KUET開發(fā)新型低成本尼龍3D打印過(guò)濾器，可去除高達(dá)85％的廢水污染物

2025年8月13日，南極熊獲悉，庫(kù)爾納工程技術(shù)大學(xué)(KUET)的研究人員開發(fā)了一種 3D 打印蜂窩過(guò)濾器，用于處理家庭廢水。

蜂窩過(guò)濾器采用Ultimaker FFF 3D打印機(jī)制作，采用原生尼龍絲與廢舊尼龍織物解聚后獲得的再生材料混合，并涂覆二氧化鈦（TiO₂）納米顆粒。之所以選擇尼龍，是因?yàn)閮?yōu)異的耐化學(xué)性、強(qiáng)度以及在反復(fù)接觸廢水條件下的耐用性，比其他常見的3D打印材料（例如PLA、ABS或PETG）更適合。

相關(guān)研究以題為“Fused Filament Fabrication ofRecycled Nylon-TiO2 Honeycomb Filters for Grey Wastewater Filtration”的論文發(fā)表在《Micro & Nano Letters》上，項(xiàng)目由紡織工程系的SumitKanti Saha領(lǐng)導(dǎo)，賈肖爾科技大學(xué)也參與其中。

論文鏈接：https://doi.org/10.1049/mna2.70009

本研究探索了一種低成本、可重復(fù)使用的非飲用水應(yīng)用方案。雖然結(jié)果令人鼓舞，但研究團(tuán)隊(duì)指出，在設(shè)計(jì)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)之前，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

△本實(shí)驗(yàn)中(a) 廢水端過(guò)濾；(b) 深層過(guò)濾的原理。圖片來(lái)自 KUET

廢水試驗(yàn)和性能結(jié)果

蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸為195 × 195毫米，六邊形單元間距為5.44毫米，孔隙率為58%，設(shè)計(jì)旨在平衡表面積、機(jī)械穩(wěn)定性和高效的流體流動(dòng)。使用再生尼龍打印存在一些挑戰(zhàn)，例如吸濕性和細(xì)絲直徑的輕微變化，團(tuán)隊(duì)通過(guò)預(yù)干燥材料和降低打印速度來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

打印后，通過(guò)旋涂將TiO₂納米顆粒涂在過(guò)濾器上，從而形成一個(gè)表面，促使污染物在過(guò)濾過(guò)程的早期粘附并形成致密的濾餅層。

△研究概述

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)介紹，他們使用兩種過(guò)濾模式對(duì)從住宅設(shè)施收集的廢水進(jìn)行了測(cè)試。在廢水端過(guò)濾中，水垂直流過(guò)過(guò)濾器表面。而在深度過(guò)濾中，水流經(jīng)一個(gè)由堆疊的蜂窩層組成的立方體，將污染物捕獲在整個(gè)結(jié)構(gòu)中。

兩種配置均進(jìn)行了連續(xù)五個(gè)循環(huán)測(cè)試，無(wú)需清潔。在第一個(gè)循環(huán)中，廢水端模式下的 TiO₂ 涂層濾膜去除了高達(dá)85%的生化需氧量(BOD)和80%的化學(xué)需氧量(COD)。深層過(guò)濾在第一個(gè)循環(huán)中去除了80%的BOD和75%的COD。到第五個(gè)循環(huán)時(shí)，廢水端模式下的BOD去除率降至62%，COD去除率降至55%，深層過(guò)濾模式下的 BOD 去除率降至 58%，COD 去除率降至50%。

顯微鏡顯示 TiO₂ 涂層表面有較重的顆粒沉積，而能量色散 X 射線光譜證實(shí)了涂層的存在，并在使用后檢測(cè)到了更高的碳含量，表明捕獲了有機(jī)物。

盡管取得了這些成果，但濁度和總懸浮固體（TSS）仍然遠(yuǎn)高于孟加拉國(guó)的飲用水限值。處理后，濁度在235至247 NTU之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了10NTU的標(biāo)準(zhǔn)；TSS仍然高于410毫克/升，而允許的限值是10毫克/升。

大孔徑和開放結(jié)構(gòu)可使更細(xì)的顆粒通過(guò)。堵塞模式也有所不同：在廢水端模式下，流速在五個(gè)循環(huán)內(nèi)從20毫升/分鐘降至7毫升/分鐘，壓力從5帕升至35帕；在深度過(guò)濾模式下，流速?gòu)?5毫升/分鐘降至10毫升/分鐘，壓力從3帕升至30帕。

廢水端堵塞指數(shù)達(dá)到 0.65，深層過(guò)濾堵塞指數(shù)達(dá)到 0.60，這促使作者建議采用反沖洗或化學(xué)沖洗等維護(hù)措施來(lái)延長(zhǎng)過(guò)濾器的使用壽命。

使用再生尼龍可將材料成本降低高達(dá) 40%，使每個(gè)模塊的成本降至 2 美元以下。雖然 3D 打印的速度比工業(yè)制造慢，但它能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)需模具的本地生產(chǎn)，非常適合小批量和分散式水處理。

研究人員認(rèn)為，這在灌溉、沖廁和清潔等應(yīng)用領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。他們建議減小孔徑、增加多層或與更細(xì)的過(guò)濾介質(zhì)結(jié)合使用，以改善濁度和TSS去除效果，并微調(diào)TiO₂的負(fù)載量，以在強(qiáng)勁的初始性能和更長(zhǎng)的使用壽命之間取得平衡。

△廢水端過(guò)濾技術(shù)。圖片來(lái)自 KUET。

3D打印促進(jìn)工業(yè)廢水回收

隨著對(duì)可持續(xù)性的需求不斷增長(zhǎng)，世界各地的行業(yè)面臨著越來(lái)越大的壓力，需要找到有效的水循環(huán)方法。

高性能陶瓷3D打印機(jī)和材料制造商Lithoz與Evove合作，采用基于光刻技術(shù)的CeraFab S320陶瓷制造系統(tǒng)，生產(chǎn)用于鋰提取和工業(yè)水回收的Separonics陶瓷濾膜。LCM工藝可實(shí)現(xiàn)定制幾何形狀、增強(qiáng)耐用性、降低工具成本，并支持高效的大規(guī)模生產(chǎn)。

這些膜由耐用的氧化鋁陶瓷制成，由20個(gè)精心設(shè)計(jì)的膜片堆疊而成，每個(gè)膜片直徑10厘米，高5厘米，構(gòu)成一個(gè)1米長(zhǎng)的過(guò)濾模塊，孔徑大小和分布均勻。與傳統(tǒng)方法相比，這種配置使產(chǎn)量提高了五倍，能耗降低了80%，水回收率提高了80%。

此外，南洋理工大學(xué)（NTU）的子公司NanoSun在大士啟動(dòng)了一家3D打印工廠，用于生產(chǎn)水過(guò)濾膜。據(jù)報(bào)道，這些膜僅需一次打印即可制成，效率是傳統(tǒng)聚合物或陶瓷膜的五倍。

Nano Sun工廠每天可生產(chǎn)高達(dá)600平方米的膜，應(yīng)用于半導(dǎo)體制造和廢水處理等行業(yè)。這項(xiàng)技術(shù)由南洋理工大學(xué)副教授Darren Sun指導(dǎo)開發(fā)，利用細(xì)絲捕獲污染物，同時(shí)減少空間、勞動(dòng)力和資源需求。據(jù)悉，工廠已獲得多項(xiàng)合同，涉及廢水處理、腎透析以及合成皮膚生產(chǎn)等領(lǐng)域。