技術(shù)潛水：3D打印膜墊片的曙光
3D打印已經(jīng)走過了漫長(zhǎng)的道路。目前3D打印已經(jīng)可以在你的桌面上生產(chǎn)小塑料哨子，這一過程僅需8小時(shí)?，F(xiàn)在，3D打印正在徹底改變幾乎每一個(gè)行業(yè)，因?yàn)槠淇梢蕴峁┚_的設(shè)計(jì)和復(fù)雜部件的創(chuàng)建。水行業(yè)也不例外，3D打印將顛覆水處理膜市場(chǎng)——能夠以無與倫比的精度、獨(dú)特的材料和微觀尺度來打印定制的膜。3D打印為效率水平打開了大門，而這在以前是不可能的。3D打印膜在水領(lǐng)域的范圍是什么？它是如何運(yùn)作的？誰是值得關(guān)注的關(guān)鍵人物？在我們最新的技術(shù)探索中，Aquatech Online對(duì)3D打印膜和分離器進(jìn)行了考察。
什么是3D打?。?/strong>
三維打印是通過數(shù)字文件生產(chǎn)三維物體的過程。有時(shí)也被稱為增材制造，一個(gè)物體是通過連續(xù)鋪設(shè)材料層直到物體被創(chuàng)造出來的，這意味著每一層都代表了物體的一個(gè)橫截面。
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與傳統(tǒng)的制造方法相比，3D打印允許你用更少的材料生產(chǎn)復(fù)雜的形狀和部件。1981年，Hideo Kodama博士創(chuàng)造了第一批快速原型機(jī)之一，該機(jī)器使用一種可通過紫外線（UV）聚合的樹脂，一層一層地制造零件。但直到1986年，被廣泛認(rèn)為是3D打印發(fā)明者的Chuck Hull才申請(qǐng)了第一個(gè)立體光刻（SLA）專利。
3D打印的簡(jiǎn)要?dú)v史
在90年代的大部分時(shí)間里，隨著眾多公司對(duì)不同材料和技術(shù)的實(shí)驗(yàn)，3D打印迅速發(fā)展，但直到2006年才有了第一臺(tái)商業(yè)化的選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印機(jī)。然而，對(duì)3D打印的發(fā)展和采用產(chǎn)生最大影響的是2005年的RepRap項(xiàng)目。RepRap項(xiàng)目是由Adrian Bowyer博士創(chuàng)立的，項(xiàng)目的目標(biāo)是重新思考增材制造是一種能夠自我復(fù)制的低成本技術(shù)。結(jié)果，第一臺(tái)名為RepRap的低成本3D打印機(jī)誕生了，隨之而來的是第一個(gè)開源的3D打印技術(shù)。近年來，3D幾乎已成為每個(gè)行業(yè)不可或缺的工具--例如在2018年，國(guó)際空間站使用低重力3D打印機(jī)打印了第一個(gè)太空中的工具。3D打印正在被用來創(chuàng)造；家具、眼鏡框、假肢、牙齒填充物、建筑的比例模型、電影道具，甚至被用來復(fù)制古代文物和化石，以及......膜間隔物。
什么是3D打印的膜隔板？
膜間隔物用于螺旋式纏繞的反滲透（RO）膜組件，以保持膜片分開，以及加強(qiáng)混合。間隔物也被用來通過在給水流量上創(chuàng)造湍流來幫助減輕膜污損。隨著3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，它使公司能夠生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的給水墊片，并保持高精度。2023年發(fā)表在《環(huán)境化學(xué)工程雜志》上的一篇論文，研究了3D打印的進(jìn)料隔板在減少膜分離過程的環(huán)境足跡方面的潛力。
來源：《環(huán)境化學(xué)工程》雜志
它發(fā)現(xiàn)在過去的幾年里，3D打印技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了更快和更高精度的打印機(jī)，具有微尺度的分辨率（>1微米）。
該論文繼續(xù)認(rèn)為，新型進(jìn)料間隔器能夠加強(qiáng)傳質(zhì)，減少進(jìn)料通道壓力（FCP）下降，并最大限度地減少生物污垢成為可能。我還發(fā)現(xiàn)，一些間隔物可以潛在地減少過濾過程中的能源消耗，這反過來又減少了它們對(duì)環(huán)境的影響。
然而，該論文確實(shí)指出，3D打印材料的毒性和較高的制造能源要求仍然是環(huán)境方面的問題，但結(jié)論是，如果這個(gè)問題被克服，3D打印的墊片將取代市面上的墊片，并被完全接受用于大規(guī)模制造。
誰是關(guān)鍵的參與者？
盡管該技術(shù)在該領(lǐng)域相當(dāng)新，但我們已經(jīng)開始看到關(guān)鍵的參與者開始出現(xiàn)了。
Aqua Membranes
在大洋彼岸的美國(guó)，初創(chuàng)公司Aqua Membranes的創(chuàng)始人Rodney Harrington在他的車庫里嘗試使用3D打印技術(shù)制造反滲透元件。
從那時(shí)起，Aqua Membranes繼續(xù)在他的想法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了一個(gè)定制設(shè)計(jì)的大型打印機(jī)，Aqua Membranes首席執(zhí)行官Craig Beckham說，這使他們能夠?qū)⑵鋱D案放在膜表面，他稱這是其創(chuàng)新的核心，使他們能夠降低水行業(yè)的能源和水浪費(fèi)。
來源：Aqua Membranes
相對(duì)于使用傳統(tǒng)的網(wǎng)狀間隔物，Aqua Membranes開發(fā)了自己的專利3D間隔物，稱為ConZerv。網(wǎng)狀物的作用就像河流中的大壩，阻擋了水并使其減速，而Aqua Membranes說其ConZerv印刷間隔物的作用更像河流中的巨石，使水減速同時(shí)也使水保持勻速。該公司表示，ConZerv可以通過減少高達(dá)60%的壓降來減少能源浪費(fèi)，從而節(jié)省運(yùn)營(yíng)成本和溫室氣體排放。Aqua Membranes提供4040和8040兩種規(guī)格的元件，以適應(yīng)高輸出和低輸出系統(tǒng)。在2021年，美國(guó)半導(dǎo)體制造公司美光宣布對(duì)該公司提供財(cái)政支持。美光公司計(jì)劃在其位于愛達(dá)荷州的博伊西基地啟動(dòng)一個(gè)使用Aqua Membranes技術(shù)的試點(diǎn)項(xiàng)目。該公司稱，這個(gè)計(jì)劃如果成功則可以運(yùn)用到世界各地的基地。
“Aqua Membranes的反滲透創(chuàng)新可能是一種降本增效的方式，可以改進(jìn)美光工廠已有的設(shè)備，同時(shí)增加水的再利用。"——美光公司的可持續(xù)發(fā)展總監(jiān)Marshall Chase。
埃沃夫
總部設(shè)在英國(guó)的公司Evove，其前身是G2O水技術(shù)公司，一直在3D打印領(lǐng)域大放異彩。
來源：Evove
其專利的Separonics™說是一種精確設(shè)計(jì)的3D打印過濾和分離技術(shù)，提供了一個(gè)物理屏障，可以為任何應(yīng)用或客戶定制設(shè)計(jì)。根據(jù)定義，Separonic是一種轉(zhuǎn)化膜，能夠以較低的價(jià)格回收水和回收寶貴的資源。墊片位于膜的上方，當(dāng)它被卷成螺旋狀時(shí)，它們將各層分開，為液體流動(dòng)提供一個(gè)空腔。在這種情況下，3D打印并不是指一個(gè)坐在桌子上，需要兩天時(shí)間才能打印出一個(gè)哨子的小設(shè)備。相反，它將是大規(guī)模的3D、工業(yè)打印。Evove公司正在用3D打印其墊片，以創(chuàng)建獨(dú)特的形狀，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來模擬通過膜的流動(dòng)，以優(yōu)化墊片的設(shè)計(jì)。Evove公司首席執(zhí)行官Chris Wyres在接受Aquatech Online采訪時(shí)說："我們將能夠進(jìn)行全尺寸打印，8英寸寬，1.8米長(zhǎng)，無論什么長(zhǎng)度，都無所謂。"
"關(guān)鍵是我們將能夠打印出傳統(tǒng)制造業(yè)無法做到的特征和結(jié)構(gòu)，并使用高性能計(jì)算和人工智能來優(yōu)化這些特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)。"2021年底，該公司與Meta Additive簽署了一項(xiàng)聯(lián)合開發(fā)協(xié)議，以生產(chǎn)先進(jìn)的增材制造解決方案來3D打印其陶瓷Separonic膜，并計(jì)劃在2023年進(jìn)行部署。截至2023年1月，Evove與世界最大的海水淡化公司之一的鹽水轉(zhuǎn)換公司簽署了一份諒解備忘錄。作為交易的一部分，這家總部位于英國(guó)的公司將提供增強(qiáng)型涂層膜和三維間隔物，這些膜將在海灣地區(qū)的一家海水淡化廠進(jìn)行測(cè)試，以減少反滲透過程中的能源消耗。
納諾森公司
在全球范圍內(nèi)，總部位于新加坡的膜制造初創(chuàng)公司Nanosun已經(jīng)創(chuàng)建了一個(gè)3D打印設(shè)施，用于制造水處理膜。作為南洋理工大學(xué)（NTU）的衍生公司，Nanosun公司使用增材制造技術(shù)制造膜，并聲稱其效率是傳統(tǒng)工藝的五倍，傳統(tǒng)工藝使用聚合物和陶瓷基膜。
來源：Nanosun
該公司開發(fā)的3D打印膜可用于海水淡化、工業(yè)廢水管理和市政廢水管理。該公司已經(jīng)在其境內(nèi)與一家大型半導(dǎo)體制造商合作，并越過中國(guó)，為一家日處理能力達(dá)2000萬升的市政污水處理廠提供其3D打印膜。最近，Nanosun宣布它已經(jīng)獲得了一個(gè)6000立方米/天的水回收交易，以及一個(gè)1440立方米/天的去除氨和氟化物的反滲透系統(tǒng)改進(jìn)項(xiàng)目，并與一家美國(guó)的半導(dǎo)體制造商合作。該公司由南洋理工大學(xué)副教授Darren Sun和Wong Ann Chai共同創(chuàng)辦，該公司表示，在其技術(shù)在新加坡得到驗(yàn)證后，它正在尋求下一步的發(fā)展。在談到Nanosun公司的未來時(shí)，黃先生說： "我們需要能夠?yàn)槲覀兿乱浑A段的發(fā)展提供最具成本效益的解決方案。國(guó)際市場(chǎng)對(duì)工業(yè)廢水處理的需求很旺盛，因?yàn)榇蠖鄶?shù)國(guó)家都不想污染他們稀缺的地表水和地下水資源。"納諾森公司表示，已經(jīng)投資約600萬美元用于開設(shè)新的3D打印工廠。
新技術(shù)，同樣的障礙？
任何熟悉膜的人都知道，一項(xiàng)創(chuàng)新要被水務(wù)部門完全采用需要多長(zhǎng)時(shí)間。過去十年，陶瓷膜一直在敲打水務(wù)部門的大門，但直到現(xiàn)在，陶瓷膜才開始進(jìn)入公用事業(yè)市場(chǎng)。其前身聚合物膜也面臨著與陶瓷類似的阻力，與成本相比，其不確定性主要集中在堅(jiān)固性問題上。但是，3D打印的分離器和膜在試圖與市政當(dāng)局合作時(shí)是否會(huì)面臨類似的挑戰(zhàn)？3D打印已經(jīng)有40多年的歷史，但在過去的十年里，它已經(jīng)看到了指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)。它的工具和能力似乎幾乎是無限的，以至于根據(jù)工業(yè)3D打印咨詢專家AMPOWER的預(yù)測(cè)，到2026年，3D打印市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到200億美元。
水務(wù)領(lǐng)域的3D打印的下一步是材料的多樣性。
在2022年的尾聲，聯(lián)合公用事業(yè)公司和科技創(chuàng)新者ChangeMaker3D通過展示3D混凝土打印部件的使用，在英國(guó)水務(wù)行業(yè)取得了第一項(xiàng)成就。
在一年的時(shí)間里，ChangeMaker3D在該公用事業(yè)公司位于柴郡的一個(gè)測(cè)試設(shè)施中設(shè)計(jì)、3D打印并安裝了一個(gè)廢水室，這被稱為 "Printfrastructure"。與傳統(tǒng)方法相比，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了25%的碳減排，20%的成本節(jié)約和55%的勞動(dòng)力減少。聯(lián)合公用事業(yè)公司的首席工程師（創(chuàng)新）Lisa Mansell在談到該項(xiàng)目時(shí)說： "3D建筑打印等數(shù)字技術(shù)可以推動(dòng)高效的施工，幫助我們實(shí)現(xiàn)碳的凈零目標(biāo)"。
4D打印的應(yīng)用
正當(dāng)3D打印似乎是街區(qū)的新孩子時(shí)，麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們又開發(fā)了一個(gè)概念。從本質(zhì)上講，4D打印指的是3D打印物體，如果它們接觸到特定的能源，如光、熱甚至水，就可以重新塑形。它的工作原理是將剛性和可膨脹材料在一個(gè)3D打印的部件中彼此相鄰地戰(zhàn)略定位。
該技術(shù)已經(jīng)要進(jìn)行測(cè)試，看它是否能創(chuàng)造出與水流有關(guān)的改變尺寸的自我修復(fù)的水管，甚至在冷熱溫度的水閥中。