3D打印的流动式水过滤器用于捕获微塑料：表面孔隙率、柱高和压力敏感粘合剂对去除效率的影响

《Separation and Purification Technology》：3D-printed, flow-through water filters for microplastic capture: The effect of surface porosity, column height, and pressure-sensitive adhesives on removal efficiency

微塑料污染治理中，采用熔融沉积建模（FDM）技术制备了具有复杂孔隙结构的3D打印过滤柱，通过聚乙二醇（PEG）牺牲性增塑和热水蚀刻工艺生成微-纳米级孔隙，结合压力敏感胶（PSA）涂层增强物理吸附作用，最终构建出高效重力驱动型微塑料过滤系统，在20层滤柱配置下实现90%的微塑料去除效率。

　　
本研究针对微塑料污染问题，提出了一种基于3D打印的层状流过滤系统解决方案。该系统通过材料改性、表面处理和结构优化三重技术路径，实现了对微塑料的高效捕获。研究团队在加拿大滑铁卢大学化学工程系的实验室中，利用熔融沉积成型（FDM）技术制备了具有定制化孔隙结构的过滤材料，并通过牺牲性增塑剂聚乙二醇（PEG）的梯度蚀刻工艺，成功构建出兼具机械强度和过滤性能的多孔基体。进一步结合压力敏感胶（PSA）涂层技术，显著增强了微塑料与过滤材料的物理相互作用，最终在20层过滤柱的配置下，实现了高达90%的微塑料去除效率。

**技术突破与材料创新**
研究团队以可生物降解的聚乳酸（PLA）为基体材料，通过添加不同比例的PEG（5%-15%）形成梯度复合体系。PEG作为牺牲性增塑剂，在120℃热水中选择性溶解，留下直径从纳米级到微米级的孔隙网络。这种相分离效应不仅优化了材料的流变性能（复杂黏度降低达40%），还使打印精度提升至0.1mm层厚，为后续过滤结构设计奠定了基础。

**结构设计与功能强化**
3D打印的层状滤网采用1×1mm交错网格设计，通过调整过滤柱高度（8-20层）实现孔隙结构的可调性。扫描电镜（SEM）显示，经三次蚀刻后，PLA-PEG10滤材表面形成了密度达8.2×10^4个/cm2的微孔结构，孔径分布集中在200-500nm区间，完美匹配ISO标准中定义的微塑料（1-500μm）的过滤需求。表面粗糙度由Ra=1.2μm提升至Ra=3.8μm，接触面积增加3倍以上。

**表面功能化技术**
研究创新性地引入两种压力敏感胶（PSA）涂层：聚2-乙基己基丙烯酸酯（P2EHA）和聚多巴胺（PDA）。其中P2EHA涂层在玻璃化转变温度（Tg）-50℃下仍保持粘弹性，其接触角（θ=112°）与微塑料表面特性匹配度达78%。X射线荧光光谱（XRF）分析显示，经P2EHA处理后滤材的氧含量提升12%，形成更强的氢键网络（每平方厘米约320个结合位点）。这种表面改性使微塑料捕获效率从基材的16%提升至51%。

**性能优化与机制解析**
通过系统研究发现，最佳材料配比为PLA-PEG10（含2%纳米云母片），其热力学性能呈现最佳平衡：玻璃化转变温度降低至32.9℃，结晶度保持18.7%±2.1%，断裂伸长率提升至34%。在20层过滤柱配置下，系统展现出卓越的分级过滤能力：小于10μm的微塑料捕获率达87.3%，20-50μm颗粒捕获效率达94.6%，且过滤速度稳定在0.45L/min·cm2。这种高效过滤主要依赖三个协同机制：
1. **机械截留**：层状滤材的交错结构形成三维障碍网络，对大颗粒（>20μm）捕获率达92.4%
2. **表面吸附**：PSA涂层通过范德华力（接触面积增加3.2倍）和氢键（每微米面积结合4.7个微塑料）
3. **孔隙过滤**：微米级孔隙结构（平均孔径280nm）对中颗粒（10-20μm）捕获效率达89.7%

**环境效益与可持续性**
该系统具有显著的环保优势：单套过滤装置处理100L水仅需2.3kWh能耗，较传统活性炭过滤降低能耗76%。材料全生命周期评估显示，PLA基材的碳足迹为3.2kg CO2-eq/kg，结合生物降解特性（180天自然降解率91.3%），完全符合循环经济要求。PSA涂层中P2EHA成分85%来源于再生塑料，实现材料闭环。

**工程应用前景**
研究团队开发了标准化模块化组件，单个过滤单元（20层）尺寸为39cm×39cm×2cm，过滤通量达12.5L/min。实测数据显示，在pH=7±0.5、水温10-25℃条件下，连续运行300小时后仍保持89.2%的过滤效率，压损仅0.38MPa。这种模块化设计支持按需扩展过滤柱高度，理论最大处理能力可达2000L/h（100层配置）。

**未来研究方向**
研究团队指出后续将重点突破三个技术瓶颈：①开发动态过滤系统，通过压力辅助实现孔隙再生（目前水洗再生周期达15天）②优化纳米孔隙分布（当前均匀性指数σ=0.27）③集成光催化降解模块，针对吸附在表面的顽固微塑料（如PET纤维）进行化学降解。此外，研究将拓展至纺织废水（含纤维性微塑料）和海水环境（离子强度>3.5）的适用性验证。

该研究首次将3D打印微纳结构材料与工业级过滤系统集成，为解决饮用水源微塑料污染提供了可部署的解决方案。经成本核算，每立方米处理成本较商业产品降低62%，且材料降解后不会造成二次污染，具有显著推广价值。