科学家发明仿鱼鳃过滤器，可去除洗衣机废水中99%的微塑料

家用洗衣机每年向环境释放数百克微塑料纤维，这一隐蔽污染源正引起全球关注。波恩大学生物体研究所团队从滤食性鱼类的鳃弓系统获得灵感,开发出一种采用半错流过滤原理的新型过滤器。发表于《npj新兴污染物》的研究显示,这种仿生过滤器在实验室测试中可去除洗衣废水中99.6%的微塑料纤维,同时通过自清洁机制避免堵塞问题。

该技术已在德国申请专利并正在进行欧盟范围的专利申请,研究团队期望制造商将其集成到下一代洗衣机中,从源头阻断微塑料进入环境的主要路径之一。

微塑料污染已从海洋环境议题演变为公共健康危机。这些直径小于5毫米的塑料颗粒和纤维通过食物链累积,在人体多个器官中被检测到,包括母乳、胎盘甚至脑组织。

微塑料及其携带的化学添加剂与慢性炎症、代谢紊乱和潜在致癌风险相关联。研究表明,微塑料可能通过扰乱肠道微生物群引发炎症反应,还可作为重金属和持久性有机污染物的载体形成复合毒性。在环境层面,微塑料影响水生生态系统的光合作用和食物网结构,其长期生态效应仍在持续研究中。

纺织品洗涤是微塑料释放的重要来源。一个四口之家的洗衣机每年可产生高达500克微塑料,主要来自合成纤维织物的机械磨损。聚酯、尼龙和丙烯酸等合成材料在洗涤过程中释放大量微纤维,即使天然纤维在染色和后处理过程中也会附着有害化学物质。这些纤维随废水进入污水处理系统,但常规污水处理设施无法有效去除粒径极小的微塑料,大部分最终进入污泥。由于污泥经常作为农田肥料使用,微塑料通过这一途径进入土壤和食物链,形成完整的污染循环。

从亿万年进化中借鉴过滤智慧

波恩大学莱安德拉·哈曼博士与其导师亚历山大·布兰克教授领导的团队注意到,现有洗衣机微塑料过滤系统存在性能瓶颈。部分设计容易被纤维堵塞导致水流受阻,影响洗衣机正常运行;另一些虽能保持通畅但过滤效率不足,无法有效捕获微小纤维。研究团队转向生物界寻求解决方案,将目光聚焦于经过数亿年进化完善的鱼类过滤系统。

在这条鳀鱼的口中，浮游生物颗粒被鳃弓系统捕获。图片来源：Jens Hamann

鲱鱼、沙丁鱼和凤尾鱼等滤食性鱼类依靠独特的鳃弓系统从水中筛选浮游生物。这些鱼类张开嘴巴游动时,水流通过鳃弓间的缝隙流出,而食物颗粒被截留。鳃弓系统呈现漏斗形结构,在口部开口最大,向食道方向逐渐收窄。每根鳃弓上生长着梳状鳃耙,密集排列的细小突起形成精细筛网,由鳃弓骨骼支撑保持张力。这种结构实现了半错流过滤:水流并非直接冲击过滤面,而是沿着逐渐收窄的通道流动,浮游生物在水流推动下沿着鳃弓表面滚动,最终聚集到漏斗狭窄端被吞咽。

这一机制的核心优势在于自清洁能力。由于浮游生物不是正面堆积在过滤器上而是沿表面移动,避免了传统过滤器常见的快速堵塞问题。同时,鱼类的鳃弓系统过滤效率极高,能够捕获绝大部分目标尺寸的食物颗粒。研究团队认识到,这两个特性——高效率和抗堵塞——正是理想微塑料过滤器所需的关键属性。

团队通过系统研究鳃弓系统的几何参数和流体动力学特征,开始设计仿生过滤器。他们调整了筛网孔径、漏斗开口角度和壁面倾斜度等关键参数,利用计算流体力学模拟优化设计。经过多轮实验室测试和计算机建模,研究人员确定了能够最大化微塑料捕获率同时最小化堵塞风险的参数组合。最终设计采用渐缩漏斗形过滤腔,内壁铺设特定孔径的筛网结构,水流从侧壁流出而纤维被引导至出口集中收集。

简单结构实现高效分离

中央的过滤元件模仿了鱼鳃的弧形结构。过滤器外壳便于定期清洗，并可安装在洗衣机中。图片来源：Christian Reuß/Leandra Hamann

实验室测试验证了仿生设计的有效性。研究团队使用含有已知浓度微塑料纤维的模拟洗衣废水进行测试,通过对过滤前后水样的分析计算去除率。结果显示,优化后的鱼鳃启发过滤器能够去除99.6%的测试纤维,显著优于现有技术。更重要的是,过滤器在连续运行过程中保持稳定性能,收集到的纤维占总量的85%被有效转移到收集区域,而不是滞留在过滤表面造成堵塞。

过滤器的工作原理充分体现了生物启发设计的优势。洗衣废水进入漏斗形过滤腔后,水分子因尺寸极小能够穿过筛网孔隙从侧壁流出,而直径通常在10至100微米的微塑料纤维则无法通过。由于漏斗的收敛几何形状和水流的切向分量,纤维不会垂直撞击筛网表面而是沿着筛网滚动,在重力和流体拖曳力共同作用下向漏斗窄端移动。到达出口区域的纤维被定期抽吸装置移除,每分钟多次的抽吸频率确保纤维不会在出口堆积。

该系统的一个显著优势是结构简单性。与某些需要复杂机械部件或电子控制系统的过滤方案不同,鱼鳃启发过滤器主要依靠精心设计的几何形状和被动流体力学效应工作。这种简单性意味着更低的制造成本、更高的可靠性和更容易的维护。过滤器外壳设计为可拆卸结构,便于定期清洗和检查。收集的微塑料可以通过机械挤压去除残留水分,形成相对干燥的塑料团块,用户每隔数十次洗涤后取出作为普通垃圾处理即可。

从技术成熟度角度看,该过滤器已完成概念验证和实验室规模测试。波恩大学和弗劳恩霍夫环境、安全与能源技术研究所已在德国提交专利申请,并正在推进欧盟范围的专利保护。研究团队获得了欧洲研究理事会概念验证基金支持,用于进一步开发和测试。下一阶段工作包括优化过滤器尺寸以适配不同型号洗衣机,测试长期耐久性和不同类型纺织品产生的微纤维的过滤效果,以及开发适合大规模制造的生产工艺。

技术推广面临的现实挑战

尽管实验室结果令人鼓舞,将仿生过滤器集成到商用洗衣机仍面临多重挑战。首先是成本效益分析。家电制造商需要权衡过滤系统增加的成本与市场接受度,特别是在没有强制性监管要求的情况下。目前,微塑料排放尚未在大多数国家被列为需要控制的污染物,消费者可能不愿为环保功能支付溢价。其次是空间限制。洗衣机内部空间紧凑,增加过滤系统需要重新设计管路布局,可能影响洗涤容量或整机尺寸。第三是用户体验,定期清理过滤器增加了维护负担,如何设计简便的收集和处理机制至关重要。

监管环境的变化可能成为技术推广的催化剂。法国已经立法要求2025年后销售的洗衣机必须配备微塑料过滤系统,其他欧盟国家也在考虑类似政策。如果强制性标准推广开来,仿生过滤器可能凭借其高效率和低维护特性获得竞争优势。环保意识提升也在改变消费者行为,越来越多购买者将可持续性作为选购家电的考虑因素。第三方环保认证和能效标签可能将微塑料过滤性能纳入评价体系,为采用先进技术的产品创造市场差异化。

从更广阔视角看,洗衣机过滤器只是微塑料污染综合治理策略的一部分。纺织行业正在研发低脱落纤维织物,通过改进纱线结构和后整理工艺减少微纤维释放。污水处理厂升级三级处理设施以提高微塑料去除率,虽然成本高昂但在人口密集地区逐步推进。更根本的解决方案是减少合成材料使用并开发可生物降解替代品,但这需要整个产业链的系统性转型。

波恩大学团队期望他们的仿生过滤器能吸引家电制造商的关注,推动技术从实验室走向市场。哈曼博士现已移居加拿大阿尔伯塔大学继续相关研究,而布兰克教授的团队正在探索该过滤原理在其他应用场景中的潜力,包括工业废水处理和纺织品生产环节。如果该技术能够在未来几年内实现商业化,每年可能阻止数万吨微塑料纤维进入环境,这对缓解日益严重的微塑料污染具有重要意义。从鱼类亿万年进化智慧中借鉴的这一创新,展示了仿生学在解决现代环境挑战中的巨大潜力。