Một học sinh trung học ở Virginia, Mỹ gần đây đã phát triển nguyên mẫu thiết bị lọc nước gia đình không cần màng lọc truyền thống. Nó có thể loại bỏ hơn 90% hạt vi nhựa khỏi nước uống và có thể tái chế vật liệu lọc từ tính của chính nó. Nó đã thu hút sự chú ý vì chi phí thấp và yêu cầu bảo trì thấp.
Mia Heller, 18 tuổi, theo học tại Trường Trung học Kettlelen ở Virginia và cũng tham gia các khóa học toán, khoa học và công nghệ kéo dài nửa ngày tại Trường Thống đốc Mountain Vista. Nghiên cứu khoa học của cô được lấy cảm hứng từ tin tức địa phương ở quê hương Warrington, Virginia của cô: Các thử nghiệm cho thấy nước uống ở địa phương chứa hàm lượng chất per- và polyfluoroalkyl (PFAS) và vi nhựa cao, nhưng các quan chức nói rõ rằng quỹ công sẽ không được cấp để lắp đặt hệ thống lọc và người dân sẽ phải chịu chi phí mua thiết bị lọc nước. Cha mẹ của Heller sau đó đã lắp đặt một hệ thống lọc tiên tiến, nhưng màng lọc cần được thay thế thường xuyên. Trải nghiệm này đã thôi thúc cô nghĩ đến cách giảm chi phí và ngưỡng bảo trì xử lý nước.
Heller cho biết quá trình thay màng lọc thường xuyên đã mang đến cho cô ý tưởng thiết kế một bộ lọc "không màng", hy vọng giảm bớt vật tư tiêu hao và gánh nặng bảo trì đồng thời lọc sạch hiệu quả. Cô nảy ra ý tưởng ban đầu vào mùa xuân năm 2024 và bắt đầu những thử nghiệm chuyên sâu trong nhà để xe và nhà bếp của mình vào mùa hè cùng năm. Đến tháng 1 năm 2025, cô đã hoàn thành thiết bị thử nghiệm đầu tiên – bề ngoài nó trông chẳng khác gì một thùng chứa, nhưng cấu trúc bên trong đã có nguyên mẫu.
Trọng tâm của thiết bị là một cấu trúc mà cô gọi là “lọ khuếch đại quay” sử dụng chất lỏng sắt từ, một loại dầu từ tính có thể tái sử dụng, để liên kết có chọn lọc với các hạt vi nhựa trong dòng nước. Khi nước chảy qua nó, chất lỏng sắt từ sẽ hấp thụ các hạt vi nhựa và tách chúng ra. Các phiên bản đầu tiên yêu cầu hai bước để loại bỏ vi nhựa, nhưng chất lỏng sắt từ không thể được tái chế tự động và vẫn cần phải bảo trì và bổ sung thủ công. Để giảm bớt việc bảo trì, cô chuyển trọng tâm kỹ thuật của mình sang xây dựng một hệ thống khép kín có thể "tự làm sạch" và tái chế vật liệu từ tính.
Trong lần gỡ lỗi lặp đi lặp lại sau đó, Heller cần giải quyết hai vấn đề chính trong cách bố trí cấu trúc: thứ nhất, chất lỏng sắt từ có độ nhớt cao hơn nước, làm thế nào để nó đi vào khoang nước phía trên một cách trơn tru mà không cản trở dòng nước; thứ hai, làm thế nào để tách từ và thu hồi chất lỏng sắt hoạt động cùng nhau trong cùng một hệ thống, thay vì ràng buộc lẫn nhau. Sau khoảng năm lần lặp lại thiết kế, cô đã quyết định chọn một cấu hình gồm có ba mô-đun.
Nguyên mẫu hiện tại bao gồm ba đơn vị: một là mô-đun nước thô có thể tích khoảng một lít, được sử dụng để nạp nước cần xử lý có chứa hạt vi nhựa; cái còn lại là mô-đun lưu trữ chất lỏng sắt từ gốc dầu; và thứ ba là mô-đun phân tách nhỏ hơn, là phần tập trung nhất của quy trình vật lý trong toàn bộ thiết bị. Trong mô-đun này, từ trường kéo chất lỏng sắt từ có chứa các hạt vi nhựa gắn vào nước và thực hiện việc thu hồi và tái sử dụng chất lỏng sắt từ, từ đó hình thành một quy trình tách từ vòng kín. Về mặt sử dụng, thiết bị này gần giống với máy lọc nước gia đình hơn, chỉ khác là màng lọc rắn truyền thống được thay thế bằng giai đoạn tách ferrofluid.
Để xác minh hiệu suất, Heller đã chế tạo một bộ cảm biến độ đục để đo nồng độ các hạt lơ lửng trong nước, sử dụng cảm biến này để định lượng hàm lượng chất lỏng sắt và vi nhựa, đồng thời tính toán tốc độ loại bỏ vi nhựa. Kết quả thử nghiệm cho thấy thiết bị nguyên mẫu có thể loại bỏ 95,52% hạt vi nhựa trong nước uống và thu hồi 87,15% chất lỏng sắt từ. Để so sánh, các nhà máy xử lý nước uống thông thường thường loại bỏ hạt vi nhựa hiệu quả khoảng 70 đến 90%. Heller tin rằng kết quả này chứng minh rằng có thể xây dựng một hệ thống lọc có mức chất thải thấp và kiểm soát được chi phí mà không cần sử dụng màng lọc rắn.
Phát minh này đã được công nhận trong một cuộc thi khoa học công nghệ dành cho giới trẻ. Với dự án này, Heller đã lọt vào vòng chung kết của Regeneron ISEF 2025, được coi là cuộc thi khoa học lớn nhất thế giới dành cho học sinh trung học và giành được giải thưởng đặc biệt trị giá 500 USD từ Hiệp hội Nhãn hiệu và Bằng sáng chế Hoa Kỳ cho thiết kế lọc chi phí thấp, hiệu quả cao.
Trong cộng đồng nghiên cứu khoa học, nỗ lực của cô cũng nhận được những đánh giá tích cực. Nhà độc chất học Matthew J. Campen của Đại học New Mexico từ lâu đã nghiên cứu các hỗn hợp phức tạp của các chất ô nhiễm hít vào và ảnh hưởng của chúng lên hệ hô hấp và tim mạch. Ông cho rằng hệ thống này là một "ý tưởng rất hay" và chỉ ra rằng nó đang thực hiện "điều gì đó cần phải làm". Đồng thời, ông cũng nhắc nhở vẫn còn một số vấn đề bỏ ngỏ ở cấp độ kỹ thuật và môi trường.
Campen chỉ ra rằng điều quan trọng là phải đảm bảo rằng sau khi các hạt vi nhựa được lọc ra, chúng có thể được thu thập và cuối cùng được xử lý hoặc tiêu hủy một cách an toàn mà không để lại dư lượng chất gây ô nhiễm mới trong quy trình. Nói cách khác, giải pháp khả thi nào cũng phải tránh tình trạng “loại bỏ ô nhiễm này, tạo ra ô nhiễm khác”. Ngoài ra, quy mô và mức độ triển khai công nghệ vẫn cần được thảo luận: liệu những hệ thống như vậy có phù hợp hơn để triển khai trong đường ống hộ gia đình, tòa nhà và cộng đồng hay chúng nên được tích hợp vào quy trình nhà máy xử lý nước đô thị thượng nguồn?
Nghiên cứu này được thực hiện trong bối cảnh xã hội ngày càng lo ngại về hạt vi nhựa. Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ định nghĩa vi nhựa là các hạt có kích thước từ 1 nanomet đến 5 mm và những mảnh này hiện có mặt khắp nơi trong hệ sinh thái và sinh vật sống. Nghiên cứu lưu ý rằng lượng vi nhựa mà các sinh vật ăn vào đã tăng khoảng sáu lần kể từ năm 1990. Một nghiên cứu năm 2025 của Đại học New Mexico mà Kampen tham gia đã phát hiện ra rằng nồng độ vi nhựa trong mô não người đã tăng khoảng 50% trong vòng chưa đầy 10 năm. Trong khi các ảnh hưởng sức khỏe của loại phơi nhiễm này vẫn đang được nghiên cứu, một số nghiên cứu gần đây đã liên kết việc ăn phải vi nhựa với nhiều loại bệnh không lây nhiễm, bao gồm ung thư, bệnh hô hấp và tim mạch, rối loạn nội tiết tố và bệnh Alzheimer.
Bất chấp những vấn đề chưa được giải quyết nêu trên, từ góc độ kỹ thuật và sức khỏe cộng đồng, các chuyên gia thường coi hệ thống tách từ của Heller là một hướng đi đáng được khuyến khích. Theo quan điểm của cô, kịch bản ứng dụng rõ ràng nhất vẫn là ở nhà, cung cấp cho người dân bình thường mức độ bảo vệ nước uống cao hơn thông qua thiết bị có chi phí tương đối thấp, dễ bảo trì. Trước khi xem xét thương mại hóa, cô hy vọng dữ liệu hiệu suất mà cô thu được sẽ được bên thứ ba xác minh bởi một phòng thí nghiệm độc lập. Heller cho biết anh "rất hy vọng cuối cùng sẽ đưa sản phẩm này ra thị trường" và cho rằng đây là một mục tiêu "rất thú vị và đáng thử".