미국 버지니아 주의 한 고등학생은 최근 전통적인 여과막이 필요하지 않은 가정용 정수 장치 프로토타입을 개발했습니다. 식수에서 미세플라스틱 입자를 90% 이상 제거할 수 있으며 자체 여과재를 재활용할 수 있습니다. 저렴한 비용과 낮은 유지 관리 요구 사항으로 인해 주목을 받았습니다.

18세의 Mia Heller는 버지니아의 Kettlelen 고등학교에 다니고 있으며 Mountain Vista Governor's School에서 반나절 수학과 기술 과정도 수강하고 있습니다. 그녀의 과학적 연구는 그녀의 고향인 버지니아 주 워링턴의 지역 뉴스에서 영감을 얻었습니다. 테스트 결과 지역 식수에 높은 수준의 과불화수소화학물질(PFAS)과 미세 플라스틱이 포함되어 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 공무원들은 여과 시스템을 설치하기 위한 공공 자금이 제공되지 않을 것이며 주민들이 정수 장비 비용을 부담해야 한다는 점을 분명히 했습니다. Heller의 부모는 이후 고급 여과 시스템을 설치했지만 필터 멤브레인을 자주 교체해야 했습니다. 이 경험을 통해 그녀는 수처리 비용과 유지 관리 한계를 줄이는 방법에 대해 생각하게 되었습니다.

헬러는 필터 멤브레인을 자주 교체하는 과정에서 효과적으로 정화하면서 소모품과 유지 관리 부담을 줄일 수 있기를 바라는 '멤브레인리스' 필터를 설계해야겠다는 생각이 떠올랐다고 말했습니다. 그녀는 2024년 봄에 초기 아이디어를 내놓았고, 같은 해 여름에 자신의 차고와 주방에서 집중적인 실험을 시작했습니다. 2025년 1월까지 그녀는 초기 개념 증명 장치를 완성했습니다. 외부는 컨테이너에 불과해 보였지만 내부 구조에는 이미 프로토타입이 있었습니다.

장치의 중심에는 물 흐름의 미세 플라스틱 입자에 선택적으로 결합하기 위해 재사용 가능한 자성 오일인 자성유체를 사용하는 "회전 증폭 약병"이라고 부르는 구조가 있습니다. 물이 흐르면 ​​강자성 유체가 미세 플라스틱을 흡수하여 분리합니다. 초기 버전에서는 미세 플라스틱을 제거하기 위해 두 단계가 필요했지만 자성유체는 자동으로 재활용될 수 없었고 여전히 수동 유지 관리 및 보충이 필요했습니다. 유지 관리를 줄이기 위해 그녀는 엔지니어링 초점을 "자체 세척"이 가능하고 자성 재료를 재활용할 수 있는 폐쇄 루프 시스템을 구축하는 쪽으로 옮겼습니다.

후속 디버깅을 반복하는 동안 Heller는 구조 레이아웃의 두 가지 주요 문제를 해결해야 했습니다. 첫째, 자성유체는 물보다 점성이 더 높으며, 어떻게 하면 물의 흐름을 막지 않고 위의 물 챔버로 원활하게 들어갈 수 있는지, 둘째, 자기 분리와 자성유체 회수가 서로를 제한하는 대신 동일한 시스템에서 함께 작동하도록 만드는 방법입니다. 약 5회에 걸쳐 디자인을 반복한 후 그녀는 3개의 모듈로 구성된 구성을 결정했습니다.

현재 프로토타입은 3개 유닛으로 구성된다. 첫 번째 유닛은 약 1리터 용량의 원수 모듈로 미세플라스틱이 포함된 처리수를 적재하는 데 사용된다. 두 번째는 자성 오일 기반 자성유체를 저장하는 모듈입니다. 세 번째는 전체 장치에서 물리적 프로세스의 가장 집중된 부분인 더 작은 분리 모듈입니다. 이 모듈에서는 자기장이 미세 플라스틱이 부착된 자성유체를 물에서 끌어당겨 자성유체의 회수 및 재사용을 실현함으로써 폐쇄 루프 자기 분리 공정을 형성합니다. 사용 측면에서 이 장치는 기존의 고체 필터 멤브레인이 자성유체 분리 단계로 대체된다는 점을 제외하면 가정용 정수기에 더 가깝습니다.

성능을 검증하기 위해 Heller는 탁도 센서 세트를 구축하여 수역의 부유 입자 농도를 측정하고 이를 사용하여 자성유체 및 미세 플라스틱의 함량을 정량화하고 미세 플라스틱 제거율을 계산했습니다. 테스트 결과, 프로토타입 장치는 식수에서 미세플라스틱을 95.52% 제거하고 자성유체를 87.15% 회수할 수 있는 것으로 나타났습니다. 이에 비해 기존 식수 처리장은 일반적으로 미세 플라스틱을 약 70~90% 효율적으로 제거합니다. Heller는 이 결과가 고체 필터 멤브레인을 사용하지 않고도 비용 제어가 가능하고 폐기물이 적은 여과 시스템을 구축할 수 있음을 입증한다고 믿습니다.

해당 발명품은 이미 청소년 기술경진대회에서 인정을 받은 바 있다. 이 프로젝트를 통해 Heller는 고등학생을 위한 세계 최대 과학 대회로 간주되는 2025 Regeneron ISEF의 최종 후보가 되었으며, 저비용, 고효율 여과 설계로 미국 특허상표협회로부터 500달러 특별상을 받았습니다.

과학 연구계에서도 그녀의 시도는 긍정적인 평가를 받았다. 뉴멕시코 대학의 독성학자 매튜 J. 캠펜(Matthew J. Campen)은 흡입된 오염물질의 복잡한 혼합물과 그것이 호흡기 및 심혈관계에 미치는 영향을 오랫동안 연구해 왔습니다. 그는 이 시스템이 "매우 좋은 아이디어"라고 생각하며 "반드시 이루어져야 할 일"을 하고 있다고 지적합니다. 동시에 그는 기술적, 환경적 차원에서 여전히 해결되지 않은 문제가 있다는 점도 상기시켰다.

Campen은 미세 플라스틱을 걸러낸 후에는 그 과정에서 새로운 오염 잔류물을 남기지 않고 안전한 방법으로 수집하여 궁극적으로 폐기하거나 파괴할 수 있도록 하는 것이 핵심이라고 Campen은 말했습니다. 즉, 실현 가능한 해결책은 "한 종류의 오염을 제거하고 다른 종류의 오염을 생성"하는 상황을 피해야 합니다. 또한 기술 배포의 규모와 수준에 대해서도 여전히 논의가 필요합니다. 이러한 시스템은 가정, 건물 및 지역사회 파이프에 배포하는 데 더 적합합니까, 아니면 상류 지자체 정수장 프로세스에 통합해야 합니까?

이번 연구는 미세플라스틱에 대한 우려가 커지는 가운데 나온 것이다. 미국 환경보호국은 미세플라스틱을 1나노미터에서 5밀리미터 사이의 크기를 가진 입자로 정의하며, 이러한 조각은 이제 생태계와 생물체 어디에나 존재합니다. 이 연구에서는 유기체가 섭취하는 미세 플라스틱의 양이 1990년 이후 약 6배 증가했다고 지적했습니다. Kampen이 참여한 뉴멕시코 대학의 2025년 연구에서는 인간 뇌 조직의 미세 플라스틱 농도가 10년 이내에 약 50% 증가한 것으로 나타났습니다. 이러한 유형의 노출이 건강에 미치는 영향은 아직 연구되고 있지만, 최근 여러 연구에서는 미세플라스틱 섭취가 암, 호흡기 및 심혈관 질환, 호르몬 장애, 알츠하이머병 등 다양한 비전염성 질병과 연관되어 있다는 사실이 밝혀졌습니다.

위에서 언급한 해결되지 않은 문제에도 불구하고 전문가들은 일반적으로 Heller의 자기 분리 시스템을 엔지니어링 및 공중 보건 관점에서 권장할 만한 방향으로 보고 있습니다. 그녀의 견해로는 가장 명확한 적용 시나리오는 여전히 가정에 있으며, 상대적으로 저렴하고 유지 관리가 쉬운 장비를 통해 일반 주민들에게 더 높은 수준의 식수 보호를 제공하는 것입니다. 그녀는 상용화를 고려하기 전에 제3자로부터 얻은 성능 데이터를 독립적인 실험실에서 검증 받기를 원합니다. Heller는 "결국 이 제품을 시장에 출시할 수 있기를 매우 희망한다"며 "매우 흥미롭고 시도해 볼 가치가 있는" 목표라고 생각한다고 말했습니다.