Напечатанный на 3D-принтере фильтр удаляет 90% микропластика из воды
Исследователи из Университета Уотерлу в Канаде разработали и напечатали на 3D-принтере фильтрационную колонку, удаляющую 90% микропластика из загрязненной воды. Устройство отвечает принципам экологичности, поскольку создано из биоразлагаемого PLA. Новая конструкция с возможностью индивидуальной настройки может быть адаптирована для бытовых и промышленных целей.
Исследователи из Университета Уотерлу в Канаде разработали и напечатали на 3D-принтере фильтрационную колонку, удаляющую 90% микропластика из загрязненной воды. Устройство отвечает принципам экологичности, поскольку создано из биоразлагаемого PLA. Новая конструкция с возможностью индивидуальной настройки может быть адаптирована для бытовых и промышленных целей.
Проблема микропластика
Микропластик — это крошечные пластиковые фрагменты размером менее пяти мм, которые могут проникать в ткани и кровь человека, вызывая проблемы со здоровьем. В современном мире такие пластиковые отходы все обнаруживаются в пище, воздухе, сточной и питьевой воде.
Технология и материалы
3D-печать методом послойного наплавления пластиковых гранул (FGF) представляет достаточно простой, масштабируемый и настраиваемый подход к созданию систем фильтрации для борьбы с микропластиком.
Используя настольный гранульный 3D-принтер G5 Pro от PioCreat, исследователи из Университета Уотерлу создали колонку для фильтрации сточной воды.
Проблема микропластика
Микропластик — это крошечные пластиковые фрагменты размером менее пяти мм, которые могут проникать в ткани и кровь человека, вызывая проблемы со здоровьем. В современном мире такие пластиковые отходы все обнаруживаются в пище, воздухе, сточной и питьевой воде.
Технология и материалы
3D-печать методом послойного наплавления пластиковых гранул (FGF) представляет достаточно простой, масштабируемый и настраиваемый подход к созданию систем фильтрации для борьбы с микропластиком.
Используя настольный гранульный 3D-принтер G5 Pro от PioCreat, исследователи из Университета Уотерлу создали колонку для фильтрации сточной воды.
PioCreat 5G
PioCreat 5G
В качестве материала был взят PLA — биоразлагаемый термопласт, который может быть синтезирован из биомассы, такой как сахарный тростник, кукуруза и крахмал.
В процессе испытаний устройства к PLA добавили полиэтиленгликоль(PEG). Благодаря PEG на фильтрах могут быть вытравлены горячей водой микро- и нанопоры для лучшего захвата микропластиков.
В качестве материала был взят PLA — биоразлагаемый термопласт, который может быть синтезирован из биомассы, такой как сахарный тростник, кукуруза и крахмал.
В процессе испытаний устройства к PLA добавили полиэтиленгликоль(PEG). Благодаря PEG на фильтрах могут быть вытравлены горячей водой микро- и нанопоры для лучшего захвата микропластиков.
Гранулы PLA
Гранулы PLA
Почему именно 3D-печать?
-
Это экономичный и простой в использовании вариант для прототипирования пористых функциональных фильтров.
-
3D-печать — идеальный инструмент для быстрого прототипирования и кастомизации фильтров под конкретные условия.
-
Проблема проточных систем — ограниченное время контакта фильтра с микропластиками. 3D-печать решает эту проблему, позволяя создать извилистую структуру, которая замедляет прохождение жидкости через колонку, а также максимизировать площадь поверхности контакта. Количество слоев можно настраивать в зависимости от уровня загрязнения.
Почему именно 3D-печать?
-
Это экономичный и простой в использовании вариант для прототипирования пористых функциональных фильтров.
-
3D-печать — идеальный инструмент для быстрого прототипирования и кастомизации фильтров под конкретные условия.
-
Проблема проточных систем — ограниченное время контакта фильтра с микропластиками. 3D-печать решает эту проблему, позволяя создать извилистую структуру, которая замедляет прохождение жидкости через колонку, а также максимизировать площадь поверхности контакта. Количество слоев можно настраивать в зависимости от уровня загрязнения.
Схематическое изображение подготовки фильтра (а) и процесса фильтрации микропластика (b)
Схематическое изображение подготовки фильтра (а) и процесса фильтрации микропластика (b)
-
3D-печать позволяет ввести PEG в качестве жертвенной добавки в PLA. После печати PEG вытравливается горячей водой, оставляя микро- и нанопоры.
-
3D-печатные фильтры можно покрывать составами для улучшения адгезии микропластиков.
Дизайн фильтра
Фильтры из PLA представляли собой круглые диски диаметром 39 мм, напечатанные со смещением сетки из квадратных отверстий размером 1 x 1 мм. Последовательное расположение дисков заставило воду двигаться по извилистому пути, увеличивая контакт между жидкостью и стенками фильтра.
-
3D-печать позволяет ввести PEG в качестве жертвенной добавки в PLA. После печати PEG вытравливается горячей водой, оставляя микро- и нанопоры.
-
3D-печатные фильтры можно покрывать составами для улучшения адгезии микропластиков.
Дизайн фильтра
Фильтры из PLA представляли собой круглые диски диаметром 39 мм, напечатанные со смещением сетки из квадратных отверстий размером 1 x 1 мм. Последовательное расположение дисков заставило воду двигаться по извилистому пути, увеличивая контакт между жидкостью и стенками фильтра.
Схема, показывающая (a) конструкцию сетки фильтра со смещением и (b) держатель, используемый для обеспечения правильной ориентации сетки в процессе фильтрации.
Схема, показывающая (a) конструкцию сетки фильтра со смещением и (b) держатель, используемый для обеспечения правильной ориентации сетки в процессе фильтрации.
Сама по себе эта конструкция была малоэффективна, т.к. микропластик, соприкасавшийся с глянцевой пластиковой поверхностью, соскальзывал или смывался. Поэтому потребовалось несколько модификаций.
Первая модификация решала эту проблему, делая поверхность шероховатой. Исследователи добавляли полиэтиленгликоль (PEG) в исходный материал PLA и затем травили поверхность кипятком.
Далее, в результате травления, образовались поры размером от 100 нм до 10-50 мкм. Только это изменение более чем вдвое повысило эффективность удаления загрязнений.
Наконец, модификация с помощью клеящих веществ добавила липкость.
Сама по себе эта конструкция была малоэффективна, т.к. микропластик, соприкасавшийся с глянцевой пластиковой поверхностью, соскальзывал или смывался. Поэтому потребовалось несколько модификаций.
Первая модификация решала эту проблему, делая поверхность шероховатой. Исследователи добавляли полиэтиленгликоль (PEG) в исходный материал PLA и затем травили поверхность кипятком.
Далее, в результате травления, образовались поры размером от 100 нм до 10-50 мкм. Только это изменение более чем вдвое повысило эффективность удаления загрязнений.
Наконец, модификация с помощью клеящих веществ добавила липкость.
Микропластик
Микропластик
Анализ показал, что почти все микропластиковые частицы размером более 50 мкм были отфильтрованы. При этом 80% прошедших через фильтр частиц были меньше 10 мкм.
Тизазу Меконнен, профессор химической инженерии в Университете Уотерлу:
Мы исследовали возможность использования от 8 до 20 фильтров, сложенных вместе. С помощью 20 фильтров мы удалили 90% микропластика, что является значительным улучшением по сравнению с существующими технологиями фильтрации.
Анализ показал, что почти все микропластиковые частицы размером более 50 мкм были отфильтрованы. При этом 80% прошедших через фильтр частиц были меньше 10 мкм.
Тизазу Меконнен, профессор химической инженерии в Университете Уотерлу:
Мы исследовали возможность использования от 8 до 20 фильтров, сложенных вместе. С помощью 20 фильтров мы удалили 90% микропластика, что является значительным улучшением по сравнению с существующими технологиями фильтрации.
Микропластик
Микропластик
Как еще применяется 3D-печать?
Описанная система — не первая попытка использовать для фильтрации воды 3D-печать в сочетании с последующей обработкой поверхности.
Например, исследователи из Инженерно-технологического университета Кхулны в Бангладеш сообщили о создании 3D-печатного сотового фильтра из переработанного нейлона, покрытого наночастицами диоксида титана.
Устройство за один цикл очистки примерно на 85% снизило в бытовых сточных водах биохимическое потребление кислорода — один из главных показателей их загрязненности. Стоимость модуля составила менее 2$.
Как еще применяется 3D-печать?
Описанная система — не первая попытка использовать для фильтрации воды 3D-печать в сочетании с последующей обработкой поверхности.
Например, исследователи из Инженерно-технологического университета Кхулны в Бангладеш сообщили о создании 3D-печатного сотового фильтра из переработанного нейлона, покрытого наночастицами диоксида титана.
Устройство за один цикл очистки примерно на 85% снизило в бытовых сточных водах биохимическое потребление кислорода — один из главных показателей их загрязненности. Стоимость модуля составила менее 2$.
