السيراميك المصنع بالإضافة لمعالجة المياه

عندما يجتمع سيراميك معالجة المياه مع التصنيع الإضافي، يتم إنشاء نوع جديد من مواد معالجة المياه التي تجمع بين الدقة العالية ومتعددة الوظائف والعمر الطويل.

ويواجه ما يقرب من 4 مليارات شخص في جميع أنحاء العالم نقصا خطيرا في المياه، في حين تستمر مياه الصرف الصناعي، ومياه الصرف الصحي الزيتية، والملوثات العضوية في تفاقم تلوث المياه. على الرغم من أن تقنيات معالجة المياه التقليدية - الترسيب الكيميائي، والتحلل الحيوي، وفصل الأغشية - لها مزاياها الخاصة، إلا أنها تواجه عمومًا نقاط ضعف مثل ارتفاع استهلاك الطاقة، والتلوث الثانوي، وانخفاض كفاءة المعالجة. خاصة بالنسبة للأغشية الخزفية، على الرغم من أنها تتمتع بثبات كيميائي جيد، وقوة ميكانيكية عالية، وعمر طويل، إلا أن هناك ثلاثة "عيوب" رئيسية في عمليات التحضير التقليدية (مثل صب الشريط وتلبد البثق).

• الهندسة المحدودة تصعّب القنوات المتدرجة المعقدة وقد ترفع الضغط عبر الغشاء واستهلاك الطاقة.

• يغطي التلوث السطح ويخفض تدفق الماء ويعقد التنظيف.

• قد يسبب ضعف الربط بين الطبقات فشلًا بالانفصال.

يوفر ظهور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد (التصنيع الإضافي) أفكارًا جديدة لهذه المشكلات. في الآونة الأخيرة، تم نشر ورقة مراجعة بعنوان "حالة البحث واتجاهات تطوير السيراميك للتصنيع الإضافي لمعالجة المياه" المنشورة في "Acta Ceramics" والتي قامت بشكل منهجي بفرز أحدث التقدم في هذا المجال.

ثلاثة أساليب لتصميم الأغشية السيراميكية المطبوعة

تشير الورقة إلى أن هناك حاليًا نوعين رئيسيين من تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في معالجة المياه الخزفية: قولبة المعالجة بالضوء (VPP/DLP) وقولبة البثق بالكتابة المباشرة (DIW). كل منها لديه مزاياه الخاصة، ولكن المزايا الأساسية هي نفسها - الدقة العالية، عدم وجود قوالب، وقابلية التصميم القوية. واستنادا إلى هذه التقنيات، طور الباحثون ثلاث استراتيجيات ابتكار رئيسية:

نقش السطح يدعم تنظيف الغشاء

سطح أغشية السيراميك التقليدية أملس، ومن السهل "تعليق" الملوثات. يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد "نحت" العديد من الهياكل النانوية الدقيقة على سطح الغشاء - التموجات، واللوالب، والخطية، والحلقية، وحتى مروجات اضطراب كينيكس.

الآلية الأساسية: يمكن لهذه الهياكل أن تسبب اضطرابًا محليًا، وتزيد من إجهاد قص الغشاء، وتدمر الطبقة الحدودية لترسب الملوثات. وبعبارات الشخص العادي، يعني ذلك ترك تدفق المياه "يتحرك من تلقاء نفسه" ويغسل الملوثات.

البيانات التجريبية: - أدى محفز الاضطراب على شكل كينيكس الذي صممه فريق آرمبروستر إلى زيادة تدفق الماء بنسبة 140٪. - على غشاء الهيكل المموج، قام فريق Zhong Zhaoxiang بزيادة تدفق المياه بمقدار 1.7 مرة، وقلل من ترسب الملوثات بنسبة 40%، وتجاوز معدل استرداد التدفق بعد التنظيف 90%. - وجد فريق تشين هانغ أن الهيكل الخطي زاد من قوة قص سطح الغشاء بنسبة 55.8%، وظل تدفق الماء عند 90% بعد 200 دقيقة (كان الغشاء غير المنظم 67%) فقط، وزادت مقاومة التآكل بنسبة تصل إلى 92.9%.

المسام المتدرجة تربط مقاييس النقل المختلفة

عادةً ما تحتوي الأغشية الخزفية التقليدية على حجم مسام واحد فقط، إما بتدفق عالي ولكن احتفاظ ضعيف، أو باحتجاز جيد ولكن تدفق منخفض. يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد إنشاء قناة متدرجة مستمرة من طبقة الدعم إلى طبقة الفصل، تمامًا مثل "الممر العلوي" من الطريق السريع إلى الطريق السكني.

الابتكار الأساسي: - يحل مشكلة عدم القدرة على تحضير مسام متدرجة مستمرة بالعمليات التقليدية، ويزيل السطح البيني الهش الناجم عن التغيرات المفاجئة في المسام، ويقلل من فرق ضغط الغشاء. - تحقيق القولبة المتكاملة لجسم الدعم، والطبقة الانتقالية، وطبقة الفصل، وحتى الهيكل المضاد للحشف، مما يبسط عملية التحضير متعددة الخطوات.

البيانات التجريبية: - أدى ثقب التدرج المستدق الذي أعده فريق مي هوي إلى زيادة التدفق بنسبة 40%، وكانت كفاءة فصل خليط الزيت والماء أكبر من 96.5%. - يحتوي الغشاء الذي أعده فريق Fan Yiqun من خلال الطلاء بالغمس + التلبيد المشترك على تدفق ماء نقي يصل إلى 0.0122 لتر/(m²·h·Pa) ويمكنه الاحتفاظ بنسبة 100% من CeO₂/TiO₂.

المركبات غير المتجانسة تضيف وظائف

إن السقالة الخزفية المطبوعة ثلاثية الأبعاد ليست مجرد وسائط مرشح، ولكنها أيضًا حاملة حفازة ذات مساحة سطحية عالية. يمكن إدخال المواد الوظيفية للمرحلة الثانية مثل TiO2، وMOF، وBaTiO₃ من خلال النمو في الموقع، والطلاء بالغمس، والتعديل الكهروكيميائي، وما إلى ذلك.

الابتكار الأساسي: - حل مشكلة الفقد السهل والاسترداد الصعب لمحفز المسحوق. - من خلال بناء الوصلات غير المتجانسة أو المجمعات الوظيفية، يمكن تحقيق التحلل التحفيزي الفعال مثل التحسين التآزري الكهرضغطي-الضوئي والتفاعل الشبيه بالفنتون. - كسر "المفاضلة الثلاثية" بين القوة الميكانيكية وكفاءة نقل الكتلة والأداء التحفيزي من خلال التصميم الإلكتروني (مثل شبكة دوغلاس التنوب الدقيقة).

البيانات التجريبية: - يعمل التحفيز الضوئي الكهرضغطي BaTiO₃-TiO₂ الذي أعده فريق Zhang Dou على تحليل اللون القرمزي النيلي بشكل تآزري، بمعدل ثابت قدره 0.109 دقيقة⁻¹. - تتمتع المادة المركبة للسقالة المعدنية/السيراميكية لفريق وانغ شياو لونغ بكفاءة تحلل تبلغ 99.68% للأصباغ العضوية، ولا تزال أكبر من 75% بعد 50 دورة.

الخلاصة

على الرغم من أن سيراميك معالجة المياه بالطباعة ثلاثية الأبعاد قد حقق تقدمًا مثيرًا للإعجاب، إلا أنه لا يزال هناك "ثلاثة جبال" يجب تسلقها قبل التطبيق الصناعي على نطاق واسع:

• يصعب طباعة طبقات فصل نانوية مباشرة بدقة ميكرونية؛ ويلزم استخدام المعالجة اللاحقة والطرق الهجينة لضبط المسام النانوية.

• يلزم التحقق من الثبات البنيوي وربط الواجهات عند حرارة وضغط مرتفعين وفي الأحماض والقواعد القوية.

• تبقى تكاليف المعدات والمعلق والمعالجة اللاحقة عائقًا؛ ويتطلب التسويق تكلفة منخفضة وإنتاجية مرتفعة وعمرًا طويلًا معًا.

تطرح الورقة أخيرًا ثلاثة اتجاهات تطلعية: أولاً، السيراميك الذكي ذاتية الشفاء - تطوير السيراميك الذكي الذي يمكنه إصلاح الشقوق بشكل مستقل وإطالة عمر الخدمة بشكل كبير. والثاني هو التحسين بمساعدة التعلم الآلي - باستخدام خوارزميات الذكاء الاصطناعي لتوجيه التحسين التعاوني لـ "أداء هيكل العملية" لتسريع تصميم المواد الجديدة والهياكل الجديدة. والثالث هو التطبيق الصناعي - تعزيز الإنتاج على نطاق واسع ومنخفض التكلفة لتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد في السيراميك المعالج للمياه عالي الإنتاجية وطويل العمر، وجلب هذه التكنولوجيا إلى السوق حقًا.

معلومات الاقتباس الورقي: Sun Yunfei، Wang Zehao، Liu Yixin، et al. حالة البحث واتجاهات التصنيع الإضافي للسيراميك لمعالجة المياه [J]. هندسة المواد، 2026، 54(5): 184-199. صن يونفي، وانغ زيهاو، ليو ييكسين، وآخرون. حالة البحث واتجاهات التصنيع الإضافي للسيراميك لمعالجة المياه [J]. مجلة هندسة المواد، 2026، 54(5): 184-199.