德國波恩大學的研究團隊近日公布了一種受魚類鰓弓結(jié)構(gòu)啟發(fā)的新型洗衣機濾網(wǎng)，在實驗中可從洗衣機廢水中去除超過99%的塑料纖維，為遏制微塑料污染提供了一個極具前景的工程化方案。相關成果發(fā)表于期刊《npj Emerging Contaminants》，目前已在德國申請專利，并正推進歐盟范圍內(nèi)的專利布局。

微塑料通常指尺寸極小的塑料顆粒或纖維，被認為可能對人類及動物健康構(gòu)成長期風險。研究指出，一個四口之家的單臺洗衣機，每年就可能向環(huán)境釋放多達約500克的微塑料，其中大部分來自紡織品在洗滌過程中的磨損與斷裂。這些顆粒隨廢水進入污水處理廠，多數(shù)滯留在污泥中，而污泥又經(jīng)常作為肥料施用于農(nóng)田，導致塑料纖維最終擴散到土壤和更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)中。

針對這一問題，不少制造商已開始探索在洗衣機端口攔截微塑料的技術路徑，但現(xiàn)有濾網(wǎng)方案普遍存在易堵塞、過濾效率不足或成本較高等缺點。波恩大學有機生物學研究所的萊安德拉·哈曼博士指出，目前市面上的一些裝置要么很快被纖維堵死，需要頻繁維護，要么對微小塑料顆粒的去除率并不理想，因此難以在大規(guī)模應用中發(fā)揮應有作用。

為尋找更優(yōu)的工程方案，研究團隊轉(zhuǎn)向自然界已有的“成熟設計”。他們系統(tǒng)考察了各種生物的過濾結(jié)構(gòu)，特別關注那些以濾食為生的魚類，如鯖魚、沙丁魚和鳳尾魚等，這類魚通過張口游動，將水流引入口腔并依靠鰓弓系統(tǒng)高效截留浮游生物。課題負責研究者之一亞歷山大·布蘭克介紹，他們對魚類鰓弓在幾億年演化中形成的濾食結(jié)構(gòu)進行了詳細分析，并以此為藍本設計出適用于洗衣機廢水處理的仿生濾網(wǎng)。

在這些濾食性魚類體內(nèi)，鰓弓系統(tǒng)整體呈漏斗狀：開口處位于魚嘴一端，向食道方向漸漸收窄。構(gòu)成漏斗壁的是一系列鰓弓，這些弓狀骨架上分布著類似梳齒的鰓耙，其表面覆蓋著細小的“齒突”，共同構(gòu)成一個連續(xù)的網(wǎng)狀篩結(jié)構(gòu)。當魚攝食時，水流穿過這層可滲透的漏斗壁，經(jīng)鰓排出體外，而體積更大的浮游生物顆粒則被網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)截留在漏斗內(nèi)部。

由于漏斗形狀及水流方向的設計，這些被截留的顆粒不會堵死篩面，而是沿著漏斗內(nèi)壁滾動，最終匯聚到食道入口處，在魚吞咽時被一次性“清空”，實現(xiàn)天然的自清潔。研究團隊指出，這種“橫流過濾”式的工作機制兼具高過濾效率與不易堵塞兩大優(yōu)勢，正是理想微塑料濾網(wǎng)所需要的特性。因此，他們在仿生設計中重點復刻了這一漏斗幾何形態(tài)和網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，使纖維沿濾面滾動而非正面沖撞，從而顯著減輕堵塞風險。

在具體工程實現(xiàn)上，團隊復制了魚類鰓弓系統(tǒng)的關鍵幾何參數(shù)，并對篩網(wǎng)孔徑以及漏斗開口角度進行了系統(tǒng)調(diào)節(jié)和組合優(yōu)化。研究人員通過實驗與計算機模擬相結(jié)合的方法，尋找出既能截留絕大多數(shù)微塑料纖維，又不會導致快速堵塞的一組參數(shù)組合。結(jié)果顯示，在這一設計條件下，濾網(wǎng)對洗衣機廢水中的微塑料去除率可超過99%，且整個結(jié)構(gòu)無需復雜機械部件，適于低成本批量制造。

新濾網(wǎng)被設計為可集成在洗衣機內(nèi)部的獨立組件，中部的濾芯部分負責模擬魚鰓弓的漏斗與篩網(wǎng)系統(tǒng)，而外部外殼則便于定期清理和與整機管路對接。在運行過程中，被截留的塑料纖維會聚集到濾網(wǎng)出口區(qū)域，并以較高頻率被抽吸移除，以防再次堆積回流。研究設想，后端可以通過機械壓縮等方式將這些濕纖維壓制成含水量較低的塑料團塊，用戶只需在數(shù)十次洗衣后取出一次，將固體顆粒作為普通生活垃圾處理即可。

目前，這項技術已在德國提交專利申請，并在歐盟層面推進更廣泛的知識產(chǎn)權保護。除了波恩大學之外，弗勞恩霍夫環(huán)境、安全與能源技術研究所（UMSICHT）也深度參與了該項目，相關轉(zhuǎn)化工作由波恩大學轉(zhuǎn)移中心enaCom聯(lián)合NRW高校網(wǎng)絡的技術轉(zhuǎn)移服務機構(gòu)PROvendis共同推進。研究團隊希望家電制造商能夠在未來一代洗衣機中集成這類仿生濾網(wǎng)，從源頭上大幅削減紡織品微塑料排放，為緩解環(huán)境微塑料負擔提供直接而可行的工程路徑。

科學界近年來不斷發(fā)出警示，指出環(huán)境中的微塑料可能對人體造成嚴重、而且很可能是長期的健康威脅。相關分析已在母乳、胎盤甚至大腦組織中發(fā)現(xiàn)微塑料顆粒的存在，引發(fā)公眾對其潛在毒性及慢性累積效應的廣泛擔憂。在這一背景下，從源頭減少微塑料排放被視為與下游治理同樣關鍵的一環(huán)，而來自魚類鰓弓的“仿生方案”正體現(xiàn)了自然靈感在環(huán)境技術中的獨特價值。

編譯自/ScitechDaily