Les impulsions d'ondes ultrasonores peuvent débarrasser les océans des microplastiques

Sep 16, 2023

Élisabeth Montalbano | Avr 19, 2023

Les microplastiques flottant dans l’océan et d’autres plans d’eau sont une source massive de pollution dans le monde, constituant une menace pour la faune, l’environnement et même les humains. Maintenant, les chercheurs ont développé un dispositif de preuve de concept qui utilise des ondes sonores pulsées pour éliminer les particules de plastique comme solution potentielle à ce problème mondial.

Une équipe dirigée par Menake Piyasena, professeur agrégé à l’Institut des mines et de la technologie du Nouveau-Mexique, a mis au point un dispositif à deux étages composé de tubes d’acier et d’ondes sonores pulsées qui a démontré qu’il peut éliminer de minuscules particules de plastique de moins de 5 millimètres de large à partir d’échantillons d’eau réels.

La solution est l’une des nombreuses façons dont les scientifiques envisagent de s’attaquer au problème croissant des microplastiques, qui représentent des tonnes de déchets plastiques dans l’océan qui sont ensuite ingérés par les animaux – et plus tard par les humains lorsqu’ils mangent du poisson de la mer – et s’échouent également sur terre.

Alors que les prédictions sur la quantité de microplastiques existant aujourd’hui sont plutôt désastreuses – avec une étude réalisée en 2021 par l’Université de Kyushu révélant qu’il y a environ 24,4 billions de microplastiques d’un poids combiné de 82 000 à 578 000 tonnes dans les océans supérieurs du monde – les scientifiques prédisent que leurs impacts sur l’environnement et même la santé humaine peuvent être réduits si les solutions actuelles au problème sont largement appliquées.

L’équipe de Piyasena espère ajouter son invention pour aider à lutter contre ce problème. L’idée d’utiliser des ondes ultrasonores pour collecter des microplastiques est née d’une discussion que le chercheur principal du projet a eue avec un collègue sur la façon de résoudre le problème de l’élimination de ces plastiques de l’eau, a-t-il déclaré.

« Parce que les forces acoustiques peuvent pousser les particules ensemble, je me suis demandé si nous pouvions les utiliser pour agréger les microplastiques dans l’eau, ce qui rendrait le plastique plus facile à éliminer », a-t-il déclaré.

Il s’avère que les scientifiques pourraient, en utilisant des ondes sonores pour transférer de l’énergie aux particules afin qu’elles vibrent, se déplacent, puis se rassemblent pour une collecte plus facile, ont découvert les chercheurs. En effet, les scientifiques ont déjà appliqué ce concept – similaire à la façon dont les haut-parleurs jouant de la musique forte peuvent secouer le sol – à d’autres processus, tels que la séparation des particules biologiques comme les globules rouges des liquides tels que le plasma.

Initialement, l’équipe de New Mexico Tech a testé sa théorie pour séparer les microplastiques de dizaines de microns de large – ce qui est plus petit que la largeur d’un cheveu humain – des échantillons qu’ils ont préparés en laboratoire avec de minuscules volumes d’eau pure.

Cependant, sachant que les microplastiques dans l’environnement sont plus grands que cela, l’équipe de Piyasena – y compris Nelum Perera, un étudiant diplômé de son laboratoire – a entrepris de construire un dispositif qui peut être utilisé avec la plupart des tailles de microplastiques existantes et pourrait également être mis à l’échelle pour une utilisation réelle, a-t-elle déclaré.

Pour s’adapter à des débits d’eau plus élevés, Perera a créé un dispositif de validation de principe avec des tubes en acier de 8 mm de large connectés à un tube d’entrée et à plusieurs tubes de sortie, puis a fixé un transducteur sur le côté du tube métallique. Ce transducteur, lorsqu’il est allumé, génère des ondes ultrasonores à travers le tube métallique, qui applique des forces acoustiques sur les microplastiques lorsqu’ils traversent le système. Le résultat est que les ondes sonores rendent les particules plus faciles à capturer.

Le prototype de dispositif est relativement simple par rapport aux méthodes de filtration traditionnelles, qui sont le moyen le plus couramment utilisé pour collecter les microplastiques, ont déclaré les chercheurs. C’est parce qu’il ne se bouche pas aussi facilement que les solutions basées sur des filtres, ont-ils déclaré.

Les chercheurs ont testé ce dispositif avec du polystyrène, du polyéthylène et des microplastiques de polyméthacrylate de méthyle, observant la différence de comportement entre les particules plus petites (6 à 180 μm de large) et plus grandes (180 à 300 μm de large), ont-ils déclaré.

Au cours de ces essais du système, des particules des deux tailles se sont disposées le long du centre du canal et sont sorties par la sortie du milieu, tandis que de l’eau propre s’écoulait par les sorties environnantes. Cependant, si les chercheurs ajoutaient du détergent à lessive ou de l’assouplissant à l’eau, les particules plus grosses modifiaient leur comportement. Ils se sont rassemblés le long des côtés, sont sortis par les sorties latérales et ont purifié l’eau par la sortie du milieu.

Sachant cela sur le comportement différent des particules, les chercheurs ont alors cherché à développer un système qui pourrait tirer parti des mouvements variés. Pour ce faire, ils ont connecté deux tubes d’acier en tandem, la première étape capturant les petits microplastiques de moins de 180 μm de large, et le flux d’eau contenant les microplastiques restants plus gros passant à la deuxième étape pour être nettoyé.

« Nous avons éliminé plus de 70% des petits plastiques et plus de 82% des gros de cette façon », a déclaré Perera à propos du résultat des tests du nouveau système.

L’étape suivante pour l’équipe était de prouver que ce système en deux étapes pouvait fonctionner pour des applications réelles, ce que Perera et Piyasena ont entrepris de faire en recueillant de l’eau d’un étang sur le campus de New Mexico Tech et du fleuve Rio Grande. Avant d’effectuer le test, ils ont filtré tous les échantillons pour éliminer les gros contaminants, laissant derrière eux de l’eau qui contenait encore des substances dissoutes qui auraient pu affecter la séparation. Ils ont ensuite enrichi l’eau avec des microplastiques et l’ont mise dans leur système, constatant qu’ils étaient éliminés aussi efficacement qu’avec l’eau pure utilisée en laboratoire, ont déclaré les chercheurs.

Perera estime qu’il en coûterait environ 7 cents pour faire fonctionner l’appareil actuel pendant une heure et environ une heure et demie pour nettoyer un litre d’eau, ce qui le rendrait rentable à utiliser à plus grande échelle – une application qu’ils espèrent être dans l’avenir de leur appareil.

À cette fin, la prochaine étape des chercheurs pour le développement du système est d’en créer un avec des tubes plus larges, ou des faisceaux de tubes multiples, et de l’essayer sur des échantillons réels qui n’ont pas été trafiqués, y compris l’eau de mer et les eaux usées des machines à laver, ont-ils déclaré.

« Nous avons montré que les forces acoustiques peuvent être utilisées pour concentrer une large gamme de tailles de microplastiques », a déclaré Piyasena. « Et à partir de là, nous voulons prouver que cela peut être fait à plus grande échelle avec de vrais échantillons qui contiennent déjà des microplastiques. »

Plus d’informations sur les formats de texte