Ученые из испанского университета Уэльвы (http://uhu.es/english/) использовали 3D-печать для создания спиральной структуры, способной удалять восемнадцать побочных продуктов дезинфекции (DBP) из питьевой воды.
Было продемонстрировано, что хроническое воздействие таких химических веществ увеличивает риски для здоровья, включая угрозу рака, и исследовательский проект группы направлен на то, чтобы сделать процесс очистки более эффективным при их удалении. Новый подход ученых может найти применение на водоочистных сооружениях для выявления и отделения наиболее опасных химических веществ и повышения безопасности воды для питья.
Хотя обеззараживание воды имеет важное значение для здоровья населения, в результате этого процесса могут образовываться токсичные вещества. Они включают в себя особенно летучую нерегулируемую группу химических веществ, называемых галогенкетонами (HK), тригалогенметанами (THM) и побочными продуктами азотной дезинфекции (N-DBP), которые образуются после нескольких процессов обработки. Существует множество различных методов удаления HK, но, несмотря на то, что первый метод был разработан в 1995 году, исследования продолжаются, чтобы упростить процесс. Например, исследователи из Университета Кордобы (http://www.uco.es/) разработали метод удаления 14 видов галогенкетонов из очищенной воды в 2015 году, который обеспечил более низкие пределы обнаружения, чем предыдущие исследования.
По словам исследователей Университета Уэльвы, метод Кордобы имеет недостатки, такие как плохая воспроизводимость и низкая производительность экстракции из-за небольшой площади абсорбента. Ученые из Уэльвы предпочли использовать существующую технику, называемую жидкофазной микроэкстракцией полых волокон (HF-LPME).
По словам исследователей, использование 3D-печати для создания сборки облегчило работу, стало более надежным и доступным по более низкой цене, чем в предыдущих технологиях. Кроме того, структура показала более высокую поверхностную площадь для экстракции, и одноразовый характер волокна уменьшал риск перекрестного загрязнения или эффекта переноса. Аддитивное производство также позволило ученым преодолеть недостатки, выявленные в предыдущих проектах, таких как сложность миниатюризации сборки и производства коммерческих прототипов.
Разработанное с использованием программного обеспечения CAM, устройство было напечатано в 3D-формате с использованием полипропиленовых полых волокон Wuppertal на 3D-принтере с открытым исходным кодом Prusa i3. Конечное устройство имеет внутренний диаметр 600 мкм, толщину стенки 200 мкм и поры 0,2 мкм. Состоит из пяти частей: колпачка перегородки, перегородки, пробки, полого волоконного позиционера и заглушки, конструкция соединялась иглой шприца, проходящей через все компоненты.
Как только эти части были объединены, позиционер устройства с полыми волокнами был затем приведён в состояние акцептора. Это включало применение 20 мкл октанола в течение 2 минут, чтобы открыть его поры, а также сделать его более гибким. Затем добавляли смесь сульфата натрия и воды с отрегулированным pH для повышения эффективности экстракции DBP, прежде чем ее вводили в 20 мл пробы питьевой воды.
Экстракция целевых химикатов происходила в течение 30 минут, при этом раствор нагревался до температуры 45°С. Далее проводили вспенивание с помощью пузырьков углекислого газа, что приводило к перемещению летучих аналитов из донорной фазы (жидкость) в акцепторную фазу (газ). Это препятствовало нагреву пробы воды, что способствовало селективности, так как только летучие соединения могут быть извлечены при низкой температуре. Кроме того, турбулентность, возникающая в жидкости при образовании пузырьков, способствовала естественному перемешиванию, которое затем сводило к минимуму время экстракции.
Устройство для 3D-печати было ключевым в этом процессе, поскольку его простая обработка волокна, воспроизводимость и эффективность извлечения представляют важные улучшения в других методах на основе игл. Структура также позволила увеличить поверхность волокна даже при небольшом объеме образца, что значительно облегчило экстракцию.
Результаты испытаний показали пределы обнаружения в пределах от 10 до 35 THM и от 10 до 16 HK, что в пределах 80-100 мкг и 20-70 мкг, рекомендованных Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) для безопасной питьевой воды. Применимость метода была оценена в 6 локальных водораспределительных системах. Хотя концентрация THM в резервуарах была выше, чем в очищенной воде их исходного растения, исследователи предполагают, что это связано с возможной деградацией вдоль распределительной системы.
Ученые из Уэльвы сочли этот метод воспроизводимым и способным облегчить существующие операции очистки, открывая возможности для дальнейших исследований с использованием миниатюрных инструментов в будущем.
3D-печать аналогичным образом используется любителями и компаниями с целью сделать водоснабжение более безопасным для питья.
В июле 2017 года проект 3D-печати для любителей из многопрофильной команды Университета Бата (https://www.bath.ac.uk/) создал пластиковую «плиту», предназначенную для обеспечения чистой питьевой водой населенных пунктов в некоторых регионах Азии, Африки и Латинской Америки, с использованием лабиринтного дизайна. тепла и ультрафиолетового излучения солнца, чтобы убить вредных микробов, живущих в загрязненных жидкостях.
В ноябре 2016 года исследователи использовали усовершенствованную распорную сетку с 3D-печатью, чтобы обеспечить более продуктивное использование обратного осмоса для производства воды, которая была бы безопасной для питья. Материал был найден, чтобы снизить стоимость, время и риск процесса, и команда стремилась разработать стратегию для мембран обратного осмоса на Тихоокеанском побережье Мексики.
Первый консорциум по производству добавок (Conmad - http://lisma.com.mx/) в Латинской Америке был организован в Мексике в 2018 году, и в проекты 3D-печати было инвестировано более 13 миллионов долларов. На мероприятии присутствовало мексиканское правительственное агентство Conacyt (https://www.conacyt.gob.mx/), которое обязалось обеспечить чистой питьевой водой население тихоокеанского побережья Мексики.
Выводы исследователей подробно изложены в их статье «Жидкофазная микроэкстракция тригалометанов, галонитрометанов, галоацетонитрилов и галогенкетонов в питьевой воде» (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389420307792), опубликованной в томе 397 «Журнала опасных материалов» (https://www.sciencedirect.com/journal/journal-of-hazardous-materials/vol/397/suppl/C).