KUET开发新型低成本尼龙3D打印过滤器，可去除高达85％的废水污染物

2025年8月13日，南极熊获悉，库尔纳工程技术大学(KUET)的研究人员开发了一种 3D 打印蜂窝过滤器，用于处理家庭废水。

蜂窝过滤器采用Ultimaker FFF 3D打印机制作，采用原生尼龙丝与废旧尼龙织物解聚后获得的再生材料混合，并涂覆二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒。之所以选择尼龙，是因为优异的耐化学性、强度以及在反复接触废水条件下的耐用性，比其他常见的3D打印材料（例如PLA、ABS或PETG）更适合。

相关研究以题为“Fused Filament Fabrication ofRecycled Nylon-TiO2 Honeycomb Filters for Grey Wastewater Filtration”的论文发表在《Micro & Nano Letters》上，项目由纺织工程系的SumitKanti Saha领导，贾肖尔科技大学也参与其中。

论文链接：https://doi.org/10.1049/mna2.70009

本研究探索了一种低成本、可重复使用的非饮用水应用方案。虽然结果令人鼓舞，但研究团队指出，在设计达到饮用水标准之前，还需要进一步改进。

△本实验中(a) 废水端过滤；(b) 深层过滤的原理。图片来自 KUET

废水试验和性能结果

蜂窝结构尺寸为195 × 195毫米，六边形单元间距为5.44毫米，孔隙率为58%，设计旨在平衡表面积、机械稳定性和高效的流体流动。使用再生尼龙打印存在一些挑战，例如吸湿性和细丝直径的轻微变化，团队通过预干燥材料和降低打印速度来解决这个问题。

打印后，通过旋涂将TiO₂纳米颗粒涂在过滤器上，从而形成一个表面，促使污染物在过滤过程的早期粘附并形成致密的滤饼层。

△研究概述

据研究团队介绍，他们使用两种过滤模式对从住宅设施收集的废水进行了测试。在废水端过滤中，水垂直流过过滤器表面。而在深度过滤中，水流经一个由堆叠的蜂窝层组成的立方体，将污染物捕获在整个结构中。

两种配置均进行了连续五个循环测试，无需清洁。在第一个循环中，废水端模式下的 TiO₂ 涂层滤膜去除了高达85%的生化需氧量(BOD)和80%的化学需氧量(COD)。深层过滤在第一个循环中去除了80%的BOD和75%的COD。到第五个循环时，废水端模式下的BOD去除率降至62%，COD去除率降至55%，深层过滤模式下的 BOD 去除率降至 58%，COD 去除率降至50%。

显微镜显示 TiO₂ 涂层表面有较重的颗粒沉积，而能量色散 X 射线光谱证实了涂层的存在，并在使用后检测到了更高的碳含量，表明捕获了有机物。

尽管取得了这些成果，但浊度和总悬浮固体（TSS）仍然远高于孟加拉国的饮用水限值。处理后，浊度在235至247 NTU之间，远远超过了10NTU的标准；TSS仍然高于410毫克/升，而允许的限值是10毫克/升。

大孔径和开放结构可使更细的颗粒通过。堵塞模式也有所不同：在废水端模式下，流速在五个循环内从20毫升/分钟降至7毫升/分钟，压力从5帕升至35帕；在深度过滤模式下，流速从25毫升/分钟降至10毫升/分钟，压力从3帕升至30帕。

废水端堵塞指数达到 0.65，深层过滤堵塞指数达到 0.60，这促使作者建议采用反冲洗或化学冲洗等维护措施来延长过滤器的使用寿命。

使用再生尼龙可将材料成本降低高达 40%，使每个模块的成本降至 2 美元以下。虽然 3D 打印的速度比工业制造慢，但它能够实现无需模具的本地生产，非常适合小批量和分散式水处理。

研究人员认为，这在灌溉、冲厕和清洁等应用领域具有潜在应用前景。他们建议减小孔径、增加多层或与更细的过滤介质结合使用，以改善浊度和TSS去除效果，并微调TiO₂的负载量，以在强劲的初始性能和更长的使用寿命之间取得平衡。

△废水端过滤技术。图片来自 KUET。

3D打印促进工业废水回收

随着对可持续性的需求不断增长，世界各地的行业面临着越来越大的压力，需要找到有效的水循环方法。

高性能陶瓷3D打印机和材料制造商Lithoz与Evove合作，采用基于光刻技术的CeraFab S320陶瓷制造系统，生产用于锂提取和工业水回收的Separonics陶瓷滤膜。LCM工艺可实现定制几何形状、增强耐用性、降低工具成本，并支持高效的大规模生产。

这些膜由耐用的氧化铝陶瓷制成，由20个精心设计的膜片堆叠而成，每个膜片直径10厘米，高5厘米，构成一个1米长的过滤模块，孔径大小和分布均匀。与传统方法相比，这种配置使产量提高了五倍，能耗降低了80%，水回收率提高了80%。

此外，南洋理工大学（NTU）的子公司NanoSun在大士启动了一家3D打印工厂，用于生产水过滤膜。据报道，这些膜仅需一次打印即可制成，效率是传统聚合物或陶瓷膜的五倍。

Nano Sun工厂每天可生产高达600平方米的膜，应用于半导体制造和废水处理等行业。这项技术由南洋理工大学副教授Darren Sun指导开发，利用细丝捕获污染物，同时减少空间、劳动力和资源需求。据悉，工厂已获得多项合同，涉及废水处理、肾透析以及合成皮肤生产等领域。