3D打印埃洛石多孔陶瓷支架在高效海水淡化的應用

來源：EFL生物3D打印與生物制造

全球淡水短缺問題嚴峻，海水淡化是關(guān)鍵解決方案，太陽能驅(qū)動界面蒸發(fā)技術(shù)因高效環(huán)保受關(guān)注，但存在鹽積累、光吸收不足、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等挑戰(zhàn)。暨南大學劉明賢教授團隊合作開展研究，制備出聚多巴胺（PDA）涂層的埃洛石粘土基多孔陶瓷支架（PCS），作為太陽能界面蒸發(fā)器用于海水淡化。該團隊通過直接墨水書寫（DIW）3D打印技術(shù)制備PCS，其具有優(yōu)異抗壓強度、耐腐蝕性和化學穩(wěn)定性，PDA涂層增強親水性，促進蒸發(fā)表面補水，實現(xiàn)高效抗鹽海水淡化。相關(guān)工作以“3D printing of porous ceramic scaffold based halloysite clay for efficient seawater desalination”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。2022級碩士生周心愿為該論文第一作者，劉明賢教授為唯一通訊作者。

研究內(nèi)容
通過旋轉(zhuǎn)流變儀測試不同剪切速率下的粘度變化、頻率掃描和循環(huán)應變測試等方法，研究了HNTs/SS/PEG復合油墨的流變特性。結(jié)果表明，67% HNTs質(zhì)量分數(shù)的油墨具有明顯的剪切稀化行為和高存儲模量，能順利擠出且打印后保持形狀，適合3D打印。

圖 1. 3D打印油墨流變性能研究

運用XRD、FT-IR、Zeta電位分析和熱重分析等手段，研究了HNTs、SS和PEG之間的相互作用及燒結(jié)后的結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果顯示，三者通過靜電作用和氫鍵形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，燒結(jié)后HNTs轉(zhuǎn)化為莫來石相，陶瓷支架具有良好的熱穩(wěn)定性。

圖 2. 材料相互作用與結(jié)構(gòu)表征

借助光學顯微鏡觀察和3D打印實驗，研究了油墨的可打印性和支架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，油墨能從不同直徑噴嘴順利擠出，打印的模型干燥后僅輕微收縮，可形成復雜的多孔結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的三維模型。

圖 3. 3D打印過程與結(jié)構(gòu)展示

通過SEM、EDS和壓縮測試等方法，研究了不同填充率PCS的微觀結(jié)構(gòu)、元素分布和抗壓強度。結(jié)果顯示，填充率70%的PCS具有44%的孔隙率和85 MPa的抗壓強度，燒結(jié)后形成致密但仍有微孔的結(jié)構(gòu)，有利于水傳輸。

圖 4. 多孔陶瓷支架物理性能分析

利用SEM和EDS mapping等技術(shù)，研究了PDA在陶瓷表面的涂覆過程和表面形貌。結(jié)果表明，通過多巴胺自聚合成功在PCS表面均勻涂覆PDA，涂層中含有氮元素，證明PDA成功附著。

圖 5. PDA涂層制備與表征

采用紅外熱成像和蒸發(fā)實驗等方法，研究了PDA涂層PCS的光熱轉(zhuǎn)換效率和水蒸發(fā)性能。結(jié)果顯示，涂層后表面溫度在1 sun照射下快速升至37℃，蒸發(fā)速率達1.53 kg·m?2·h?1，效率84.2%，填充率70%時性能最佳。

圖 6. 光熱轉(zhuǎn)換與蒸發(fā)性能測試

通過不同鹽濃度溶液和實際海水的蒸發(fā)實驗，研究了PCS的抗鹽性能和長期穩(wěn)定性。結(jié)果表明，PCS在20%高鹽溶液中仍保持2.52 kg·m?2·h?1的蒸發(fā)速率，在海水中連續(xù)蒸發(fā)7天，蒸發(fā)速率穩(wěn)定在2.40 kg·m?2·h?1，鹽晶體可自行消失。

圖 7. 海水淡化性能與穩(wěn)定性研究

通過戶外蒸發(fā)裝置和水質(zhì)分析，研究了PCS在實際環(huán)境中的海水淡化效果。結(jié)果顯示，淡化后海水中Na?、K?、Mg2?、Ca2?離子濃度降低3-4個數(shù)量級，符合WHO飲用水標準，電阻從151.8 kΩ升至1.433 MΩ，證明高效淡化能力。

圖 8. 戶外海水淡化實驗

研究結(jié)論
本研究采用直接墨水書寫3D打印和燒結(jié)技術(shù)，制備出用于太陽能海水淡化的3D多孔陶瓷支架（PCS）。HNTs、硅酸鈉和聚乙二醇間的強相互作用，使固含量67%的復合油墨具有良好打印適性和形狀保真度，打印的PCS呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，抗壓強度約85 MPa。聚多巴胺（PDA）涂層的PCS在1個太陽光照下，蒸發(fā)速率達1.53千克/平方米/小時，效率84.2%，處理高濃度鹽水和渤海海水時能持續(xù)快速蒸發(fā)，且戶外蒸發(fā)凈化能力良好。PDA涂層3D打印埃洛石PCS在太陽能海水淡化領(lǐng)域應用前景廣闊，為大規(guī)模海水淡化和水凈化開辟新途徑。

文章來源：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157659