18岁少女发明净水黑科技：无滤芯循环过滤，微塑料去除率超95%

从大脑到血液，再到心脏，微塑料正逐步渗透人体。但令人意外的是，一个潜在的创新解决方案，不是来自大型实验室，而是出自一位 18 岁少女之手。

来自美国弗吉尼亚州凯特尔朗高中的学生米娅·海勒（Mia Heller）设计了一种采用磁流体（Ferrofluid）作为吸附介质的过滤系统，适合家庭终端净水终端，并具备低成本、可循环、无耗材以及易维护的优势。

传统滤芯需频繁更换且维护昂贵，而新过滤系统利用磁流体主动吸附水中微小的塑料颗粒，再通过外部磁场将已吸附微塑料的磁流体从水中彻底分离。实验结果表明，微塑料去除率可实现 95.52%，磁流体回收率达 87.15%。

（来源：Mountain Vista Governor's School）

除了就读于本校，海勒还参与了山景州长学校（Mountain Vista Governor's School）的数学、科学与技术半日制课程。凭借这个创新系统，海勒获得了 2025 年 ISEF 国际科学与工程大奖赛（Regeneron International Science and Engineering Fair）环境工程特别奖，并获得专利商标局协会（PTOS）的 500 美元专项奖励。

这并非该项目首次获得关注。2025 年 3 月，海勒在弗吉尼亚州夏洛茨维尔举行的皮埃蒙特地区科学博览会上荣获最高荣誉。在 92 名高中生参赛者中，仅有两人获得最高奖，她是其中之一。此外，她还曾在化学类比赛中获得第一名，并荣获北福克创新者奖。

（来源：Mountain Vista Governor's School）

一则水污染报道，点燃她的解决方案

2024 年春天，海勒在弗吉尼亚州报纸上看到一篇关于当地沃灵顿社区水质问题的报道。相关机构对该地区居民日常饮用水进行检测，结果显示，水质受到严重的全氟和多氟烷基物质（PFAS，Perfluoroalkyl and Polyfluoroalkyl Substances，一类人工合成的有机化合物）以及微塑料污染。报道还明确指出，政府机构并不额外提供任何资金支持来处理该问题。

意识到问题的严峻性，海勒决定自己动手解决饮用水过滤问题。海勒的父母非常支持她的想法，并在不久后购置了一套先进的净水系统供其做研究。然而，海勒很快发现了新的问题，这套系统不仅依赖化学处理，还得经常更换滤芯。尽管目前市面上有多种净水系统，但并非所有系统都高效且方便。

海勒的想法非常直接：寻找方便、低成本和低维护需求的解决方案，例如进行无膜过滤。

告别高价滤芯：磁流体如何实现“无膜”净水？

经过在车库和厨房的反复试验，海勒做出了第一个可用的原型。她称这个系统的结构是一个“容器”，内部是像“旋转放大管”的过滤装置。

磁流体是一种可重复使用的磁性油，该系统利用菜籽油作为磁流体的基底油。在水流经过滤系统时，磁流体能够选择性地对微塑料颗粒进行吸附。

在这个阶段，该系统已体现出优势：仅需两个步骤就能对水中的微塑料进行有效过滤。但问题也随之而来，由于磁流体尚不能自我循环，这个系统仍面临需频繁维护的挑战。

针对这个问题，海勒的想法是：需要找到一个两全其美的方案，不仅能让系统自动清洁，还能同时解决材料重复利用的问题。有了清晰的目标，接下来她开始更深入的实验。

然而，要实现这一效果并不容易，核心挑战在于如何精确排布装置结构，确保磁流体在进入上方水腔时既能高效循环，又不产生物理堵塞。除了磁流体的流动之外，磁分离和磁流体回收环节也要整体配合、同步运行。

图丨海勒设计的过滤系统原型机（来源：YouTube）

经过反复试验和大约五次系统迭代，海勒找到了相对完美的解决方案。目前，她设计的过滤系统原型机尺寸与一袋普通面粉相当，每次可过滤约 1 升水。

该系统主要由三个模块组成：第一个模块容积约 1 升，用于盛放受污染的水；第二个模块用于储存磁流体；第三个模块体积最小，但却是系统最核心的处理模块，大部分微塑料过滤过程在该模块中发生。

“磁场会将微塑料从水中吸附出来，磁流体则被回收并循环利用，形成闭环。该系统最大的优势是，无需使用固体膜就能构建低价、可循环的过滤系统。”海勒解释道。

为测试该系统的精度，她开发了一款浊度传感器，以精确测量水中磁流体和微塑料的含量。此外，这款传感器还能计算出过滤器去除微塑料重量的百分比。

据报道，美国市政饮用水处理系统去除微塑料成分的范围大概在 70% 至 90%。根据测试结果，海勒设计的过滤系统原型机成功去除了水中约 95.52% 的微塑料，并回收了 87.15% 的磁流体。

当微塑料入侵大脑：人类比任何时候都更需要这个方案

微塑料通常指的是，尺寸在 1 微米至 5 毫米之间的微小颗粒。这些微小颗粒不仅会渗入环境，还会侵入人类和动物体内，并成为全球关注的焦点之一。

据估计，每年约有 1,000 万至 4,000 万吨微塑料被释放到环境中。如果按照目前的趋势发展，到 2040 年，这一数值很可能翻一番。

最近的一项研究表明，科学家已经在包括人类在内的 1,300 种生物体内发现了微塑料 [1]。人体的各个部位似乎都未能逃脱被微塑料入侵，从大脑到骨骼内部，再到睾丸、精液和胎盘……

新墨西哥大学阿尔伯克基分校的毒理学家马修·坎彭（Matthew J. Campen）参与的一项研究表明，在不到 10 年的时间里，人脑组织中微塑料的浓度急剧上升了 50%[2]。数据显示，自 1990 年以来，生物体摄入的微塑料增加了 6 倍，而塑料产量仍在持续增长。

已有相关研究表明，微塑料“可能引起心血管疾病和潜在的神经系统疾病问题”。然而，这些关联还不足以得出确切结论。尽管尚不清楚微塑料摄入对人类健康的具体影响，但最近的一些研究已将微塑料与癌症、呼吸系统和心脏疾病、激素紊乱、阿尔茨海默病和其他非传染性疾病等不良健康问题进行潜在关联。

坎彭认为，海勒设计的过滤系统是一个“非常棒的想法”。他还指出，目前的测试结果仅仅是一个研究项目的起点，可以预见的是，如果该项目未来可获得更多投资和支持，系统的各方面性能有可能会进一步提升。

但客观地来看，该系统还需要更深入的探索，例如是否需要处理其他残留的污染物，将是该系统具有可扩展性的关键问题。

考虑到大规模生产磁流体的高成本，海勒认为，现阶段该过滤系统更适合作为家用水槽下过滤系统。她计划进一步验证专业检测是否与她的检测结果一致，并希望未来将该系统推广到实际应用。

参考资料：

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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