Применения

Аддитивная керамика для водоочистки

Как рельеф поверхности, градиентные поры и функциональные покрытия помогают управлять потоком, загрязнением мембраны и каталитической активностью.

KUNWU · Research notes · Подготовлено

Редакционный обзор KUNWU подготовлен по предоставленному техническому материалу. Приведённые результаты относятся к описанному исследованию или образцу и не являются характеристиками оборудования KUNWU.

Когда керамика для очистки воды встречается с аддитивным производством, рождается новый тип материала для очистки воды, который сочетает в себе высокую точность, многофункциональность и длительный срок службы.

Почти 4 миллиарда человек во всем мире сталкиваются с серьезной нехваткой воды, в то время как промышленные сточные воды, нефтесодержащие сточные воды и органические загрязнители продолжают усугублять загрязнение воды. Хотя традиционные технологии очистки воды — химическое осаждение, биоразложение и мембранное разделение — имеют свои преимущества, они обычно сталкиваются с такими болями, как высокое потребление энергии, вторичное загрязнение и низкая эффективность очистки. В частности, что касается керамических мембран, хотя они обладают хорошей химической стабильностью, высокой механической прочностью и длительным сроком службы, в традиционных процессах изготовления (таких как ленточное литье и экструзионное спекание) есть три основных «недостатка».

  • Ограниченная геометрия затрудняет градиентные каналы и повышает перепад давления и энергопотребление.
  • Загрязнение покрывает поверхность, снижает поток воды и затрудняет очистку.
  • Слабая связь слоёв может привести к расслоению.

Появление технологии 3D-печати (аддитивного производства) дает новые идеи для решения этих проблем. Недавно в обзорной статье «Состояние исследований и тенденции развития керамики для аддитивного производства для очистки воды», опубликованной в журнале «Acta Ceramics», систематически разбираются последние достижения в этой области.

Три подхода к проектированию печатных керамических мембран

В статье отмечается, что в настоящее время существует два основных типа технологий 3D-печати, используемых для водоочистной керамики: светоотверждаемое формование (VPP/DLP) и экструзионное формование с прямым письмом (DIW). У каждого из них есть свои преимущества, но основные преимущества одни и те же: высокая точность, отсутствие форм и широкие возможности проектирования. На основе этих технологий исследователи разработали три основные инновационные стратегии:

Поверхностный рельеф облегчает очистку мембраны

Поверхность традиционных керамических мембран гладкая, на ней легко «зависают» загрязнения. 3D-печать позволяет «вырезать» на поверхности мембраны различные микро-наноструктуры — рябь, спирали, линейные, кольцевые и даже промоторы турбулентности Kenics.

Основной механизм: эти структуры могут вызывать локальную турбулентность, усиливать напряжение сдвига мембраны и разрушать пограничный слой отложения загрязняющих веществ. С точки зрения непрофессионала, это означает, что поток воды должен «двигаться сам по себе» и смывать загрязняющие вещества.

Экспериментальные данные: - Промотор турбулентности в форме Кеникса, разработанный командой Армбрустера, увеличил поток воды на 140%. - На мембране с гофрированной структурой команда Чжун Чжаосян увеличила поток воды в 1,7 раза, снизила осаждение загрязняющих веществ на 40%, а степень восстановления потока после очистки превысила 90%. - Команда Цинь Ханга обнаружила, что линейная структура увеличила силу сдвига на поверхности мембраны на 55,8%, поток воды остался на уровне 90% через 200 минут (неструктурированная мембрана составила только 67%), а износостойкость увеличилась до 92,9%.

Рис. 2(a)-(c): Различные поверхностные микронаноструктуры (спиральные полосы, рябь и т. д.) и их жидкостное моделирование, демонстрирующие механизм защиты от загрязнения, вызванный структурной турбулентностью и усиленной силой сдвига.
01Рис. 2(a)-(c): Различные поверхностные микронаноструктуры (спиральные полосы, рябь и т. д.) и их жидкостное моделирование, демонстрирующие механизм защиты от загрязнения, вызванный структурной турбулентностью и усиленной силой сдвига.

Градиентные поры связывают разные масштабы переноса

Традиционные керамические мембраны обычно имеют только один размер пор: либо с высоким потоком, но с плохим удерживанием, либо с хорошим удерживанием, но с низким потоком. С помощью 3D-печати можно построить непрерывный градиентный канал от опорного слоя к разделительному слою, точно так же, как «эстакаду» от шоссе к жилой дороге.

Основная инновация: - Решает проблему невозможности подготовки пор с непрерывным градиентом с помощью традиционных процессов, устраняет хрупкий интерфейс, вызванный внезапными изменениями пор, и уменьшает разницу трансмембранного давления. - Обеспечить комплексное формование опорного корпуса, переходного слоя, разделительного слоя и даже противообрастающей структуры, упрощая многоэтапный процесс подготовки.

Экспериментальные данные: - Коническое градиентное отверстие, подготовленное командой Мэй Хуэй, увеличило поток на 40%, а эффективность разделения водонефтяной смеси составила >96,5%. - Мембрана, изготовленная командой Фань Ицюня методом погружения + совместное спекание, имеет поток чистой воды до 0,0122 л/(м²·ч·Па) и может удерживать 100 % CeO₂/TiO₂.

Рисунок 3. Подготовка керамических градиентных пор; (a) ~ (c) Прямая экструзионная 3D-печать пористой мембраны из ПДМС, наполненной нано-SiO2, и испытание на смачиваемость; (d) ~ (f) Светоотверждаемая 3D-печать Al2O3 с коническими градиентными порами и схематическая диаграмма разделения масла и воды; (g), (h) Светоотверждение 3. Схематическая диаграмма и микроморфология опорного слоя, промежуточного слоя и разделительного слоя 3D-печатной керамической пленки Al2O3; (i)~(k) Светоотверждаемая 3D-печатная керамическая пленка Al2O3 с асимметричным каналом с высоким потоком; (l)~(n) Светоотверждаемая интегрированная керамическая пленка Al2O3, напечатанная на 3D-принтере, и ее микроморфология.
02Рисунок 3. Подготовка керамических градиентных пор; (a) ~ (c) Прямая экструзионная 3D-печать пористой мембраны из ПДМС, наполненной нано-SiO2, и испытание на смачиваемость; (d) ~ (f) Светоотверждаемая 3D-печать Al2O3 с коническими градиентными порами и схематическая диаграмма разделения масла и воды; (g), (h) Светоотверждение 3. Схематическая диаграмма и микроморфология опорного слоя, промежуточного слоя и разделительного слоя 3D-печатной керамической пленки Al2O3; (i)~(k) Светоотверждаемая 3D-печатная керамическая пленка Al2O3 с асимметричным каналом с высоким потоком; (l)~(n) Светоотверждаемая интегрированная керамическая пленка Al2O3, напечатанная на 3D-принтере, и ее микроморфология.

Гетерогенные композиты добавляют функции

Керамический каркас, напечатанный на 3D-принтере, представляет собой не только фильтрующий материал, но и каталитический носитель с высокой удельной поверхностью. Функциональные материалы второй фазы, такие как TiO₂, MOF и BaTiO₃, могут быть введены посредством выращивания на месте, нанесения покрытия погружением, электрохимической модификации и т. д.

Основные инновации: - Решение проблемы легкой потери и сложности восстановления порошкового катализатора. - Путем построения гетеропереходов или функциональных комплексов можно добиться эффективного каталитического разложения, такого как пьезоэлектро-фотокаталитическое синергетическое усиление и реакция Фентона. - Разрушьте «треугольный компромисс» между механической прочностью, эффективностью массообмена и каталитическими характеристиками с помощью бионического дизайна (например, микрорешетки из пихты Дугласа).

Экспериментальные данные: - Пьезоэлектрический фотокатализ BaTiO₃-TiO₂, подготовленный командой Чжан Доу, синергетически разлагает индигокармин с константой скорости 0,109 мин⁻¹. - Композиционный материал MOF/керамический каркас, разработанный командой Ван Сяолуна, имеет эффективность разложения органических красителей 99,68% и все еще >75% после 50 циклов.

Рис. 4. Структура и свойства гетерогенных материалов (а) Принципиальная схема выращивания наноматериалов TiO2 на поверхности трехмерного каркаса BaTiO3; (б) трехмерный каркас BaTiO3; (в) – наноточки BaTiO3-TiO2; (г) нанонити BaTiO3-T iO2; (e) Рост катализатора MOF на керамическом каркасе in-situ; (f) прикрепление Co2+ in situ к перекрывающемуся каркасу из микрорешетчатого метаматериала; (g) электрохимическая модификация; (h) композитный каталитический материал CO/SS; (i) Схематическая диаграмма каталитического разложения сточных вод.
03Рис. 4. Структура и свойства гетерогенных материалов (а) Принципиальная схема выращивания наноматериалов TiO2 на поверхности трехмерного каркаса BaTiO3; (б) трехмерный каркас BaTiO3; (в) – наноточки BaTiO3-TiO2; (г) нанонити BaTiO3-T iO2; (e) Рост катализатора MOF на керамическом каркасе in-situ; (f) прикрепление Co2+ in situ к перекрывающемуся каркасу из микрорешетчатого метаматериала; (g) электрохимическая модификация; (h) композитный каталитический материал CO/SS; (i) Схематическая диаграмма каталитического разложения сточных вод.

Заключение

Хотя 3D-печать керамики для очистки воды добилась впечатляющего прогресса, до ее крупномасштабного промышленного применения еще предстоит подняться на «три горы»:

  • Наноразделительные слои трудно печатать напрямую при микрометровом разрешении; для нанопор нужны постобработка и комбинированные маршруты.
  • Устойчивость структуры и межфазная связь требуют проверки при высокой температуре, давлении и в сильных кислотах или щелочах.
  • Стоимость оборудования, суспензии и постобработки остаётся барьером; коммерциализации нужны низкая стоимость, высокая производительность и длительный ресурс.

Наконец, в документе выдвигаются три перспективных направления: Во-первых, самовосстанавливающаяся умная керамика — разработка умной керамики, которая сможет самостоятельно устранять трещины и значительно продлевать срок их службы. Второй — оптимизация с помощью машинного обучения — использование алгоритмов искусственного интеллекта для управления совместной оптимизацией «процесса-структуры-производительности» для ускорения проектирования новых материалов и новых структур. Третье - промышленное применение - содействие крупномасштабному и недорогому производству технологии 3D-печати в высокопроизводительной и долговечной керамике для очистки воды и настоящий вывод технологии на рынок.

Информация о цитировании статей: Сунь Юньфэй, Ван Цзэхао, Лю Исинь и др. Состояние исследований и тенденции аддитивного производства керамики для очистки воды [J]. Материаловедение, 2026, 54(5): 184–199. СУНЬ Юньфэй, ВАН Цзэхао, ЛЮ Исинь и др. Состояние исследований и тенденции аддитивного производства керамики для очистки воды [J]. Журнал инженерии материалов, 2026, 54 (5): 184–199.