Plastiği plastikle tutmak: 3D baskı filtre mikroplastiğin yüzde 90'ını aldı

Filtre nasıl yapılıyor: eriyen küreler geride gözenek bırakıyor

Araştırmayı yürüten Ethan A. Crawford ve kimya mühendisliği profesörü Tizazu H. Mekonnen, filtreyi eriyik yığma (FDM) yöntemiyle, yani sıradan masaüstü yazıcıların kullandığı "eriyen ipi kat kat yığma" tekniğiyle basıyor. Düz bir elek yerine, suyun dolambaçlı bir yol izlemesini zorlayan katmanlı bir kolon tasarlıyorlar.

İşin can alıcı adımı baskıdan sonra geliyor. PLA'ya baskı öncesinde polietilen glikol (PEG) karıştırılıyor. PEG, PLA'nın içinde küçük küreler halinde dağılıyor ve suda çözünüyor. Basılan disk sıcak suya atıldığında PEG yıkanıp gidiyor, geride mikrometre ve nanometre ölçeğinde gözenekler kalıyor. Hackaday'in makaleden aktardığına göre bu yıkama 80 santigrat derece suyla yapılıyor ve PLA'nın kendi bütünlüğünü koruyarak en iyi gözenek yapısını veren karışım yüzde 10 PEG içeren numune oluyor. Yani gözenek, kalıpla ya da lazerle değil, bir malzemeyi kurban ederek açılıyor — döküm sanayindeki "kayıp mum" yönteminin mikro ölçekli akrabası.

Boyut elemesi mi, yapışkanlık mı?

Buradaki en sık yanlış anlama, filtrenin bir süzgeç gibi "deliğinden küçük olanı geçirip büyük olanı tutması" varsayımı. Makalenin özeti bunun yalnız yarısı olduğunu söylüyor. Gözenekli yüzey ve dolambaçlı akış yolu bir yanı; öteki yanı yüzey kimyası. Crawford ve Mekonnen, disklerin yüzeyine basınca duyarlı yapışkan kaplıyor: polidopamin (PDA) ve poli(2-etilheksil akrilat). Bu kaplamaların işi, parçacıkla yüzey arasında kovalent olmayan fiziksel etkileşimi güçlendirmek. Kabaca: parçacık deliğe sıkışmasa bile yüzeye değdiğinde yapışıp kalıyor.

Bu ayrım pratikte tıkanma sorununu belirliyor. Gerçek bir elek, tuttuğu her parçacıkla gözeneğini biraz daha kapatır; akış düşer, basınç farkı artar. Yapışkanla tutmaya dayanan bir yüzeyde ise parçacık gözeneğin ağzını kapatmak yerine duvara ilişiyor. Waterloo bülteni yapışkanın tam bu nedenle seçildiğini, "gözenekleri tıkamadan" mikroplastiği yakaladığını söylüyor. Kolon yüksekliğinin, yani üst üste dizilen katman sayısının başlıca ayar düğmesi olmasının nedeni de bu: tek katmanın tutma olasılığı düşük, ama suyun aynı tür yüzeyle art arda yirmi kez karşılaşması toplamı yüzde 90'a taşıyor.

Mekonnen, Waterloo Üniversitesi'nin duyurusunda sayıyı şöyle veriyor: "Sekiz ile 20 filtreyi üst üste dizmeyi denedik. Yirmi filtreyle mikroplastiğin yüzde 90'ını giderdik; bu, mevcut filtreleme teknolojilerine göre belirgin bir iyileşme."

Tablodaki malzeme ve yöntem bilgileri makalenin özetinden, katman sayısı ile boyut eşiği Waterloo Üniversitesi'nin basın duyurusundan alındı.

Laboratuvar ile musluk arasındaki mesafe

Yüzde 90, ortalama bir sayı ve ortalamalar burada çok şey saklıyor. Waterloo duyurusunun açıkça yazdığı ayrıntı şu: iri mikroplastik parçacıkları neredeyse tamamen tutuluyor, 10 mikrometrenin altındaki parçacıkları tutmak ise belirgin biçimde zorlaşıyor. Ekibin bir sonraki hedefi de kalan yüzde 10'u, yani küçük parçacıkları almak.

Bu, filtrenin "nano gözenekli" diye tanımlanmasıyla çelişiyor gibi görünebilir. Çelişmiyor: yüzeyde nanometre ölçekli gözenek bulunması, nanometre ölçekli parçacığın o gözeneğe ulaşacağı anlamına gelmiyor. Küçük parçacık suyun akış çizgilerini daha iyi izler, yüzeye çarpma olasılığı düşer; yapışkanla tutma stratejisinin zayıf noktası tam burası. Dolayısıyla nanoplastik, bu çalışmanın çözdüğü bir sorun değil — makalenin başlığı da "mikroplastik yakalama" diyor.

Sınırların geri kalanını da yazmak gerek:

• Ölçek: Deney laboratuvar ölçeğinde bir akış kolonunda yapıldı. Bir evin ya da bir tesisin su debisinde aynı tutma oranının süreceği gösterilmedi.
• Dayanım: Hackaday'in aktardığına göre yazarlar sistemin iyileştirilmesi ve yeniden kullanılabilirliğinin henüz araştırılması gerektiğini belirtiyor. Yapışkan yüzey doyduğunda ne olacağı, diskin yıkanıp yeniden kullanılabilir mi olduğu açık soru.
• Malzemenin kendisi: Filtre plastikten yapılıyor. PLA biyobozunur sayılıyor ama sıcak suyla işlenmiş, yapışkan kaplı bir plastik diskin kullanım boyunca kendisinden parçacık bırakıp bırakmadığı, bülten ve özette ele alınan bir konu değil.
• Ölçüm belirsizliği: Mikroplastik sayımı standart bir iş değil; parçacık sayısı, kütle ya da belirli bir boyut aralığı üzerinden hesaplanan giderim oranları birbirinden uzak çıkabiliyor. Yüzde 90'ın hangi temelde hesaplandığı duyuruda belirtilmiyor.
• Tek laboratuvar: Çalışma hakemli bir dergide yayımlandı, ama bağımsız bir ekip tarafından yineleme henüz yok.

Neden çamaşır makinesi konuşuluyor

Mekonnen'in duyuruda verdiği örnek, bu tür bir filtrenin nereye takılacağını anlatıyor: sentetik kumaştan kopan lifler. Kurutucu filtresi liflerin yalnız bir bölümünü tutuyor; makinenin yüksek hızda dönmesi lifleri gevşetip atık su hattına gönderiyor. Yani hedef, musluktan önce bütün şehrin suyunu süzmek değil; parçacığın kaynağına yakın bir yerde, tek bir cihazın çıkışında tutmak. Böyle bir noktada 20 katmanlı bir kolonun yaratacağı akış direnci de daha kolay kabul edilebilir bir maliyet.

CTV News kanalının yayımladığı görüntüde Waterloo'daki filtre diskleri görülüyor.

Açık soru

Bir filtrenin başarısı, tuttuğu yüzdeyle değil, tutmaya devam ettiği süreyle ölçülür. Bu çalışmanın verdiği şey bir ürün değil, bir tarif: ucuz bir filamente çözünen bir katkı karıştır, bastıktan sonra yıka, yüzeyi yapışkanla kapla, sonra üst üste diz. Tarifin denetlenmesi gereken yeri de belli — aynı kolondan bin litre su geçtikten sonra o yüzde 90 nerede duruyor, ve 10 mikrometrenin altındaki parçacıklar için yapışkanlıktan başka bir şey mi gerekiyor?

Fotoğraf: NOAA Marine Debris Program, Public domain, Wikimedia Commons