来自滑铁卢大学的研究人员开发出一种由可生物降解塑料制成的 3D 打印水过滤柱，仅依靠重力即可从受污染的水中去除 90% 的微塑料。该系统将表面多孔工程与压敏胶涂层相结合来捕获微塑料，包括 10 微米以下的颗粒，不过在该尺寸范围内去除效果较差。
不过，90% 这个数字背后的背景比数字本身更重要。研究人员实际构建的是一个概念验证，将三种不同的捕获机制层层叠加，每一种机制都弥补前一种机制的不足。这项研究从聚乳酸（PLA）入手。PLA 是一种源于玉米、甘蔗等植物原料的可生物降解塑料，广泛用于消费级 3D 打印。过滤器是直径 39 毫米的圆形圆盘，打印有 1×1 毫米方形孔的偏移网格。将圆盘以交替对齐的方式堆叠，迫使水流经曲折路径，从而增加液体与过滤器壁之间的接触。
未蚀刻的 PLA-PEG10 过滤器在（a）1×、（b）65×、（c）350× 和（d）1500× 放大倍率下的照片 / SEM 图像；蚀刻后的过滤器在（e）1×、（f）65×、（g）350× 和（h）8000× 放大倍率下的照片 / SEM 图像。图片来源：Mekonnen 等人，发表于《分离与纯化技术》（Separation and Purification Technology）。
表面粗糙度提升微塑料捕获效率
单靠这种设计本身效果有限。在用浓度为 100 ppm（百万分之一）的聚苯乙烯微塑料悬浮液测试中，八层光滑 PLA 过滤器的堆叠仅捕获了 16% 的颗粒。PLA 打印件表面光滑亮泽，接触表面的微塑料只会滑落或被水流冲走。第一项改进就是让表面变粗糙。Crawford 和 Mekonnen 将低分子量聚乙二醇（PEG）以每百份树脂 10 份的比例掺入 PLA 原料中，打印后再用沸水将 PEG 溶解去除。蚀刻留下的孔洞尺寸从 100 纳米到 10 微米不等，较大的表面不规则起伏可达约 50 微米。仅这一项改动，八层过滤器堆叠的去除效率就提高了一倍多，达到 37%。
第二项改进是增加黏性。研究人员用聚丙烯酸 2 - 乙基己酯（P2EHA）涂覆蚀刻后的过滤器，这是一种玻璃化转变温度为 - 50°C 的丙烯酸类粘合剂。P2EHA 可以从废弃尿布中合成，这为其增添了一个循环经济的视角。研究还测试了另一种对照涂层 —— 聚多巴胺。在八层堆叠时，P2EHA 涂层过滤器的去除率达到 51%，而聚多巴胺为 46%。研究人员推测，P2EHA 分子量更高，使其粘附力随时间保持得更好，不过他们没有直接量化这一点。
第三个杠杆是滤柱高度。当团队将堆叠的 P2EHA 涂层蚀刻过滤器从 8 层增加到 20 层时，去除率从约 51% 攀升至 90%。在同一 8 层至 20 层的跨度内，基线 PLA 过滤器仅增加了 6 个百分点。这一趋势尚未开始趋于平缓，表明增加更多层数还能进一步提高性能。过滤后的粒径分析揭示了一个实际下限。几乎所有大于 50 微米的微塑料都被捕获，但穿透过滤器的颗粒中有 80% 小于 10 微米。
在这一尺寸范围内，颗粒重量仅为 1 至 5 皮克。研究人员认为，这些颗粒受到的重力作用更弱、更容易受湍流影响、可用表面积也更小，因此更难以接触并附着在过滤器上。
（a）过滤器制备和（b）微塑料过滤的流程示意图。图片来源：Mekonnen 等人，发表于《分离与纯化技术》。
颗粒尺寸限制捕获效率
值得注意的是，该系统尚未验证的方面。测试使用的是表面活性剂稳定水中的聚苯乙烯微球，而非现实世界的废水。来自洗衣废水的纤维状微塑料（在环境污染中占比很大）未经过测试。可重复使用性和总捕获容量仍是悬而未决的问题。表面活性剂本身也可能通过屏蔽颗粒表面的电荷而影响附着。
滑铁卢团队并非首个尝试将 3D 打印与打印后表面处理相结合用于水过滤的团队。孟加拉国库尔纳工程与技术大学的研究人员报告了一种由回收尼龙制成、涂覆二氧化钛纳米颗粒的 3D 打印蜂窝状过滤器，在首个循环中可去除高达 85% 的家庭灰水中的生化需氧量（BOD），每个模块成本不足 2 美元。到第五个循环时，在不进行清洁的情况下，BOD 去除率在死端过滤中降至 62%，在深度过滤中降至 58%。这种性能衰减模式凸显了滑铁卢团队尚未解决的约束，即其带涂层过滤器在重复使用中的表现如何。这项题为《3D 打印流通式微塑料捕获水过滤器：表面孔隙率、滤柱高度与压敏胶对去除效率的影响》（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1383586625050142）的研究由 Ethan A. Crawford 和 Tizazu H. Mekonnen 完成。
来源：中国3D打印网编译文章！
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