Een onderzoeksteam van de Universiteit van Bonn in Duitsland heeft onlangs een nieuw wasmachinefilter aangekondigd, geïnspireerd op de kieuwboogstructuur van vissen. In experimenten kan het meer dan 99% van de plastic vezels uit het afvalwater van wasmachines verwijderen, wat een veelbelovende technische oplossing biedt om de vervuiling door microplastics terug te dringen. De relevante resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift "npj Emerging Contaminants". Het heeft een patent aangevraagd in Duitsland en bevordert de patentopmaak binnen de Europese Unie.

Er wordt aangenomen dat microplastics, waarmee doorgaans extreem kleine plasticdeeltjes of vezels worden bedoeld, op de lange termijn risico's voor de gezondheid van mens en dier met zich meebrengen. Onderzoek wijst uit dat een enkele wasmachine voor een gezin van vier personen jaarlijks tot wel 500 gram microplastics in het milieu kan vrijgeven, waarvan het grootste deel afkomstig is van de slijtage van textiel tijdens het wasproces. Deze deeltjes komen met afvalwater in rioolwaterzuiveringsinstallaties terecht en de meeste komen vast te zitten in slib, dat vaak als meststof op landbouwgrond wordt toegepast, waardoor plastic vezels zich uiteindelijk in de bodem en bredere ecosystemen verspreiden.

Als reactie op dit probleem zijn veel fabrikanten begonnen met het onderzoeken van technische mogelijkheden om microplastics in de havens van wasmachines te onderscheppen. Bestaande filteroplossingen hebben echter doorgaans tekortkomingen, zoals gemakkelijke verstopping, onvoldoende filtratie-efficiëntie of hoge kosten. Dr. Leandra Hamann van het Instituut voor Organische Biologie aan de Universiteit van Bonn wees erop dat sommige apparaten die momenteel op de markt zijn óf snel verstopt raken met vezels en regelmatig onderhoud vereisen, óf dat de verwijderingssnelheid van kleine plastic deeltjes niet ideaal is, waardoor het moeilijk is om hun rol te spelen in grootschalige toepassingen.

Om betere technische oplossingen te vinden, wendde het onderzoeksteam zich tot ‘volwassen ontwerpen’ die al in de natuur beschikbaar waren. Ze onderzochten systematisch de filterstructuren van verschillende organismen, waarbij ze bijzondere aandacht besteedden aan vissen die als filtervoeders leven, zoals makreel, sardines en ansjovis. Deze vissen zwemmen door hun mond, brengen water in hun mond en vertrouwen op hun kieuwboogsystemen om plankton efficiënt te onderscheppen. Alexander Blanc, een van de onderzoekers die verantwoordelijk is voor het project, zei dat ze een gedetailleerde analyse hebben uitgevoerd van de filtervoedingsstructuur gevormd door de kieuwbogen van vissen gedurende honderden miljoenen jaren van evolutie, en dit als basis hebben gebruikt om een ​​bionisch filter te ontwerpen dat geschikt is voor de behandeling van afvalwater van wasmachines.

Bij deze filtervoedende vissen is het kieuwboogsysteem als geheel trechtervormig: de opening bevindt zich aan het ene uiteinde van de bek van de vis en wordt geleidelijk smaller in de richting van de slokdarm. De trechterwand bestaat uit een reeks kieuwbogen. Deze boogachtige skeletten zijn verdeeld met kamachtige kieuwharken, en hun oppervlakken zijn bedekt met kleine "dentikels" die samen een doorlopende maasachtige zeefstructuur vormen. Wanneer de vis zich voedt, stroomt het water door deze doorlatende trechterwand en wordt het via de kieuwen uitgescheiden, terwijl grotere planktondeeltjes door de gaasstructuur in de trechter worden opgesloten.

Vanwege het ontwerp van de vorm van de trechter en de richting van de waterstroom zullen deze opgesloten deeltjes het zeefoppervlak niet blokkeren, maar langs de binnenwand van de trechter rollen en uiteindelijk samenkomen bij de ingang van de slokdarm, waar ze in één keer worden "leeggemaakt" wanneer de vis slikt, waardoor een natuurlijke zelfreiniging wordt bereikt. Het onderzoeksteam wees erop dat dit werkingsmechanisme van "cross-flow filtratie" de twee voordelen heeft van een hoge filtratie-efficiëntie en weerstand tegen verstopping, wat precies de kenmerken zijn die vereist zijn voor een ideaal microplastic filter. Daarom concentreerden ze zich op het repliceren van deze trechtergeometrie en gaasstructuur in het bionische ontwerp, waardoor de vezels langs het filteroppervlak konden rollen in plaats van frontaal te botsen, waardoor het risico op verstopping aanzienlijk werd verminderd.

Wat de specifieke technische implementatie betreft, heeft het team de belangrijkste geometrische parameters van het viskieuwboogsysteem gekopieerd en systematisch de optimalisatie van de schermopening en de openingshoek van de trechter aangepast en gecombineerd. De onderzoekers gebruikten een combinatie van experimenten en computersimulaties om een ​​reeks parametercombinaties te vinden die de meeste microplasticvezels kunnen vangen zonder snelle verstopping te veroorzaken. De resultaten laten zien dat onder deze ontwerpomstandigheden het filter meer dan 99% van de microplastics uit het afvalwater van wasmachines kan verwijderen, en dat de hele structuur geen complexe mechanische componenten vereist, waardoor het geschikt is voor goedkope batchproductie.

Het nieuwe filter is ontworpen als een zelfstandig onderdeel dat in de wasmachine kan worden geïntegreerd. Het middelste filterelement is verantwoordelijk voor het simuleren van het trechter- en zeefsysteem van de kieuwboog, terwijl de buitenschaal regelmatige reiniging en verbinding met de gehele machinepijpleiding mogelijk maakt. Tijdens bedrijf zullen de opgevangen plastic vezels zich ophopen in het uitlaatgebied van het filter en met een hogere frequentie worden verwijderd door ophoping en terugstroming te voorkomen. Het onderzoek voorziet dat de back-end deze natte vezels kan samenpersen tot plastic briketten met een lager watergehalte door middel van mechanische compressie en andere methoden. Gebruikers hoeven ze slechts één keer na tientallen wasbeurten te verwijderen en de vaste deeltjes weg te gooien als gewoon huishoudelijk afval.

Momenteel heeft deze technologie een patentaanvraag ingediend in Duitsland en bevordert zij een bredere bescherming van intellectueel eigendom op EU-niveau. Naast de Universiteit van Bonn is ook het Fraunhofer Instituut voor Milieu-, Veiligheids- en Energietechnologie (UMSICHT) nauw betrokken bij het project. Het relevante transformatiewerk wordt gezamenlijk gepromoot door het overdrachtscentrum enaCom van de Universiteit van Bonn en PROvendis, het servicebureau voor technologieoverdracht van het universitaire netwerk van NRW. Het onderzoeksteam hoopt dat fabrikanten van huishoudelijke apparaten dit type bionisch filter kunnen integreren in toekomstige generaties wasmachines om de microplastic-uitstoot van textiel vanaf de bron aanzienlijk te verminderen en een direct en haalbaar technisch pad te bieden om de last van microplastics op het milieu te verlichten.

De wetenschappelijke gemeenschap heeft de afgelopen jaren gewaarschuwd dat microplastics in het milieu ernstige en mogelijk langdurige bedreigingen voor de gezondheid van het menselijk lichaam kunnen vormen. Relevante analyses hebben de aanwezigheid van microplasticdeeltjes in moedermelk, placenta en zelfs hersenweefsel aangetoond, wat aanleiding gaf tot wijdverbreide publieke bezorgdheid over hun potentiële toxiciteit en chronische cumulatieve effecten. In deze context wordt het terugdringen van de uitstoot van microplastics bij de bron als even cruciaal beschouwd als het beheer verderop in de keten, en de ‘bionische oplossing’ afgeleid van de kieuwbogen van vissen weerspiegelt de unieke waarde van natuurlijke inspiratie in de milieutechnologie.

Samengesteld uit /ScitechDaily