学术分享丨DIW直写3D打印新型多孔陶瓷支架在海水淡化的应用研究

发布时间：2025-07-10 浏览量：分享到：

DIW直写3D打印新型多孔陶瓷支架在海水淡化的应用研究

摘要

海水淡化是应对水资源短缺问题的一种有效手段。现有的海水淡化技术主要包括反渗透、蒸馏和电渗析等，但这些技术通常存在能耗高、成本大和环境影响较大的问题。因此，研究人员一直在寻找更高效、更可持续的海水淡化材料和方法。近日，暨南大学化学与材料学院刘明贤教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表了题为3D printing of porous ceramic scaffold based halloysite clay for efficient seawater desalination的研究，设计一种新型的陶瓷材料，通过DIW墨水直写陶瓷3D打印机制备成多孔陶瓷支架以提高海水淡化过程的效率。

研究发表期刊信息

Chemical Engineering Journal Volume 501, 1 December 2024, 157659 ELSEVIER

Xinyuan Zhou Meishan Guo Ming Huang Yuqian Xu Mingxian Liu

研究背景

全球约96.5%的水存在于海洋中，由于海水含盐量高，不能直接饮用。预计到2050年，全球87个国家将面临水资源短缺的问题，迫切需要创新的清洁水生产和运输技术。海水淡化是一种主要通过热、机械或化学方法实现的淡水生产解决方案。太阳能蒸馏因其低成本和环保优势，尤其在光热材料和结构工程的快速发展背景下，成为一种具有前景的技术。

近年来，具有高光吸收和光热转换效率的光热材料已被广泛应用于海水淡化，纤维材料能利用太阳辐射产生水蒸气。一些研究也开发了高效的太阳能蒸发器，提升了蒸发速率和效率。但与二维蒸发器相比，三维多孔结构的3D打印陶瓷支架更具耐用性和光吸收能力。

因此，本研究制备了一种基于埃洛石粘土纳米管（HNTs）、硅酸钠（SS）和聚乙二醇（PEG）的3D打印复合墨水，采用DIW墨水直写3D打印和高温烧结技术制造多孔陶瓷支架（PCS）。通过涂覆聚多巴胺（PDA），增强了支架的亲水性和光热性能。

研究方法及数据

图1：HNTs/SS/PEG陶瓷浆料的3D打印特性

(a) HNTs/SS/PEG陶瓷浆料的3D打印示意图。(b) 不同HNTs质量分数下HNTs/SS/PEG浆料的状态。(c, d) 不同HNTs质量分数的墨水的表观粘度与剪切速率的关系，以及G′和G″与振荡频率扫描的关系。(e) 67 wt% HNTs/SS/PEG墨水的循环阶梯应变扫描测量。(f) G′、G″和复合粘度与温度的关系。

图2：材料表征与相互作用分析

(a) HNTs、SS和PEG之间的相互作用。(b) XRD。(c-d) FT-IR。(e) SS、PEG、HNTs粉末、HNTs/SS、HNTs/SS/PEG的Zeta电位值。(f) HNTs、PEG、HNTs/SS/PEG的热重分析曲线。(g) 烧结前后XRD图谱。

图3：3D打印过程与结构表征

(a) 不同直径喷嘴喷出的墨水的光学照片。(b) DIW 3D打印过程图像。(c) 固化前后的结构高度和稳定性。(d,e,f) 用0.30 mm喷嘴打印的多孔结构的光学照片和微观结构图像。(g,h) 细丝逐层堆叠结构。(i) 3D打印模型和相应的陶瓷物体。

图4：不同填充率的3D打印PCS表征

(a) 不同填充率的3D打印PCS。(b、c) 多孔结构和孔径的显微图像。(d) 不同填充率下的密度和孔隙率。(e) 填充率为70%时的压缩性能。(f、g) 烧结前后样品的表面和横截面SEM图像，以及(h、i) 元素含量的变化。

图5：PDA涂层表征

(a) PDA涂层制备过程示意图。(b、c) 涂层PCS的SEM和EDS映射。

图6：光热性能与蒸发测试

(a、b) 涂层陶瓷在干湿状态下的表面温度分布。插图为实验装置和相应的红外图像。(c、d) 陶瓷中水的质量变化和蒸发速率随时间的变化。(e) 不同填充率的涂层陶瓷的水蒸发性能。(f、g) 808nm激光辐照下涂层陶瓷的表面热成像和温度图和(h) 不同功率下的水蒸发速率。

图7：不同盐度下的蒸发性能

(a、b) 涂层陶瓷在不同盐度溶液（3.5、7.0、15.0、20.0 wt% NaCl溶液）中的质量变化和蒸发速率。(c) 涂层陶瓷在3.5 wt% NaCl溶液中连续蒸发速率变化。(d、e、f) 涂层陶瓷在渤海水中的循环和连续蒸发。(g) 涂层陶瓷10小时连续蒸发过程照片。(h) 7天连续蒸发过程中第一天辐照后和第二天开始辐照时拍摄的照片。

图8：实际应用与净化效果

(a、b) 由PDA涂层PCS制成的太阳能海水净化设备和室外海水淡化。(c) 实际的渤海海水样品在淡化前后测量的盐离子(Na+、K+、Mg2+和Ca2+)浓度。(d) 不同水样的阻力：海水、淡化水、纯水和自来水。

结论

采用DIW直写3D打印和高温烧结技术制备了用于太阳能海水淡化的3D PCS。HNTs、SS和PEG之间的强相互作用使HNTs/SS/PEG复合墨水具有良好的打印适应性和形状保真度。复合墨水（HNTs固体含量为67wt％）在不同尺寸的喷嘴中表现出良好的打印适应性，并且可以保持打印结构的原始形状而不会坍塌。3D PCS具有丰富的互连三维孔结构，抗压强度约为85 MPa。通过合理设计蒸发装置，PDA涂覆的PCS在1个太阳辐射下实现了1.53 kg m-2h-1的高蒸发速率和84.2％的效率。涂层陶瓷在处理高浓度盐水（20wt％NaCl溶液）和渤海海水时可实现水的持续快速蒸发。蒸发器还具有良好的室外蒸发和净化能力。

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该研究（文章）使用了3D打印机哪些功能（模块）

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