技术潜水：3D打印膜垫片的曙光

3D打印已经走过了漫长的道路。目前3D打印已经可以在你的桌面上生产小塑料哨子，这一过程仅需8小时。现在，3D打印正在彻底改变几乎每一个行业，因为其可以提供精确的设计和复杂部件的创建。水行业也不例外，3D打印将颠覆水处理膜市场——能够以无与伦比的精度、独特的材料和微观尺度来打印定制的膜。3D打印为效率水平打开了大门，而这在以前是不可能的。3D打印膜在水领域的范围是什么？它是如何运作的？谁是值得关注的关键人物？在我们最新的技术探索中，Aquatech Online对3D打印膜和分离器进行了考察。

什么是3D打印？

三维打印是通过数字文件生产三维物体的过程。有时也被称为增材制造，一个物体是通过连续铺设材料层直到物体被创造出来的，这意味着每一层都代表了物体的一个横截面。

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与传统的制造方法相比，3D打印允许你用更少的材料生产复杂的形状和部件。1981年，Hideo Kodama博士创造了第一批快速原型机之一，该机器使用一种可通过紫外线（UV）聚合的树脂，一层一层地制造零件。但直到1986年，被广泛认为是3D打印发明者的Chuck Hull才申请了第一个立体光刻（SLA）专利。

3D打印的简要历史

在90年代的大部分时间里，随着众多公司对不同材料和技术的实验，3D打印迅速发展，但直到2006年才有了第一台商业化的选择性激光烧结（SLS）打印机。然而，对3D打印的发展和采用产生最大影响的是2005年的RepRap项目。RepRap项目是由Adrian Bowyer博士创立的，项目的目标是重新思考增材制造是一种能够自我复制的低成本技术。结果，第一台名为RepRap的低成本3D打印机诞生了，随之而来的是第一个开源的3D打印技术。近年来，3D几乎已成为每个行业不可或缺的工具--例如在2018年，国际空间站使用低重力3D打印机打印了第一个太空中的工具。3D打印正在被用来创造；家具、眼镜框、假肢、牙齿填充物、建筑的比例模型、电影道具，甚至被用来复制古代文物和化石，以及......膜间隔物。

什么是3D打印的膜隔板？

膜间隔物用于螺旋式缠绕的反渗透（RO）膜组件，以保持膜片分开，以及加强混合。间隔物也被用来通过在给水流量上创造湍流来帮助减轻膜污损。随着3D打印技术的出现，它使公司能够生产具有复杂几何形状的给水垫片，并保持高精度。2023年发表在《环境化学工程杂志》上的一篇论文，研究了3D打印的进料隔板在减少膜分离过程的环境足迹方面的潜力。

来源：《环境化学工程》杂志 

它发现在过去的几年里，3D打印技术的进步导致了更快和更高精度的打印机，具有微尺度的分辨率（>1微米）。

该论文继续认为，新型进料间隔器能够加强传质，减少进料通道压力（FCP）下降，并最大限度地减少生物污垢成为可能。我还发现，一些间隔物可以潜在地减少过滤过程中的能源消耗，这反过来又减少了它们对环境的影响。

然而，该论文确实指出，3D打印材料的毒性和较高的制造能源要求仍然是环境方面的问题，但结论是，如果这个问题被克服，3D打印的垫片将取代市面上的垫片，并被完全接受用于大规模制造。

谁是关键的参与者？

尽管该技术在该领域相当新，但我们已经开始看到关键的参与者开始出现了。

Aqua Membranes

在大洋彼岸的美国，初创公司Aqua Membranes的创始人Rodney Harrington在他的车库里尝试使用3D打印技术制造反渗透元件。

从那时起，Aqua Membranes继续在他的想法的基础上，创建了一个定制设计的大型打印机，Aqua Membranes首席执行官Craig Beckham说，这使他们能够将其图案放在膜表面，他称这是其创新的核心，使他们能够降低水行业的能源和水浪费。

来源：Aqua Membranes

相对于使用传统的网状间隔物，Aqua Membranes开发了自己的专利3D间隔物，称为ConZerv。网状物的作用就像河流中的大坝，阻挡了水并使其减速，而Aqua Membranes说其ConZerv印刷间隔物的作用更像河流中的巨石，使水减速同时也使水保持匀速。该公司表示，ConZerv可以通过减少高达60%的压降来减少能源浪费，从而节省运营成本和温室气体排放。Aqua Membranes提供4040和8040两种规格的元件，以适应高输出和低输出系统。在2021年，美国半导体制造公司美光宣布对该公司提供财政支持。美光公司计划在其位于爱达荷州的博伊西基地启动一个使用Aqua Membranes技术的试点项目。该公司称，这个计划如果成功则可以运用到世界各地的基地。

“Aqua Membranes的反渗透创新可能是一种降本增效的方式，可以改进美光工厂已有的设备，同时增加水的再利用。"——美光公司的可持续发展总监Marshall Chase。

埃沃夫

总部设在英国的公司Evove，其前身是G2O水技术公司，一直在3D打印领域大放异彩。

来源：Evove

其专利的Separonics™说是一种精确设计的3D打印过滤和分离技术，提供了一个物理屏障，可以为任何应用或客户定制设计。根据定义，Separonic是一种转化膜，能够以较低的价格回收水和回收宝贵的资源。垫片位于膜的上方，当它被卷成螺旋状时，它们将各层分开，为液体流动提供一个空腔。在这种情况下，3D打印并不是指一个坐在桌子上，需要两天时间才能打印出一个哨子的小设备。相反，它将是大规模的3D、工业打印。Evove公司正在用3D打印其垫片，以创建独特的形状，使用计算流体动力学来模拟通过膜的流动，以优化垫片的设计。Evove公司首席执行官Chris Wyres在接受Aquatech Online采访时说："我们将能够进行全尺寸打印，8英寸宽，1.8米长，无论什么长度，都无所谓。"

"关键是我们将能够打印出传统制造业无法做到的特征和结构，并使用高性能计算和人工智能来优化这些特定应用的设计。"2021年底，该公司与Meta Additive签署了一项联合开发协议，以生产先进的增材制造解决方案来3D打印其陶瓷Separonic膜，并计划在2023年进行部署。截至2023年1月，Evove与世界最大的海水淡化公司之一的盐水转换公司签署了一份谅解备忘录。作为交易的一部分，这家总部位于英国的公司将提供增强型涂层膜和三维间隔物，这些膜将在海湾地区的一家海水淡化厂进行测试，以减少反渗透过程中的能源消耗。

纳诺森公司

在全球范围内，总部位于新加坡的膜制造初创公司Nanosun已经创建了一个3D打印设施，用于制造水处理膜。作为南洋理工大学（NTU）的衍生公司，Nanosun公司使用增材制造技术制造膜，并声称其效率是传统工艺的五倍，传统工艺使用聚合物和陶瓷基膜。

来源：Nanosun

该公司开发的3D打印膜可用于海水淡化、工业废水管理和市政废水管理。该公司已经在其境内与一家大型半导体制造商合作，并越过中国，为一家日处理能力达2000万升的市政污水处理厂提供其3D打印膜。最近，Nanosun宣布它已经获得了一个6000立方米/天的水回收交易，以及一个1440立方米/天的去除氨和氟化物的反渗透系统改进项目，并与一家美国的半导体制造商合作。该公司由南洋理工大学副教授Darren Sun和Wong Ann Chai共同创办，该公司表示，在其技术在新加坡得到验证后，它正在寻求下一步的发展。在谈到Nanosun公司的未来时，黄先生说： "我们需要能够为我们下一阶段的发展提供最具成本效益的解决方案。国际市场对工业废水处理的需求很旺盛，因为大多数国家都不想污染他们稀缺的地表水和地下水资源。"纳诺森公司表示，已经投资约600万美元用于开设新的3D打印工厂。

新技术，同样的障碍？

任何熟悉膜的人都知道，一项创新要被水务部门完全采用需要多长时间。过去十年，陶瓷膜一直在敲打水务部门的大门，但直到现在，陶瓷膜才开始进入公用事业市场。其前身聚合物膜也面临着与陶瓷类似的阻力，与成本相比，其不确定性主要集中在坚固性问题上。但是，3D打印的分离器和膜在试图与市政当局合作时是否会面临类似的挑战？3D打印已经有40多年的历史，但在过去的十年里，它已经看到了指数级的增长。它的工具和能力似乎几乎是无限的，以至于根据工业3D打印咨询专家AMPOWER的预测，到2026年，3D打印市场价值将达到200亿美元。

水务领域的3D打印的下一步是材料的多样性。

在2022年的尾声，联合公用事业公司和科技创新者ChangeMaker3D通过展示3D混凝土打印部件的使用，在英国水务行业取得了第一项成就。

在一年的时间里，ChangeMaker3D在该公用事业公司位于柴郡的一个测试设施中设计、3D打印并安装了一个废水室，这被称为 "Printfrastructure"。与传统方法相比，该项目实现了25%的碳减排，20%的成本节约和55%的劳动力减少。联合公用事业公司的首席工程师（创新）Lisa Mansell在谈到该项目时说： "3D建筑打印等数字技术可以推动高效的施工，帮助我们实现碳的净零目标"。

4D打印的应用

正当3D打印似乎是街区的新孩子时，麻省理工学院（MIT）的科学家们又开发了一个概念。从本质上讲，4D打印指的是3D打印物体，如果它们接触到特定的能源，如光、热甚至水，就可以重新塑形。它的工作原理是将刚性和可膨胀材料在一个3D打印的部件中彼此相邻地战略定位。

该技术已经要进行测试，看它是否能创造出与水流有关的改变尺寸的自我修复的水管，甚至在冷热温度的水阀中。