18歲少女發(fā)明凈水黑科技：無濾芯循環(huán)過濾，微塑料去除率超95%

從大腦到血液，再到心臟，微塑料正逐步滲透人體。但令人意外的是，一個潛在的創(chuàng)新解決方案，不是來自大型實驗室，而是出自一位 18 歲少女之手。

來自美國弗吉尼亞州凱特爾朗高中的學(xué)生米婭·海勒（Mia Heller）設(shè)計了一種采用磁流體（Ferrofluid）作為吸附介質(zhì)的過濾系統(tǒng)，適合家庭終端凈水終端，并具備低成本、可循環(huán)、無耗材以及易維護(hù)的優(yōu)勢。

傳統(tǒng)濾芯需頻繁更換且維護(hù)昂貴，而新過濾系統(tǒng)利用磁流體主動吸附水中微小的塑料顆粒，再通過外部磁場將已吸附微塑料的磁流體從水中徹底分離。實驗結(jié)果表明，微塑料去除率可實現(xiàn) 95.52%，磁流體回收率達(dá) 87.15%。

（來源：Mountain Vista Governor's School）

除了就讀于本校，海勒還參與了山景州長學(xué)校（Mountain Vista Governor's School）的數(shù)學(xué)、科學(xué)與技術(shù)半日制課程。憑借這個創(chuàng)新系統(tǒng)，海勒獲得了 2025 年 ISEF 國際科學(xué)與工程大獎賽（Regeneron International Science and Engineering Fair）環(huán)境工程特別獎，并獲得專利商標(biāo)局協(xié)會（PTOS）的 500 美元專項獎勵。

這并非該項目首次獲得關(guān)注。2025 年 3 月，海勒在弗吉尼亞州夏洛茨維爾舉行的皮埃蒙特地區(qū)科學(xué)博覽會上榮獲最高榮譽。在 92 名高中生參賽者中，僅有兩人獲得最高獎，她是其中之一。此外，她還曾在化學(xué)類比賽中獲得第一名，并榮獲北福克創(chuàng)新者獎。

（來源：Mountain Vista Governor's School）

一則水污染報道，點燃她的解決方案

2024 年春天，海勒在弗吉尼亞州報紙上看到一篇關(guān)于當(dāng)?shù)匚朱`頓社區(qū)水質(zhì)問題的報道。相關(guān)機(jī)構(gòu)對該地區(qū)居民日常飲用水進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示，水質(zhì)受到嚴(yán)重的全氟和多氟烷基物質(zhì)（PFAS，Perfluoroalkyl and Polyfluoroalkyl Substances，一類人工合成的有機(jī)化合物）以及微塑料污染。報道還明確指出，政府機(jī)構(gòu)并不額外提供任何資金支持來處理該問題。

意識到問題的嚴(yán)峻性，海勒決定自己動手解決飲用水過濾問題。海勒的父母非常支持她的想法，并在不久后購置了一套先進(jìn)的凈水系統(tǒng)供其做研究。然而，海勒很快發(fā)現(xiàn)了新的問題，這套系統(tǒng)不僅依賴化學(xué)處理，還得經(jīng)常更換濾芯。盡管目前市面上有多種凈水系統(tǒng)，但并非所有系統(tǒng)都高效且方便。

海勒的想法非常直接：尋找方便、低成本和低維護(hù)需求的解決方案，例如進(jìn)行無膜過濾。

告別高價濾芯：磁流體如何實現(xiàn)“無膜”凈水？

經(jīng)過在車庫和廚房的反復(fù)試驗，海勒做出了第一個可用的原型。她稱這個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一個“容器”，內(nèi)部是像“旋轉(zhuǎn)放大管”的過濾裝置。

磁流體是一種可重復(fù)使用的磁性油，該系統(tǒng)利用菜籽油作為磁流體的基底油。在水流經(jīng)過濾系統(tǒng)時，磁流體能夠選擇性地對微塑料顆粒進(jìn)行吸附。

在這個階段，該系統(tǒng)已體現(xiàn)出優(yōu)勢：僅需兩個步驟就能對水中的微塑料進(jìn)行有效過濾。但問題也隨之而來，由于磁流體尚不能自我循環(huán)，這個系統(tǒng)仍面臨需頻繁維護(hù)的挑戰(zhàn)。

針對這個問題，海勒的想法是：需要找到一個兩全其美的方案，不僅能讓系統(tǒng)自動清潔，還能同時解決材料重復(fù)利用的問題。有了清晰的目標(biāo)，接下來她開始更深入的實驗。

然而，要實現(xiàn)這一效果并不容易，核心挑戰(zhàn)在于如何精確排布裝置結(jié)構(gòu)，確保磁流體在進(jìn)入上方水腔時既能高效循環(huán)，又不產(chǎn)生物理堵塞。除了磁流體的流動之外，磁分離和磁流體回收環(huán)節(jié)也要整體配合、同步運行。

圖丨海勒設(shè)計的過濾系統(tǒng)原型機(jī)（來源：YouTube）

經(jīng)過反復(fù)試驗和大約五次系統(tǒng)迭代，海勒找到了相對完美的解決方案。目前，她設(shè)計的過濾系統(tǒng)原型機(jī)尺寸與一袋普通面粉相當(dāng)，每次可過濾約 1 升水。

該系統(tǒng)主要由三個模塊組成：第一個模塊容積約 1 升，用于盛放受污染的水；第二個模塊用于儲存磁流體；第三個模塊體積最小，但卻是系統(tǒng)最核心的處理模塊，大部分微塑料過濾過程在該模塊中發(fā)生。

“磁場會將微塑料從水中吸附出來，磁流體則被回收并循環(huán)利用，形成閉環(huán)。該系統(tǒng)最大的優(yōu)勢是，無需使用固體膜就能構(gòu)建低價、可循環(huán)的過濾系統(tǒng)。”海勒解釋道。

為測試該系統(tǒng)的精度，她開發(fā)了一款濁度傳感器，以精確測量水中磁流體和微塑料的含量。此外，這款傳感器還能計算出過濾器去除微塑料重量的百分比。

據(jù)報道，美國市政飲用水處理系統(tǒng)去除微塑料成分的范圍大概在 70% 至 90%。根據(jù)測試結(jié)果，海勒設(shè)計的過濾系統(tǒng)原型機(jī)成功去除了水中約 95.52% 的微塑料，并回收了 87.15% 的磁流體。

當(dāng)微塑料入侵大腦：人類比任何時候都更需要這個方案

微塑料通常指的是，尺寸在 1 微米至 5 毫米之間的微小顆粒。這些微小顆粒不僅會滲入環(huán)境，還會侵入人類和動物體內(nèi)，并成為全球關(guān)注的焦點之一。

據(jù)估計，每年約有 1,000 萬至 4,000 萬噸微塑料被釋放到環(huán)境中。如果按照目前的趨勢發(fā)展，到 2040 年，這一數(shù)值很可能翻一番。

最近的一項研究表明，科學(xué)家已經(jīng)在包括人類在內(nèi)的 1,300 種生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了微塑料 [1]。人體的各個部位似乎都未能逃脫被微塑料入侵，從大腦到骨骼內(nèi)部，再到睪丸、精液和胎盤……

新墨西哥大學(xué)阿爾伯克基分校的毒理學(xué)家馬修·坎彭（Matthew J. Campen）參與的一項研究表明，在不到 10 年的時間里，人腦組織中微塑料的濃度急劇上升了 50%[2]。數(shù)據(jù)顯示，自 1990 年以來，生物體攝入的微塑料增加了 6 倍，而塑料產(chǎn)量仍在持續(xù)增長。

已有相關(guān)研究表明，微塑料“可能引起心血管疾病和潛在的神經(jīng)系統(tǒng)疾病問題”。然而，這些關(guān)聯(lián)還不足以得出確切結(jié)論。盡管尚不清楚微塑料攝入對人類健康的具體影響，但最近的一些研究已將微塑料與癌癥、呼吸系統(tǒng)和心臟疾病、激素紊亂、阿爾茨海默病和其他非傳染性疾病等不良健康問題進(jìn)行潛在關(guān)聯(lián)。

坎彭認(rèn)為，海勒設(shè)計的過濾系統(tǒng)是一個“非常棒的想法”。他還指出，目前的測試結(jié)果僅僅是一個研究項目的起點，可以預(yù)見的是，如果該項目未來可獲得更多投資和支持，系統(tǒng)的各方面性能有可能會進(jìn)一步提升。

但客觀地來看，該系統(tǒng)還需要更深入的探索，例如是否需要處理其他殘留的污染物，將是該系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性的關(guān)鍵問題。

考慮到大規(guī)模生產(chǎn)磁流體的高成本，海勒認(rèn)為，現(xiàn)階段該過濾系統(tǒng)更適合作為家用水槽下過濾系統(tǒng)。她計劃進(jìn)一步驗證專業(yè)檢測是否與她的檢測結(jié)果一致，并希望未來將該系統(tǒng)推廣到實際應(yīng)用。

參考資料：

1.https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adl2746

2.https://doi.org/10.1038/s41591-024-03453-1

3.https://www.smithsonianmag.com/innovation/this-high-school-student-invented-a-filter-that-eliminates-96-percent-of-microplastics-from-drinking-water-180988363/

4.https://www.thebrighterside.news/post/high-school-student-develops-inexpensive-way-to-remove-microplastics-from-drinking-water/

5.https://www.youtube.com/watch?v=pgb7otEucJ4

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