来自印度班加罗尔和瓦朗加尔工程院校的研究人员证明，采用直接墨水书写（DIW）技术制造的3D打印地聚合物整体材料能够去除受污染水中的镉，并且与传统的珠状吸附剂相比，使用耐久性显著提高。
相关研究以题为“Performance evaluation of3D-printed geopolymer monoliths for cadmium adsorption”的论文发表于《Scientific Reports》期刊，评估了结构化地聚合物吸附床在间歇式和连续流条件下的性能，突显了在工业废水处理应用中的巨大潜力。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41598-025-28711-1
这项研究由来自印度班加罗尔和瓦朗加尔工程院校的研究人员Shabnam Siddiqui、Chikkanayakanahalli Ramaiah Ramakrishnaiah、SrinathSuranani和Yalachigere Kempaiah Suneetha共同完成。研究团队专注于偏高岭土基地质聚合物的研究，这是一类以低成本、化学稳定性和离子交换能力著称的铝硅酸盐材料。
△用于固定床柱吸附试验的实验装置，试验材料包括地聚合物珠粒和3D打印圆柱结构
从粉末状吸附剂到3D打印结构
镉污染由于毒性、迁移性和生物累积性等特性，仍然是一个持续存在的环境和公共卫生问题。虽然吸附法被广泛用于去除镉，但许多现有系统依赖于粉末状吸附剂，而这些吸附剂难以处理、回收和大规模再生。
为了克服这些局限性，研究人员利用直接墨水书写（DIW）技术制备了具有可控晶格几何结构和内部孔隙率的自支撑地聚合物整体材料。他们将过氧化氢作为发泡剂添加到地聚合物墨水中，从而在保持可打印性和机械完整性的同时，实现了互连孔隙的形成。至关重要的是，他们还通过线注射法制备了成分相同的地聚合物微球，从而能够对传统填充床和3D打印结构进行直接且公平的比较。
批量吸附性能
使用粉末状地质聚合物进行的初步批次实验确定了最佳吸附条件。镉的吸附在 pH 值为 5 时最强，此时静电吸引、离子交换和表面络合作用达到平衡，同时避免了氢氧化镉的沉淀。
平衡数据与朗缪尔等温吸附模型吻合良好，表明粉末材料为单层吸附，最大吸附容量为87.1mg/g。吸附动力学最符合准二级动力学模型，表明化学吸附是主要吸附过程。
连续流柱测试
为了评估工业应用价值，研究团队在相同条件下分别使用珠粒填充床和3D打印整体式吸附柱进行了动态柱实验。结果表明，珠粒填充床的最大动态吸附容量（37.5 mg/g）略高于整体式吸附柱（35.9 mg/g），但3D打印结构展现出更短的传质区和更均匀的流动特性。这表明传质得到改善，沟流现象减少，而这两点对于可预测且可扩展的固定床吸附系统至关重要。
△扫描电镜图像对比了地聚合物微球和3D打印的地聚合物整体材料，显示了它们内部孔隙率和丝状结构的差异
Thomas模型能够很好地描述突破性数据，该模型是预测连续流系统中吸附性能的标准方法。在所有测试中，整体式吸附剂的去除效率与珠状吸附剂相当，同时还具有更优异的流速控制性能。
△在相同的操作条件下，使用地聚合物珠和3D打印整体材料在固定床柱中吸附镉的穿透曲线
再生和耐久性优势
在再生测试中，有了一项关键发现。地聚合物珠粒在仅经过三次吸附-解吸循环后就开始出现裂纹。相比之下，3D打印的整体式吸附剂在连续八个循环中保持结构完整性和吸附效率，在本次研究的对比分析中，可重复使用性在所有同类块状吸附剂中最高。研究人员将这种耐久性归因于增材制造技术实现的工程化孔隙率和整体式结构，这降低了机械应力，并简化了再生过程中的操作。
△Cd2+在珠状和整体式地质聚合物床上的吸附-再生循环
对可扩展水处理的影响
虽然一些已报道的吸附剂具有更高的镉吸附容量，但它们通常依赖昂贵的原料、复杂的制备方法，或者缺乏经证实的长期可重复使用性。本研究认为，3D打印的地质聚合物整体材料在性能、耐久性和可扩展性之间取得了切实可行的平衡。
通过一步制造具有可控几何形状的结构化吸附床，直接墨水写入（DIW）技术为制备适用于连续流系统的坚固耐用、可再生吸附剂提供了一条途径。这项工作将增材制造定位为环境应用领域的一项工艺赋能技术，在这些应用中，可靠性、易操作性和全寿命周期成本至关重要。
地质聚合物增材制造
随着研究人员和工业界探索低碳替代传统水泥基材料和功能陶瓷的方法，人们对3D打印地质聚合物的兴趣日益浓厚。2024年，GLAMS项目展示了利用3D打印技术加工源自模拟月壤的地质聚合物粘合剂的可行性，凸显了地外环境中原位建造的潜力。
此外，Nano Dimension资助的研究表明，增材制造的地聚合物结构可以通过提高化学稳定性和密封性能来增强核废料的固化效果。最近，诺森比亚大学获得了欧盟的资助，用于推进可持续3D打印建筑材料的研发，其中地聚合物体系被认为是一种在保持结构性能的同时减少隐含碳排放的有效途径。这些研究成果共同表明，地聚合物的应用范围正在不断扩大，不仅用于建筑领域，而且在增材制造技术的支持下，它在环境和基础设施领域的应用也日益受到关注。
光印达点评：
这项研究为我们提供了一个绝佳的范例，展示了增材制造如何超越“形状制造”的范畴，晋升为“功能与性能的主动工程工具”。其核心启示在于：
设计自由赋能功能创新：通过3D打印，研究人员可以自由设计吸附介质的内部结构与流体通道，从而优化传质效率、压降和机械强度，这是传统颗粒或蜂窝状吸附剂无法实现的。这标志着从“使用现成材料”到“设计创造材料系统”的范式转变。
一体化结构解决工程痛点：研究中最突出的优势——卓越的耐用性与易操作性，正是源于3D打印所创造的无连接件、无薄弱环节的一体化整体结构。这直接解决了传统散装材料在反复再生、装填、运输过程中的损耗与失效难题，大幅提升了系统的可靠性与经济性。
跨学科融合的开阔前景：该成果是材料科学、环境工程与先进制造技术深度交叉的结晶。它预示着未来在催化、过滤、能量存储等更多需要多尺度结构设计的领域，3D打印将发挥不可替代的核心作用。
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