Microplastic separation based on acoustic manipulation

Abstract

Microplastics - plastic particles smaller than 5 mm - are a major problem for the environment. A wide range of different methods have been developed to separate them, especially from aquatic environments such as oceans and water treatment plants. Currently, no standardized methodology exists for the separation of microplastics, despite the urgent need for one due to the accumulation of microplastics in ecosystems and their harmful effects on living organisms.

Promising methods developed for the separation of microplastics from aquatic environments include the coagulation-flocculation method, various filtration methods or the magnetic separation method. Acoustic manipulation can be considered as promising future separation method for microplastics. Separation by acoustic manipulation has been widely studied as a separation method for different biological particles, such as cells. In this thesis, the applicability of acoustic manipulation for the separation of microplastics is investigated through both a literature review and an experimental part.

The problem with many promising separation methods is their invasiveness. Separation of microplastics by acoustic manipulation is a low-cost, non-invasive and therefore non-toxic and safe method of separation. Separation of microplastic particles with acoustic manipulation has been studied mostly in microfluidic systems. The experimental part of the thesis provided information on the intra-droplet, static acoustic manipulation of microplastics and the possible influences on the efficiency and success of the method. Intra-droplet microplastic particle manipulation is possible but still requires development to be effective on a larger scale. Further experimentation with different aqueous solutions is also needed to ensure the effectiveness of the method.

Mikromuovit, alle 5 mm kokoiset muovihiukkaset, ovat suuri ongelma ympäristölle. Niiden erotteluun erityisesti vesiympäristöistä, kuten meristä ja vedenpuhdistuslaitoksista on kehitetty monenlaisia eri tapoja. Tällä hetkellä standardisoitua metodia mikromuovien erotteluun ei kuitenkaan ole ja sen kehittäminen olisi äärimmäisen tärkeää, sillä mikromuovit kertyvät ekosysteemeihin ja vaikuttavat haitallisesti eliöihin.

Mikromuovien erotteluun vesiympäristöistä on kehitetty useita lupaavia metodeja, kuten esimerkiksi koagulaatio-flokkulaatio-metodi, erilaiset suodatusmetodit tai magneettinen erottelumetodi. Akustinen manipulaatio on myös yksi mahdollisista mikromuovien tulevaisuuden erottelumetodeista. Akustisen manipulaation avulla tapahtuvaa erottelua on tutkittu paljon erilaisten biologisten partikkelien, kuten solujen, erottelumetodina. Tutkielmassa tutkitaan akustisen manipulaation soveltuvuutta mikromuovien erotteluun niin kirjallisuuskatsauksen, kuin kokeellisen osuuden avulla.

Monien lupaavien erottelumenetelmien ongelma on niiden invasiivisuus. Mikromuovien erottelu akustisella manipulaatiolla on edullinen, ei-invasiivinen ja sen kautta myös myrkytön ja turvallinen metodi erotteluun. Mikromuovien akustista erottelua on tutkittu enimmäkseen mikrofluidisissa systeemeissä. Tutkielman kokeellisessa osuudessa saatiin tietoa pisaran sisäisestä mikromuovien akustisesta manipulaatiosta sekä siitä, mikä mahdollisesti vaikuttaa metodin tehokkuuteen ja onnistumiseen. Pisaran sisäinen hiukkasten manipulaatio on mahdollista, mutta vaatii kehitystä vielä suurelta osin, jotta se olisi hyödyllistä suuremmassa mittakaavassa. Myös kokeiden jatkaminen erilaisissa vesiliuoksissa on tarpeen metodin efektiivisyyden varmistamiseksi.