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(xué)(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(xué)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(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，但研究團隊指出，在設(shè)計達到飲用水標(biāo)準(zhǔn)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(xì)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(xué)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(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。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(xué)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(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(xué)（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(dǎo)體制造和廢水處理等行業(yè)。這項技術(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。