18歲少女發明凈水黑科技：無濾芯循環過濾，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生米婭·海勒（Mia Heller）設計了一種采用磁流體（Ferrofluid）作為吸附介質的過濾系統，適合家庭終端凈水終端，并具備低成本、可循環、無耗材以及易維護的優勢。

傳統濾芯需頻繁更換且維護昂貴，而新過濾系統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。實驗結果表明，微塑料去除率可實現 95.52%，磁流體回收率達 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校（Mountain Vista Governor's School）的數學、科學與技術半日制課程。憑借這個創新系統，海勒獲得了 2025 年 ISEF 國際科學與工程大獎賽（Regeneron International Science and Engineering Fair）環境工程特別獎，并獲得專利商標局協會（PTOS）的 500 美元專項獎勵。

這并非該項目首次獲得關注。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科學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，她還曾在化學類比賽中獲得第一名，并榮獲北福克創新者獎。

（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于當地沃靈頓社區水質問題的報道。相關機構對該地區居民日常飲用水進行檢測，結果顯示，水質受到嚴重的全氟和多氟烷基物質（PFAS，Perfluoroalkyl and Polyfluoroalkyl Substances，一類人工合成的有機化合物）以及微塑料污染。報道還明確指出，政府機構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的凈水系統供其做研究。然而，海勒很快發現了新的問題，這套系統不僅依賴化學處理，還得經常更換濾芯。盡管目前市面上有多種凈水系統，但并非所有系統都高效且方便。

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

告別高價濾芯：磁流體如何實現“無膜”凈水？

經過在車庫和廚房的反復試驗，海勒做出了第一個可用的原型。她稱這個系統的結構是一個“容器”，內部是像“旋轉放大管”的過濾裝置。

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

在這個階段，該系統已體現出優勢：僅需兩個步驟就能對水中的微塑料進行有效過濾。但問題也隨之而來，由于磁流體尚不能自我循環，這個系統仍面臨需頻繁維護的挑戰。

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，不僅能讓系統自動清潔，還能同時解決材料重復利用的問題。有了清晰的目標，接下來她開始更深入的實驗。

然而，要實現這一效果并不容易，核心挑戰在于如何精確排布裝置結構，確保磁流體在進入上方水腔時既能高效循環，又不產生物理堵塞。除了磁流體的流動之外，磁分離和磁流體回收環節也要整體配合、同步運行。

圖丨海勒設計的過濾系統原型機（來源：YouTube）

經過反復試驗和大約五次系統迭代，海勒找到了相對完美的解決方案。目前，她設計的過濾系統原型機尺寸與一袋普通面粉相當，每次可過濾約 1 升水。

該系統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，但卻是系統最核心的處理模塊，大部分微塑料過濾過程在該模塊中發生。

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

為測試該系統的精度，她開發了一款濁度傳感器，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。

據報道，美國市政飲用水處理系統去除微塑料成分的范圍大概在 70% 至 90%。根據測試結果，海勒設計的過濾系統原型機成功去除了水中約 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境，還會侵入人類和動物體內，并成為全球關注的焦點之一。

據估計，每年約有 1,000 萬至 4,000 萬噸微塑料被釋放到環境中。如果按照目前的趨勢發展，到 2040 年，這一數值很可能翻一番。

最近的一項研究表明，科學家已經在包括人類在內的 1,300 種生物體內發現了微塑料 [1]。人體的各個部位似乎都未能逃脫被微塑料入侵，從大腦到骨骼內部，再到睪丸、精液和胎盤……

新墨西哥大學阿爾伯克基分校的毒理學家馬修·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]。數據顯示，自 1990 年以來，生物體攝入的微塑料增加了 6 倍，而塑料產量仍在持續增長。

已有相關研究表明，微塑料“可能引起心血管疾病和潛在的神經系統疾病問題”。然而，這些關聯還不足以得出確切結論。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行潛在關聯。

坎彭認為，海勒設計的過濾系統是一個“非常棒的想法”。他還指出，目前的測試結果僅僅是一個研究項目的起點，可以預見的是，如果該項目未來可獲得更多投資和支持，系統的各方面性能有可能會進一步提升。

但客觀地來看，該系統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，將是該系統具有可擴展性的關鍵問題。

考慮到大規模生產磁流體的高成本，海勒認為，現階段該過濾系統更適合作為家用水槽下過濾系統。她計劃進一步驗證專業檢測是否與她的檢測結果一致，并希望未來將該系統推廣到實際應用。

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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