油、シルト、バクテリアを含む複雑な下水を、3Dプリンターによるマルチスケール・多機能フィルターできれいな水に変える

Converting Complex Sewage Containing Oil, Silt, and Bacteria into Clean Water by a 3D Printed Multiscale and Multifunctional Filter.

抄録

深刻化する水質汚染と水資源不足は、人間の健康に大きな危険をもたらし、汚水の再利用と処理が急務となっている。本研究では、直接描画3次元（3D）印刷技術を採用して、3Dアルギン酸ナトリウム（SA）／酸化グラフェン（GO）／Agナノ粒子（AgNP）エアロゲル（SGA）を作製し、油、シルト、細菌を含む複雑な下水を重力分離のみできれいな水に変えることを目指した。合成されたSGAの物理化学的特性と表面構造は、X線回折（XRD）、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、走査型電子顕微鏡（SEM）、透過型電子顕微鏡（TEM）によって評価された。また、SGAフィルターの汎用性を検証するため、フィルター膜の膨潤速度、機械的特性、抗菌性、油水分離効果、耐久安定性を調査した。その結果、GOがプリントフィルターの機械的特性を向上させ、ろ過プロセス中の水の衝撃に耐えることを示した。印刷フィルターは、よく設計されたマルチスケールの勾配孔構造を有し、異なるサイズの粒子を効果的に遮断してシルトを水から分離することができ、濾過された水の濁度は60から1ネフェロメトリック濁度単位（NTU）まで低下させることができた。SAが存在することで、印刷フィルターに親水性と疎油性が付与され、水から様々な種類の油を効果的に分離することができる。SAの簡便かつグリーンな還元によって生成したフィルター中のAgNPの均一な分布は、濾過プロセスにおける印刷フィルターの効率的な殺菌能力を促進した。さらに、このフィルターは大規模生産が容易で、30日以上の耐久安定性を有し、さまざまな下水処理状況に使用することができる。これらを総合すると、印刷SGAフィルターは、複雑な汚水処理において幅広い応用が期待でき、貧困地域の汚水処理に特別な解決策を提供するものである。

The exacerbating water pollution and water resource shortage pose a great danger to human health and make it imperative to recycle and treat the sewage. In this study, a direct-writing three-dimensional (3D) printing technology was adopted to prepare a 3D sodium alginate (SA)/graphene oxide (GO)/Ag nanoparticle (AgNP) aerogel (SGA), aiming to turn the complex sewage containing oil, silt, and bacteria into clean water depending only on gravity separation. The physicochemical properties and surface structure of the synthesized SGA were characterized by X-ray diffraction (XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM). The swelling rate, mechanical properties, antibacterial properties, oil and water separation effect, and durable stability of the filter membrane were also investigated to verify the versatility of the SGA filter. The results showed that GO helped improve the mechanical properties of the printed filter to withstand water impact during the filtration process. The printed filter had a well-designed and multiscale gradient pore structure, which can effectively intercept particles with different sizes to separate the silt from water, and the turbidity of the filtered water can be reduced from 60 to 1 nephelometric turbidity unit (NTU). The presence of SA endowed the printed filter with hydrophilic and oleophobic behaviors, which can effectively separate various kinds of oils from water. The uniform distribution of AgNPs in the filter produced via a facile and green reduction of SA facilitated the efficient bactericidal ability of the printed filter during the filtration process; meanwhile, the lower release concentration of Ag ions ensured drinking safety. What is more, the filter can be easily produced on a large scale and used for different sewage treatment situations with a durable stability of over 30 days. Taken together, the printed SGA filter has a broad application prospect in complex sewage treatment, providing a special solution for sewage treatment in poverty areas.