (LCA) برای سنجش مزیت خالص زیستمحیطی این فیلترها — با احتساب تولید، نصب، نگهداری و دفع پلتهای جمعآوریشده — ضروری خواهد بود تا از تحقق منافع زیستمحیطی در بلندمدت اطمینان حاصل شود.
جلو: دکتر لیاندرّا هامان، راست: دکتر الکساندر بلانکه، مرکز: محقق مواد کریستیان رویس، چپ: زیستشناس دکتر هندریک هِرزوگ. Credit: Peter Rühr/Uni Bonn
Expert Insight
«تطبیق معماریهای بیولوژیکی برای کنترل آلودگی خانگی مسیری امیدوارکننده است»، میگوید دکتر مایا رینولدز، مهندس محیطزیست متخصص سیستمهای آب شهری. «مدل قوس آبششی هوشمندانه است چون کارآیی جداسازی بالا را با یک رژیم جریان خودپاککننده ترکیب میکند — دو ویژگی ضروری برای کاربرد خانگی. اگر تولیدکنندگان بتوانند این طراحی را بدون افزایش قابلتوجه هزینه یا مصرف انرژی در ماشینهای تولیدی انبوه بگنجانند، فواید بهداشتی عمومی و زیستمحیطی میتواند قابلتوجه باشد.»
Next challenges and broader prospects
پیش از عرضهٔ تجاری، فیلتر باید آزمایشهای بیشتری را پشتسر بگذارد: دوام طولانیمدت در چرخههای شستوشوی واقعی، اثربخشی در برابر انواع پارچه و شویندهها، سازگاری با مدلها و استانداردهای مختلف ماشین لباسشویی و تعیین معیارهایی برای دفع یا بازیافت ایمن پلتهای جمعآوریشده. سازمانهای مقرراتی و نهادهای استاندارد ممکن است آستانههایی برای عملکرد فیلترهای خانگی تعیین کنند و تحلیلهای چرخهٔ زندگی برای تأیید منافع زیستمحیطی خالص ضروری خواهند بود.
با وجود این چالشها، مطالعه نشان میدهد چگونه بیومیمتیک هدفمند — ترجمهٔ یک راهحل طبیعی آزمودهشده به مهندسیِ کاربردی — میتواند یک مشکل مدرن آلودگی را در مبدأ هدف قرار دهد. همچنان که فیبرهای پوشاک بخش عمدهای از موجودی میکروپلاستیکها را تشکیل میدهند، رهگیری در نقطهٔ تولید یعنی ماشین لباسشویی یکی از مستقیمترین راهها برای کاهش رهایش به محیط است. ترکیب پژوهش تجربی، شبیهسازیهای عددی، همکاری صنعتی و سیاستگذاری هدفمند میتواند مسیر را برای گسترش فناوریهایی مانند این فیلتر بیومیمتیک هموار سازد و به کاهش آلودگی میکروپلاستیکی کمک نماید.
در پایان، پذیرش گستردهٔ فناوری نیازمند پیادهسازی آزمایشهای میدانی با نمونههای واقعی مصرفکننده، توسعهٔ زنجیرهٔ تأمین برای تولید انبوه، و تدوین رویههای مناسب برای جمعآوری و بازیافت پلتها است. اگر این عناصر بهدرستی پیریزی شوند، فیلترهای الهامگرفته از آبشش میتوانند نقش مهمی در کاهش بار میکروپلاستیک ناشی از شستوشوی منسوجات ایفا کنند و به حفاظت منابع آبی و سلامت عمومی کمک کنند.
منبع: scitechdaily
نظرات
آرمین
ایدۀ خوبیه ولی یهکم رو تبلیغاتش اغراق دارن، تا وقتی تست طولانیمدت و LCA نباشه نمیشه قضاوت کرد.
شهررو
نکتهٔ مهم، چرخهٔ زندگیه. باید ببینیم که جمعآوری و دفع پلتها عملا هم بهتر از رها شدن فیبرها هست یا نه.
بیونیکس
تو آزمایشگاه ما هم با فیلترهای ساده بازی کردیم، جریان متقاطع جواب میده، ولی نگهداری خونگی همیشه یه چالش بوده.
دیتاویو
وای واقعا جالبه! الهام از آبشش ماهی، فکرشم نکرده بودم. اگه واقعاً 99٪ گرفت باشه، این میتونه کلی کمک کنه به محیط زیست 😮
ارسال نظر