2026年10月6日，来自滑铁卢大学的研究人员开发了一种由可生物降解塑料制成的 3D 打印水过滤柱，仅利用重力即可去除受污染水中 90% 的微塑料。
相关研究以题为“3D-printed, flow-through waterfilters for microplastic capture: The effect of surface porosity, columnheight, and pressure-sensitive adhesives on removal efficiency/用于微塑料捕获的 3D 打印流通式水过滤器：表面孔隙率、柱高和压敏粘合剂对去除效率的影响”的论文发表在《Separation and Purification Technology》（分离与纯化技术）期刊上，由 Ethan A. Crawford 和 Tizazu H. Mekonnen 联合撰写。
过滤系统结合了表面孔隙工程和压敏粘合剂涂层，可以捕获微塑料，包括小于 10 微米的颗粒，尽管对于该尺寸的颗粒去除效果不太好。然而，90% 这个数字背后蕴含的意义远比数字本身更重要。研究人员实际构建的是一个概念验证系统，能够将三种不同的捕获机制叠加在一起，每一种机制都弥补了前一种机制的不足。
这项研究以聚乳酸（PLA）为材料，这是一种由玉米和甘蔗等植物原料制成的可生物降解塑料，广泛应用于消费级3D打印。过滤器为直径39毫米的圆形薄片，上面打印有错位排列的1×1毫米方形孔网格。将这些薄片交替堆叠，迫使水流进入曲折路径，从而增加液体与过滤器壁的接触面积。
图(a)、(b)、(c) 和 (d) 分别为未蚀刻 PLA-PEG10 滤膜在 1 倍、65 倍、350 倍和 1500 倍放大倍率下的图像/扫描电镜图像。图 (e)、(f)、(g) 和 (h) 分别为蚀刻后滤膜在 1 倍、65倍、350 倍和 8000 倍放大倍率下的图像/扫描电镜图像
表面粗糙度可提高微塑料捕获率
单凭这种设计本身效果并不显著。在浓度为百万分之100的聚苯乙烯微塑料悬浮液测试中，八层光滑的PLA过滤器仅能捕获16%的颗粒。PLA打印件表面光滑亮泽，接触到表面的微塑料会滑落或被水冲走。第一种改进方法是通过增加表面粗糙度来解决这个问题。克劳福德和梅科宁将低分子量聚乙二醇以每百份树脂10份的比例混合到PLA原料中，然后在打印完成后用沸水溶解掉聚乙二醇。蚀刻后留下的孔隙尺寸从 100 纳米到10 微米不等，较大的表面不规则处可达约 50 微米。仅此一项改变就使八层过滤器的去除效率提高了一倍多，达到 37%。
第二项改进增加了粘性。研究人员在蚀刻后的滤膜上涂覆了一层聚（2-乙基己基丙烯酸酯），这是一种玻璃化转变温度为-50℃的丙烯酸粘合剂。P2EHA可由废弃尿布合成，这体现了循环经济的理念。研究人员还测试了另一种竞争涂层——聚多巴胺。结果表明，P2EHA涂层过滤器在八层涂覆后去除率达到51%，而聚多巴胺涂层过滤器的去除率仅为46%。研究人员推测，P2EHA较高的分子量使其具有更好的长期粘附性，但他们并未对此进行直接量化。
第三个影响因素是柱体高度。当研究团队将堆叠的P2EHA涂层蚀刻过滤器层数从8层增加到20层时，去除率从大约51%提升至90%。相比之下，基准PLA过滤器在相同的8层到20层层数范围内，去除率仅提升了6个百分点。而且，去除率的提升趋势尚未达到平台期，这表明增加层数可以进一步提高性能。
过滤后的粒径分析揭示了一个可行的下限。几乎所有大于50微米的微塑料都被截留，但80%的穿过滤芯颗粒小于10微米。在这个尺度下，颗粒的重量只有 1 到5 皮克，研究人员认为，由于重力较弱、更容易受到湍流的影响以及可用表面积较小，因此它们不太可能接触并粘附在过滤器上。
（a）滤膜制备和（b）微塑料过滤的示意图
颗粒尺寸限制捕获效率
值得注意的是，过滤系统尚未展现出某些特性。测试中使用的是表面活性剂稳定水中的聚苯乙烯微珠，而非实际废水。洗衣废水中的纤维状微塑料（占环境污染的很大一部分）也未进行测试。可重复使用性和总捕获能力仍是悬而未决的问题。表面活性剂本身可能通过屏蔽颗粒表面的电荷而影响粘附性。
滑铁卢系统并非首次尝试将3D打印与打印后表面处理相结合用于水过滤。孟加拉国库尔纳工程技术大学的研究人员曾报道过一种由回收尼龙制成的3D打印蜂窝过滤器，涂覆有二氧化钛纳米颗粒，在第一个循环中即可去除生活污水中高达85%的生化需氧量（BOD），且每个模块的成本不到2美元。到第五个循环时，在未进行清洗的情况下，死端过滤的BOD去除率下降到62%，深度过滤的BOD去除率下降到58%。这种性能下降趋势凸显了滑铁卢大学团队尚未解决的难题，即其粘合涂层过滤器在反复使用后的耐久性问题。
来源：南极熊
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