从16%到90%：3D打印PLA滤芯如何通过表面蚀刻与胶粘涂层实现微塑料高效捕获

滑铁卢大学的研究人员开发出一种由可生物降解塑料制成的3D打印水过滤柱。

仅凭重力作用，就能从受污染水中去除90%的微塑料。

这个系统把表面多孔性工程和压敏胶粘剂涂层结合在了一起。

它能捕获包括10微米以下颗粒在内的微塑料，不过在这个尺寸下，去除效果会有所下降。

不过，90%这个数字背后还有更多背景信息，比数字本身更重要。

研究人员实际构建的是一个概念验证，把三种不同的捕获机制层层叠加在一起。

每一种机制都在弥补上一种机制的局限性。

研究从聚乳酸（PLA）起步，这是一种可生物降解塑料，原料来自玉米和甘蔗等植物，广泛用于消费级3D打印。

过滤器是直径39毫米的圆形圆盘，上面打印着1×1毫米方孔的偏移网格。

圆盘以交替对齐的方式堆叠，迫使水流沿着曲折路径流动，增加液体与过滤器壁的接触。

这种设计本身效果有限。

测试用的是浓度为百万分之100的聚苯乙烯微塑料悬浮液，八层光滑PLA过滤器堆叠只捕获了16%的颗粒。

PLA打印件表面光滑亮泽，接触表面的微塑料很容易滑落，或者被水流冲走。

第一项改进是把表面变得粗糙。

克劳福德和梅科宁将低分子量聚乙二醇按每百份树脂10份的比例混进PLA原料，打印后用沸水把PEG溶解掉。

蚀刻后留下的孔洞尺寸从100纳米到10微米不等，较大的表面不规则特征能达到约50微米。

仅这一项改变，八层过滤器堆叠的去除效率就提升了一倍以上，达到37%。

第二项改进是增加粘性。

研究人员在蚀刻后的过滤器上涂覆了聚丙烯酸-2-乙基己酯（P2EHA），这是一种玻璃化转变温度为-50°C的丙烯酸胶粘剂。

P2EHA可以从废弃尿布中合成，这让研究多了一个循环经济的视角。

另一种竞争性涂层，聚多巴胺，也经过了测试。

涂覆P2EHA的过滤器在八层时达到51%的去除率，聚多巴胺是46%。

研究人员推测，P2EHA较高的分子量让它在长时间内具有更好的胶粘保持性，不过他们并没有对此进行直接量化。

第三个杠杆是柱体高度。

当团队把堆叠层数从8层增加到20层时，涂覆P2EHA的蚀刻过滤器，去除率从约51%提升到了90%。

基线PLA过滤器在相同的8层到20层范围内只提升了6个百分点。

这两条趋势曲线都没有开始变平，说明增加更多层数，可能把性能推得更高。

过滤后的粒径分析揭示了一个实际下限。

几乎所有大于50微米的微塑料都被捕获了，但穿透过滤器的颗粒里，有80%小于10微米。

在这个尺度下，颗粒只有1至5皮克重。

研究人员认为，它们重力较弱，对湍流更敏感，可用的表面积也更小，所以更不容易接触到过滤器并被附着。

颗粒尺寸确实限制了捕获效率，而这个系统还有更多尚未证明的地方。

测试用的是表面活性剂稳定水中的聚苯乙烯微珠，不是真实世界里的废水。

来自洗衣废水的纤维状微塑料，这类在环境污染中占比很大的污染物，也没有经过测试。

可重复使用性和总捕获容量，仍然是悬而未决的问题。

表面活性剂本身，也可能通过屏蔽颗粒表面的电荷，影响了附着效果。

滑铁卢的系统并不是第一次把3D打印和打印后表面处理结合用于水过滤。

孟加拉国库尔纳工程技术大学的研究人员曾报道过一种3D打印蜂窝过滤器，由再生尼龙制成，涂覆二氧化钛纳米颗粒。

在第一个循环中，它可以去除生活灰水中高达85%的生化需氧量（BOD），每个模块成本不到2美元。

到第五个循环时，不清洗的情况下，BOD去除率在死端过滤中降到62%，在深床过滤中降到58%。

这种衰减模式，正好凸显了滑铁卢团队还没有解决的约束条件，也就是胶粘涂层过滤器在反复使用中的耐久性表现。

这项研究的标题是《用于微塑料捕获的3D打印流通式水过滤器，表面多孔性、柱体高度和压敏胶粘剂对去除效率的影响》。

研究由伊桑·克劳福德（Ethan A. Crawford）和蒂扎祖·梅科宁（Tizazu H. Mekonnen）完成。