美高中生发明无膜磁性过滤装置 可去除九成以上饮用水微塑料

现年18岁的米娅·海勒（Mia Heller）就读于弗吉尼亚州凯特尔伦高中，同时在山景州长学校（Mountain Vista Governor's School）参加半天制的数理与科技课程。 她的科研灵感源自家乡弗吉尼亚州沃林顿的一则地方新闻：检测发现当地饮用水中含有较高水平的全氟和多氟烷基物质（PFAS）以及微塑料，但官方明确表示不会提供公共资金用于加装过滤系统，居民需要自行承担净水设备的费用。 海勒的父母随后安装了高级过滤系统，却需要频繁更换滤膜，这一经历促使她思考如何降低水处理的成本与维护门槛。

海勒表示，频繁更换滤膜的过程让她萌生了设计“无膜”过滤器的想法，希望在有效净化的同时减少耗材和维护负担。 她在2024年春天提出初步构想，并于同年夏天开始在自家车库和厨房投入密集实验。 到2025年1月，她完成了最初的概念验证装置——外观看上去不过是一个容器，但内部结构已经具备原型雏形。

该装置的核心是一种她称之为“旋转放大小瓶”的结构，利用铁磁流体这一可重复使用的磁性油，与水流中的微塑料颗粒选择性结合。 当水流通过时，铁磁流体会吸附微塑料，实现分离。 早期版本需要两步完成微塑料去除，但铁磁流体无法自动回收，仍然需要人工维护和补充。 为降低维护量，她将工程重点转向构建一个可以“自清洁”、可循环使用磁性材料的闭环系统。

在随后的反复调试中，海勒需要在结构布局上解决两个关键问题：一是铁磁流体比水更黏稠，如何让其顺利进入上方的水室而不堵塞水流；二是如何让磁力分离与铁磁流体回收在同一套系统内协同进行，而不是相互掣肘。 经过大约五轮设计迭代，她最终确定了由三个模块组成的配置。

目前的原型包括三个单元：一是容积约为一升的原水模块，用于装载含微塑料的待处理水；二是存储磁性油基铁磁流体的模块；三是体积更小的分离模块，是整套装置中物理过程最集中的部分。 在这一模块内，磁场将附着微塑料的铁磁流体从水中拉出，并实现铁磁流体的回收与再利用，从而构成一个闭环的磁分离过程。 在使用形态上，这套装置更接近家用净水壶，只是将传统的固体滤膜替换为铁磁流体分离阶段。

为了验证性能，海勒自制了一套浊度传感器，用于测量水体中悬浮颗粒的浓度，并以此量化铁磁流体和微塑料的含量，计算微塑料的去除率。 测试结果显示，该原型装置可去除饮用水中95.52%的微塑料，并回收87.15%的铁磁流体。 作为对照，传统饮用水处理厂对微塑料的去除效率通常约为70%至90%。 海勒认为，这一成果证明，有可能在不使用固体滤膜的前提下，构建出一种成本可控、废弃物较少的过滤系统。

这项发明已经在青少年科技竞赛中获得认可。 海勒凭借该项目入围被视为全球规模最大的高中生科学竞赛——2025年里杰内隆国际科学与工程大奖赛（Regeneron ISEF）决赛，并因其低成本、高效率的过滤设计，获得美国专利与商标协会颁发的500美元特别奖。

在科研界，对她的尝试也给予了积极评价。美国新墨西哥大学毒理学家马修·J·坎彭（Matthew J. Campen）长期研究复杂吸入性污染物混合物及其对呼吸、心血管系统的影响，他认为这套系统是个“非常好的主意”，并指出她正在做“必须要做的事情”。 同时，他也提醒，目前仍存在一些技术与环境层面的开放问题。

坎彭指出，关键在于确保微塑料被滤出后能够以一种安全的方式被收集并最终处置或销毁，而不会在处理过程中留下新的污染物残留。 换言之，任何可行的解决方案都必须避免“去掉一种污染，又制造出另一种污染”的局面。 此外，技术部署的规模和层级仍需讨论：这类系统究竟更适合部署在家庭端、楼宇和社区管道中，还是应被整合进上游的市政净水厂流程？

这项研究正处在社会对微塑料问题日益关注的背景之下。 美国环保署将微塑料定义为尺寸在1纳米至5毫米之间的颗粒，目前这些碎片已普遍存在于生态系统和生物体内。 研究指出，自1990年以来，生物体摄入的微塑料量增加了约六倍。 由坎彭参与的新墨西哥大学一项2025年研究发现，短短不到十年间，人类脑组织中的微塑料浓度大约上升了50%。 虽然这类暴露的健康影响仍在持续研究中，但多项最新研究已将微塑料摄入与癌症、呼吸和心血管疾病、激素紊乱、阿尔茨海默病等多种非传染性疾病关联起来。

尽管存在上述尚待解决的问题，从工程与公共卫生视角看，专家普遍将海勒的磁分离系统视为值得鼓励的方向。 在她看来，当前最明确的应用场景仍然是在家庭端，通过相对低成本、易维护的设备，为普通居民提供更高等级的饮用水防护。 在考虑商业化之前，她希望先由独立实验室对自己获得的性能数据进行第三方验证。 海勒表示，自己“非常希望最终能将它推向市场”，并认为这是一个“非常有趣且值得尝试”的目标。