Filtri in geopolimero per stampa 3D per sistemi di trattamento delle acque
I ricercatori italiani e finlandesi si concentrano sul miglioramento delle modalità di erogazione di acqua potabile pulita, illustrando in dettaglio il loro studio nei ” filtri geopolimeri modificati con Ag o Cu modificati per il trattamento delle acque prodotti dalla stampa 3D, dalla schiumatura diretta o dalla granulazione “.
Mentre la ceramica ha mostrato potenziale nel trattamento delle acque a causa della stabilità chimica e fisica, l’accessibilità economica è stata un punto di inciampo in corso, principalmente perché i polimeri sono più economici da usare. I geopolimeri, simili alla ceramica, sono un materiale amorfo a basso contenuto di calcio composto da alluminosilicato. Offrono un diametro dei pori di 2–50 nm, oltre a buone proprietà meccaniche e possono probabilmente offrire il meglio dei due mondi rispetto alla ceramica e ad altri polimeri a causa di costi, stabilità e longevità inferiori.
Precedenti studi di prova del concetto hanno dimostrato che i geopolimeri sono adatti come antimicrobici, nonché materiali di metakaolin e ceneri volanti. I geopolimeri della metakaolina scambiati con Cu 2+ sono stati anche trovati in ricerche precedenti per essere efficaci nel prevenire la crescita di ife di funghi ostrica e batteri risultanti.
“Nelle applicazioni (foto) di trattamento delle acque catalitiche, anche la riuscita impregnazione di metalli / semiconduttori cataliticamente attivi (come TiO 2 , Cu 2 O, Cd) nella struttura del geopolimero è cruciale”, hanno affermato i ricercatori.
Con la porosità ad alta apertura come una preoccupazione fondamentale, i ricercatori hanno anche teorizzato che la stampa 3D avrebbe offerto un maggiore controllo su quanto segue:
Dimensione dei pori
Distribuzione delle dimensioni dei pori
Forma dei pori
Interconnettività dei pori
“Inoltre, i componenti con porosità stocastica tendono ad avere una resistenza inferiore rispetto ai componenti che possiedono una microstruttura porosa più omogenea, come quelli prodotti da AM – proprietà importanti, come la permeabilità e la tortuosità, possono essere progettate e più facilmente ottimizzate nella quest’ultimo “, ha spiegato gli autori.
Per questo studio, è stato scelto un geopolimero a base di metakaolin per la fabbricazione di filtri per il trattamento dell’acqua modificati con metallo con l’obiettivo di creare proprietà ispirate ai filtri per vasi in ceramica con i seguenti: porosità aperta, resistenza a compressione e permeabilità all’acqua non inferiore a circa 30 %, 1 MPa e 0,001 cm / s, rispettivamente.
Metodi di produzione e aspetto dei campioni di geopolimero. Si noti che nella formazione di schiuma diretta, i tensioattivi solidi sono stati dissolti in soluzione di attivatore di alcali (cioè non aggiunti insieme a H2O2).
I campioni sono stati creati utilizzando la scrittura a inchiostro diretto (DIW), la schiumatura diretta e la geopolimerizzazione a granulazione. La morfologia e le caratteristiche di tutti i campioni erano diverse e, poiché i ricercatori erano preoccupati per i cambiamenti “nel tempo”, hanno eseguito la caratterizzazione un mese dopo.
Per quanto riguarda i geopolimeri prodotti tramite DIW, i ricercatori hanno notato sfide tecniche, con la pasta e le proprietà che cambiano nel tempo. Sebbene la pasta fosse abbastanza adatta in termini di proprietà reologiche, c’erano problemi con il rilassamento e la fusione dei livelli:
“Tuttavia, man mano che le reazioni di condensazione progredivano continuamente con il tempo nell’inchiostro, la viscosità e la resistenza allo snervamento aumentavano e gli strati superiori delle impalcature venivano stampati senza cedimenti”, hanno affermato i ricercatori. “La differenza tra gli strati inferiore e superiore è notevole, poiché richiede un po ‘di tempo per depositare ogni strato (∼10 min). In effetti, il rilassamento e la fusione ridurrebbe almeno in parte la dimensione delle aperture nei primi strati di filamenti, riducendo la porosità, la superficie e la permeabilità dei filtri. “
(A) Comportamento reologico della pasta che mostra un comportamento di assottigliamento e (B) analisi meccanica dinamica a 1 Hz che mostra il punto di snervamento a 160 Pa.
Filtro geopolimero stampato in 3D, ripreso con una fotocamera DSLR, microscopia ottica, microscopia elettronica a scansione (SEM) e microtomografia a raggi X. Nell’immagine microtomografica, i punti rossi rappresentano i pori interni (chiusi), che sono anche visibili nelle sezioni trasversali visualizzate con SEM.
La stampa 3D ha provocato impalcature con maggiore resistenza alla compressione, minore porosità e maggiore spessore.
SDS = dodecil solfato di sodio; CTAB = bromuro di cetiltrimetilammonio; a = porosità aperta ≈ porosità totale; b = spessore del filamento; c = porosità negli strati superiori; d = porosità nei primi strati; e = diametro delle aperture tra i filamenti; f = la superficie specifica è stata misurata dopo il lavaggio con acqua calda e deionizzata (prima del lavaggio, la superficie specifica era di 2,1 m2 / g); g = porosità nei granuli; h = porosità del letto di granuli, compresi i vuoti tra i granuli.
“In termini di resistenza meccanica, i filtri stampati in 3D potrebbero essere più adatti per applicazioni con una portata d’acqua elevata, causando forze di taglio più elevate”, hanno affermato i ricercatori.
(A) Resistenza a compressione (a 7 d anni) di materiali filtranti preparati con schiuma diretta, granulazione o stampa 3D. (B, C) mostrano l’ottimizzazione del contenuto di acqua e del contenuto di tensioattivo con Triton X-100. Le barre di errore rappresentano ± errore standard. SDS = dodecil solfato di sodio e CTAB = bromuro di cetiltrimetilammonio.
La permeabilità all’acqua della testa era inferiore rispetto agli altri campioni per il filtro stampato in 3D, molto probabilmente a causa del cedimento, dell’agente plastificante e dei problemi con la mancanza di porosità nel filamento.
“Questo risultato è, tuttavia, in qualche modo sorprendente, poiché i filtri progettati possedevano canali aperti continui e senza ostacoli”, hanno affermato gli autori. “Questo parametro potrebbe certamente essere aumentato modificando il design dell’impalcatura e migliorando ulteriormente la reologia e la composizione dell’inchiostro. Tuttavia, il valore ottenuto era ancora paragonabile a quelli dei tradizionali filtri per vasi in ceramica. “
Coefficienti di permeabilità all’acqua dei campioni di filtro. I valori per sabbia, sabbia limosa e filtri per vasi ceramici convenzionali sono indicati come riferimento.
La schiumatura diretta è stata sostanzialmente influenzata dalla viscosità e dai tempi di presa, lasciando ai ricercatori la possibilità di affermare che la viscosità della pasta potrebbe interferire con l’effetto di schiumatura. Lo spessore delle pareti cellulari aumentava quando i livelli di porosità diminuivano (ad eccezione dei campioni Triton X-405) e le aree di superficie schiumate direttamente erano “in buon accordo” con le ricerche precedenti.
“È stato notato che i filtri convenzionali per vasi in ceramica sono soggetti a intasamenti da parte della materia sospesa, e quindi i flussi di acqua alta sarebbero utili”, hanno detto gli autori. “Tuttavia, la resistenza meccanica dei materiali schiumati diretti potrebbe limitare il loro utilizzo in applicazioni ad alto flusso (ad esempio, elevata forza di taglio).”
Viscosità delle paste geopolimeriche contenenti 1,9 × 10−6 mol / g di diversi tensioattivi. I risultati sono espressi in% della pasta di riferimento (senza tensioattivo).
Caratterizzazione morfologica di campioni schiumati diretti (con una concentrazione equimolare di tensioattivi) in ordine di spessore crescente della parete cellulare (mostrato con la barra colorata): (A) sodio dodecil solfato (SDS); (B) bromuro di cetiltrimetilammonio (CTAB); (C) Triton X-405; (D) Triton X-100; (E) Triton X-114.
Mentre la geopolimerizzazione della granulazione è significativamente diversa sia dalla stampa 3D che dalla schiumatura diretta, i ricercatori hanno considerato la possibilità che sia il metodo di produzione più semplice per l’upscaling, con il letto di granuli facile da sostituire se necessario.
Caratterizzazione morfologica di un granulo di geopolimero con microtomografia a raggi X e SEM. La parte verde rappresenta lo strato di superficie porosa e la parte grigia rappresenta il nucleo denso.
“Il livello più basso di lisciviazione con Ag è stato osservato con i ponteggi in geopolimero stampati in 3D modificati con AgNPs, immersi in una soluzione di collo colloidale o l’aggiunta di AgNO 3 in una pasta fresca e con geopolimero schiumato direttamente modificato con AgNPs”, ha concluso i ricercatori. “Con questi metodi di produzione, è stato possibile rispettare le linee guida sull’acqua potabile di un massimo di 0,1 mg / L Ag. Per Cu, il livello più basso di lisciviazione (Cu <2 mg / L) è stato raggiunto con granuli di geopolimero con l’aggiunta di Cu (NO 3 ) 2 . Lo scambio ionico ha dimostrato di produrre materiali instabili che hanno lisciviato il 100% di metalli aggiunti. “
“I prossimi passi di questa ricerca saranno testare i filtri più promettenti nel trattamento delle acque, in particolare nella disinfezione e nei processi avanzati di ossidazione (AOP).”