布法羅大學(xué)（UB）的研究人員開發(fā)了一種新型3D打印的凈水石墨烯氣凝膠，該氣凝膠可以按比例縮放以用于大型廢水處理廠。這種新型材料由類泡沫塑料的氣凝膠，格子狀石墨烯和兩種受生物啟發(fā)的聚合物組成，能夠以100％的效率去除飲用水中的雜質(zhì)，金屬和有機(jī)溶劑。與類似的納米片不同，科學(xué)家的設(shè)計(jì)是可重復(fù)使用的，不會留下殘留物，并且可以3D打印成更大的尺寸，因此，他們現(xiàn)在的目標(biāo)是將其商業(yè)化以用于工業(yè)規(guī)模的部署。
研究的合著者，UB的環(huán)境工程助理教授Nirupam Aich解釋說：“目標(biāo)是安全地從水中去除污染物，而不會釋放任何有問題的化學(xué)殘留物。我們制造的氣凝膠在進(jìn)入水處理系統(tǒng)時(shí)會保持其結(jié)構(gòu)，并且可以應(yīng)用于多種水處理應(yīng)用中。”
科學(xué)家在Kim擦布上3D打印超輕G-PDA-BSA氣凝膠。圖片來自布法羅大學(xué)。
石墨烯的提純潛力
石墨烯納米材料具有同時(shí)發(fā)揮凈電和疏水相互作用的能力，最近已成為吸收水污染物的有前途的手段。特別是，該材料的氧化石墨烯（GO）衍生物已經(jīng)過廣泛測試以用于水凈化目的，但是從工業(yè)過程中回收GO裝置已被證明是困難的。
最近，科學(xué)家進(jìn)行了將納米片組裝成宏觀氣凝膠的實(shí)驗(yàn)，以使它們具有更高的吸收能力并使其更易于回收。然而，由于加工限制，這種石墨烯氣凝膠很少部署在處理設(shè)施內(nèi)，這阻止了它們被摻入工業(yè)純化反應(yīng)器，塔和過濾器中。
相比之下，直接墨水書寫（DIW）可為用戶提供對所生產(chǎn)零件的尺寸，形狀和體系結(jié)構(gòu)的精確控制，而過程的可重復(fù)性使其具有高度可擴(kuò)展性。 3D打印已經(jīng)被用于創(chuàng)建熱，能源和生物醫(yī)學(xué)石墨烯設(shè)備，因此布法羅的科學(xué)家推測它也可以用于開發(fā)大規(guī)模生產(chǎn)的凈水系統(tǒng)。
科學(xué)家將他們的氣凝膠3D打印到瓶蓋水過濾系統(tǒng)中（如圖）。圖片來自《環(huán)境科學(xué)納米》雜志。
可擴(kuò)展的水清潔氣凝膠
為了快速，一致地生產(chǎn)氣凝膠，研究人員首先需要?jiǎng)?chuàng)建一種石墨烯基油墨，該油墨具有能夠吸收水并防止顆粒團(tuán)聚的特性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，布法羅團(tuán)隊(duì)將受生物啟發(fā)的聚多巴胺（PDA）和牛血清白蛋白（BSA）添加到GO粉末中，從而產(chǎn)生了一種新型的粘彈性優(yōu)化的3D打印材料。
利用改造后的Ultimaker 2 GO 3D打印機(jī)，研究人員隨后制作了12毫米（D）x 4毫米（H）的圓柱形測試樣品，然后對其進(jìn)行冷凍和冷凍干燥，剩下一個(gè)G-PDA-BSA氣凝膠。在隨后的測試中，團(tuán)隊(duì)反復(fù)將其材料暴露于有機(jī)溶劑負(fù)載的水中，以此評估其污染物去除能力。
在每種情況下，石墨烯氣凝膠都能去除100％的溶劑，同時(shí)最多可將有色染料污染減少20％。在后來的設(shè)計(jì)迭代中，科學(xué)家們甚至設(shè)法重新配置了他們的氣凝膠，以便可以清除鉛和鉻等重金屬，以及在目前的水凈化設(shè)施中仍然難以去除的合金。
隨著進(jìn)一步的發(fā)展，科學(xué)家相信，他們的可擴(kuò)展方法也可以用于創(chuàng)建其他功能可重復(fù)使用的納米材料，并在水過濾廠中以吸附劑，反應(yīng)器或過濾器等設(shè)備的形式最終應(yīng)用。“我們不僅可以使用這些氣凝膠來包含石墨烯顆粒，還可以使用充當(dāng)催化劑的納米金屬顆粒，” Aich總結(jié)道。 “未來的目標(biāo)是將納米金屬顆粒嵌入這些氣凝膠的壁和表面，它們不僅能夠降解或破壞生物污染物，而且還能降解或破壞化學(xué)污染物。”
3D打印凈化設(shè)備
鑒于3D打印允許的低成本和設(shè)計(jì)靈活性，它已越來越多地用于制造新穎的設(shè)備，使有需要的人更容易獲得飲用水。就在去年，劍橋大學(xué)的分拆公司Blue Tap為其3D打印氯計(jì)量器獲得了英國創(chuàng)新基金會的資助，可以將其安裝在發(fā)展中國家的供水系統(tǒng)中，以確保飲用安全。
同樣，巴斯大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種3D打印的水凈化“平板”，該平板利用太陽的熱量和紫外線來殺死生活在液體中的有害微生物。 該技術(shù)旨在幫助向較富裕的亞洲，非洲和拉丁美洲社區(qū)提供清潔的飲用水。
更具軍事意義的是，GE Research最近獲得了美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）的1430萬美元，以3D打印一種可以憑空產(chǎn)生水的設(shè)備。 該便攜式系統(tǒng)正在構(gòu)建中，一次可為150名士兵提供水，以后可用于解決世界各地的水資源短缺問題。
來源：中國3D打印網(wǎng)
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