米国バージニア州の高校生が最近、従来の濾過膜を必要としない家庭用水濾過装置のプロトタイプを開発した。飲料水からマイクロプラスチック粒子の 90% 以上を除去でき、独自の磁気フィルター媒体をリサイクルできます。コストが安く、メンテナンスも少なくて済むことから注目を集めています。
18 歳のミア・ヘラーさんはバージニア州のケトルレン高校に通い、マウンテン ビスタ ガバナーズ スクールでも半日の数学とテクノロジーのコースを受講しています。彼女の科学的研究は、彼女の故郷であるバージニア州ウォリントンの地元ニュースに触発されたものである。検査では、地元の飲料水には高濃度のペルフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質（PFAS）とマイクロプラスチックが含まれていることが判明したが、当局はろ過システムの設置には公的資金は提供されず、浄水装置の費用は住民が負担する必要があることを明らかにした。その後、ヘラーさんの両親は高度な濾過システムを設置しましたが、フィルター膜を頻繁に交換する必要がありました。この経験をきっかけに、彼女は水処理のコストとメンテナンスの基準を下げる方法を考えるようになりました。
ヘラー氏は、フィルター膜を頻繁に交換するプロセスから、効果的に浄化しながら消耗品とメンテナンスの負担を軽減することを期待して、「膜のない」フィルターを設計するというアイデアを思いついたと述べました。彼女は 2024 年の春に最初のアイデアを思いつき、同年の夏に自宅のガレージとキッチンで集中的な実験を開始しました。 2025 年 1 月までに、彼女は最初の概念実証装置を完成させました。それは、外見上は単なるコンテナにしか見えませんでしたが、内部構造にはすでにプロトタイプがありました。
この装置の中心には、彼女が「回転増幅バイアル」と呼ぶ構造があり、再利用可能な磁性油である磁性流体を使用して、水流中のマイクロプラスチック粒子に選択的に結合する。水がそこを流れると、強磁性流体がマイクロプラスチックを吸収して分離します。初期のバージョンでは、マイクロプラスチックを除去するために 2 つの手順が必要でしたが、磁性流体は自動的にリサイクルできず、依然として手動のメンテナンスと補充が必要でした。メンテナンスを減らすために、彼女はエンジニアリングの焦点を、「自己洗浄」が可能で磁性材料をリサイクルできる閉ループ システムの構築に移しました。
その後繰り返されるデバッグ中に、ヘラーは構造レイアウトにおける 2 つの重要な問題を解決する必要がありました。まず、磁性流体は水よりも粘性が高く、水の流れを妨げずに上部の水室にスムーズに流入させる方法です。第二に、磁気分離と磁性流体回収を相互に制限するのではなく、同じシステム内でどのように連携させるかです。約 5 回の設計反復の後、彼女は 3 つのモジュールで構成される構成に落ち着きました。
現在のプロトタイプは 3 つのユニットで構成されています。1 つ目は容量約 1 リットルの原水モジュールで、マイクロプラスチックを含む処理対象の水を装填するために使用されます。 2 つ目は、磁性油ベースの磁性流体を保管するモジュールです。 3 つ目は小型の分離モジュールで、デバイス全体の物理プロセスの中で最も集中する部分です。このモジュールでは、マイクロプラスチックが付着した磁性流体を磁場が水から吸引し、磁性流体の回収と再利用を実現し、閉ループ磁気分離プロセスを形成します。使用方法の点では、この装置は家庭用浄水器に近いものですが、従来の固体フィルター膜が磁性流体分離ステージに置き換えられている点が異なります。
性能を検証するために、ヘラー氏は水域内の浮遊粒子の濃度を測定する一連の濁度センサーを構築し、これを使用して磁性流体とマイクロプラスチックの含有量を定量化し、マイクロプラスチックの除去率を計算しました。テスト結果は、プロトタイプの装置が飲料水中のマイクロプラスチックの 95.52% を除去し、磁性流体の 87.15% を回収できることを示しています。比較として、従来の飲料水処理プラントは通常、マイクロプラスチックを約 70 ～ 90% 効率的に除去します。 Heller 氏は、この結果は固体フィルター膜を使用せずにコスト管理可能で廃棄物の少ない濾過システムを構築できることを証明していると考えています。
この発明は、青少年向け技術コンテストですでに認められています。このプロジェクトにより、ヘラーは高校生を対象とした世界最大の科学コンテストとされる 2025 年の Regeneron ISEF のファイナリストとなり、低コストで高効率の濾過設計が評価され、米国特許商標協会から 500 ドルの特別賞を受賞しました。
科学研究コミュニティでも、彼女の試みは好意的に評価されました。ニューメキシコ大学の毒物学者マシュー・J・キャンペンは、吸入される汚染物質の複雑な混合物と、それらが呼吸器系や心臓血管系に及ぼす影響を長年研究してきた。同氏は、このシステムは「非常に良いアイデア」だと考えており、「やらなければならないこと」を行っていると指摘した。同時に、技術レベルと環境レベルで未解決の問題がいくつかあることも思い出させた。
重要なのは、マイクロプラスチックが濾別された後、プロセス中に新たな汚染物質残留物を残さずに、安全な方法で確実に収集し、最終的に処分または破壊できるようにすることだとカンペン氏は述べた。言い換えれば、実行可能な解決策は、「ある種類の汚染を除去して別の種類の汚染を生み出す」という状況を避けなければなりません。さらに、技術導入の規模とレベルについても議論する必要があります。そのようなシステムは、家庭、建物、コミュニティのパイプへの導入により適しているのでしょうか、それとも上流の市営浄水場のプロセスに統合すべきでしょうか。
この研究は、マイクロプラスチックに対する懸念が高まる中で行われた。米国環境保護庁は、マイクロプラスチックをサイズが 1 ナノメートルから 5 ミリメートルの粒子と定義しており、これらの破片は現在生態系や生物のいたるところに存在しています。この研究では、生物が摂取するマイクロプラスチックの量が1990年以来約6倍に増加していることが指摘されている。カンペン氏も参加したニューメキシコ大学の2025年の研究では、人間の脳組織中のマイクロプラスチックの濃度が10年足らずで約50％増加したことが判明した。この種の曝露による健康への影響はまだ研究中ですが、いくつかの最近の研究では、マイクロプラスチックの摂取と、がん、呼吸器疾患、心血管疾患、ホルモン障害、アルツハイマー病などのさまざまな非感染性疾患との関連性が指摘されています。
上記の未解決の問題にもかかわらず、専門家は一般に、ヘラーの磁気分離システムは工学および公衆衛生の観点から奨励に値する方向性であると見ています。彼女の見解では、最も明確な適用シナリオは依然として家庭であり、比較的低コストでメンテナンスが容易な機器を通じて一般住民に高レベルの飲料水保護を提供するというものです。商品化を検討する前に、彼女は取得した性能データを独立した研究所によって第三者検証してもらいたいと考えています。ヘラー氏は、「最終的にはこれを市場に投入したいと強く望んでいる」とし、これは「非常に興味深く、試す価値のある」目標だと考えていると述べた。