Un equipo de investigación de la Universidad de Bonn en Alemania anunció recientemente un nuevo filtro para lavadora inspirado en la estructura del arco branquial de los peces. En experimentos, puede eliminar más del 99% de las fibras plásticas de las aguas residuales de las lavadoras, lo que proporciona una solución de ingeniería prometedora para frenar la contaminación por microplásticos. Los resultados relevantes fueron publicados en la revista "npj Emerging Contaminants". Ha solicitado una patente en Alemania y está promoviendo el diseño de patentes dentro de la Unión Europea.
Se cree que los microplásticos, que generalmente se refieren a partículas o fibras de plástico extremadamente pequeñas, plantean riesgos a largo plazo para la salud humana y animal. Las investigaciones señalan que una sola lavadora para una familia de cuatro personas puede liberar hasta unos 500 gramos de microplásticos al medio ambiente cada año, la mayor parte de los cuales proviene del desgaste de los textiles durante el proceso de lavado. Estas partículas ingresan a las plantas de tratamiento de aguas residuales con aguas residuales y la mayoría queda atrapada en el lodo, que a menudo se aplica a las tierras de cultivo como fertilizante, lo que hace que las fibras plásticas eventualmente se extiendan al suelo y a ecosistemas más amplios.
En respuesta a este problema, muchos fabricantes han comenzado a explorar vías técnicas para interceptar los microplásticos en los puertos de las lavadoras. Sin embargo, las soluciones de filtrado existentes generalmente tienen desventajas como fácil obstrucción, eficiencia de filtración insuficiente o alto costo. La Dra. Leandra Hamann del Instituto de Biología Orgánica de la Universidad de Bonn señaló que algunos dispositivos actualmente en el mercado se obstruyen rápidamente con fibras y requieren un mantenimiento frecuente, o la tasa de eliminación de pequeñas partículas de plástico no es ideal, por lo que es difícil desempeñar el papel que les corresponde en aplicaciones a gran escala.
Para encontrar mejores soluciones de ingeniería, el equipo de investigación recurrió a "diseños maduros" ya disponibles en la naturaleza. Examinaron sistemáticamente las estructuras filtrantes de varios organismos, prestando especial atención a los peces que viven como filtradores, como la caballa, las sardinas y las anchoas. Estos peces nadan por la boca, introducen agua en la boca y dependen de sus sistemas de arcos branquiales para interceptar eficientemente el plancton. Alexander Blanc, uno de los investigadores a cargo del proyecto, dijo que realizaron un análisis detallado de la estructura de filtración formada por los arcos branquiales de los peces a lo largo de cientos de millones de años de evolución, y utilizaron esto como base para diseñar un filtro biónico adecuado para el tratamiento de aguas residuales de lavadoras.
En estos peces que se alimentan por filtración, el sistema de arcos branquiales tiene en su conjunto forma de embudo: la abertura se encuentra en un extremo de la boca del pez y se estrecha gradualmente hacia el esófago. La pared del embudo está compuesta por una serie de arcos branquiales. Estos esqueletos en forma de arco están distribuidos con branquiespinas en forma de peine y sus superficies están cubiertas con pequeños "dentículos" que juntos forman una estructura de tamiz continua en forma de malla. Cuando el pez se alimenta, el agua pasa a través de esta pared permeable del embudo y se excreta a través de las branquias, mientras que las partículas de plancton más grandes quedan atrapadas dentro del embudo por la estructura de malla.
Debido al diseño de la forma del embudo y la dirección del flujo de agua, estas partículas atrapadas no bloquearán la superficie de la pantalla, sino que rodarán a lo largo de la pared interna del embudo y finalmente convergerán en la entrada del esófago, donde se "vaciarán" en el momento en que el pez traga, logrando una autolimpieza natural. El equipo de investigación señaló que este mecanismo de trabajo de "filtración de flujo cruzado" tiene las dos ventajas de una alta eficiencia de filtración y resistencia a la obstrucción, que es exactamente las características que requiere un filtro de microplástico ideal. Por lo tanto, se centraron en replicar esta geometría de embudo y estructura de malla en el diseño biónico, permitiendo que las fibras rueden a lo largo de la superficie del filtro en lugar de chocar de frente, reduciendo así significativamente el riesgo de obstrucción.
En términos de implementación de ingeniería específica, el equipo copió los parámetros geométricos clave del sistema de arco branquial de los peces y ajustó y combinó sistemáticamente la optimización de la apertura de la pantalla y el ángulo de apertura del embudo. Los investigadores utilizaron una combinación de experimentos y simulaciones por computadora para encontrar un conjunto de combinaciones de parámetros que pueden atrapar la mayoría de las fibras microplásticas sin causar una obstrucción rápida. Los resultados muestran que bajo esta condición de diseño, el filtro puede eliminar más del 99% de los microplásticos en las aguas residuales de las lavadoras, y toda la estructura no requiere componentes mecánicos complejos, lo que lo hace adecuado para la fabricación por lotes de bajo costo.
El nuevo filtro está diseñado como un componente independiente que se puede integrar dentro de la lavadora. El elemento filtrante central es responsable de simular el sistema de embudo y pantalla del arco branquial, mientras que la carcasa exterior facilita la limpieza regular y la conexión con toda la tubería de la máquina. Durante el funcionamiento, las fibras plásticas atrapadas se acumularán en el área de salida del filtro y se eliminarán mediante succión a mayor frecuencia para evitar la acumulación y el reflujo nuevamente. La investigación prevé que la parte trasera pueda comprimir estas fibras húmedas en briquetas de plástico con menor contenido de agua mediante compresión mecánica y otros métodos. Los usuarios sólo necesitan sacarlos una vez después de docenas de lavados y desechar las partículas sólidas como basura doméstica común.
Actualmente, esta tecnología ha presentado una solicitud de patente en Alemania y está promoviendo una protección más amplia de la propiedad intelectual a nivel de la UE. Además de la Universidad de Bonn, en el proyecto también participa profundamente el Instituto Fraunhofer de Tecnología Medioambiental, de Seguridad y Energética (UMSICHT). El correspondiente trabajo de transformación lo promueven conjuntamente el centro de transferencia enaCom de la Universidad de Bonn y PROvendis, la agencia de servicios de transferencia de tecnología de la red universitaria de NRW. El equipo de investigación espera que los fabricantes de electrodomésticos puedan integrar este tipo de filtro biónico en futuras generaciones de lavadoras para reducir significativamente las emisiones de microplásticos textiles desde la fuente y proporcionar un camino de ingeniería directo y factible para aliviar la carga de los microplásticos en el medio ambiente.
La comunidad científica ha estado advirtiendo en los últimos años que los microplásticos en el medio ambiente pueden representar amenazas graves y posiblemente a largo plazo para la salud del cuerpo humano. Análisis relevantes han encontrado la presencia de partículas microplásticas en la leche materna, la placenta e incluso el tejido cerebral, lo que ha provocado una preocupación pública generalizada sobre su posible toxicidad y sus efectos acumulativos crónicos. En este contexto, reducir las emisiones de microplásticos desde la fuente se considera tan crítico como la gobernanza aguas abajo, y la "solución biónica" derivada de los arcos branquiales de los peces refleja el valor único de la inspiración natural en la tecnología ambiental.
Compilado de /ScitechDaily