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

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

蜂窩過濾器采用Ultimaker FFF 3D打印機制作，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，是因為優(yōu)異的耐化學性、強度以及在反復(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，項目由紡織工程系的SumitKanti Saha領(lǐng)導，賈肖爾科技大學也參與其中。

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，但研究團隊指出，在設(shè)計達到飲用水標準之前，還需要進一步改進。

△本實驗中(a) 廢水端過濾；(b) 深層過濾的原理。圖片來自 KUET

廢水試驗和性能結(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)計旨在平衡表面積、機械穩(wěn)定性和高效的流體流動。使用再生尼龍打印存在一些挑戰(zhàn)，例如吸濕性和細絲直徑的輕微變化，團隊通過預(yù)干燥材料和降低打印速度來解決這個問題。

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

△研究概述

據(jù)研究團隊介紹，他們使用兩種過濾模式對從住宅設(shè)施收集的廢水進行了測試。在廢水端過濾中，水垂直流過過濾器表面。而在深度過濾中，水流經(jīng)一個由堆疊的蜂窩層組成的立方體，將污染物捕獲在整個結(jié)構(gòu)中。

兩種配置均進行了連續(xù)五個循環(huán)測試，無需清潔。在第一個循環(huán)中，廢水端模式下的 TiO₂ 涂層濾膜去除了高達85%的生化需氧量(BOD)和80%的化學需氧量(COD)。深層過濾在第一個循環(huán)中去除了80%的BOD和75%的COD。到第五個循環(huán)時，廢水端模式下的BOD去除率降至62%，COD去除率降至55%，深層過濾模式下的 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 射線光譜證實了涂層的存在，并在使用后檢測到了更高的碳含量，表明捕獲了有機物。

盡管取得了這些成果，但濁度和總懸浮固體（TSS）仍然遠高于孟加拉國的飲用水限值。處理后，濁度在235至247 NTU之間，遠遠超過了10NTU的標準；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)可使更細的顆粒通過。堵塞模式也有所不同：在廢水端模式下，流速在五個循環(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；在深度過濾模式下，流速從25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)達到 0.65，深層過濾堵塞指數(shù)達到 0.60，這促使作者建議采用反沖洗或化學沖洗等維護措施來延長過濾器的使用壽命。

使用再生尼龍可將材料成本降低高達 40%，使每個模塊的成本降至 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、增加多層或與更細的過濾介質(zhì)結(jié)合使用，以改善濁度和TSS去除效果，并微調(diào)TiO₂的負載量，以在強勁的初始性能和更長的使用壽命之間取得平衡。

△廢水端過濾技術(shù)。圖片來自 KUET。

3D打印促進工業(yè)廢水回收

隨著對可持續(xù)性的需求不斷增長，世界各地的行業(yè)面臨著越來越大的壓力，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工藝可實現(xiàn)定制幾何形狀、增強耐用性、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個精心設(shè)計的膜片堆疊而成，每個膜片直徑10厘米，高5厘米，構(gòu)成一個1米長的過濾模塊，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（NTU）的子公司NanoSun在大士啟動了一家3D打印工廠，用于生產(chǎn)水過濾膜。據(jù)報道，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600平方米的膜，應(yīng)用于半導體制造和廢水處理等行業(yè)。這項技術(shù)由南洋理工大學副教授Darren Sun指導開發(fā)，利用細絲捕獲污染物，同時減少空間、勞動力和資源需求。據(jù)悉，工廠已獲得多項合同，涉及廢水處理、腎透析以及合成皮膚生產(chǎn)等領(lǐng)域。