研究人员利用直接墨水书写（DIW）技术制备了 3D 打印地聚合物整体吸附结构，用于工业废水中镉离子的高效去除。与传统地聚合物颗粒吸附床相比，整体式结构在连续流条件下表现出更稳定的流体分布、更短的传质区以及显著提升的机械耐久性。实验表明，该材料在多次吸附–再生循环中仍能保持良好结构完整性和去除效率，显示出其在可持续废水处理和重金属污染治理领域的应用潜力。
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（Direct Ink Writing，DIW）技术制备的 3D 打印地聚合物整体结构（monoliths），在去除受污染水体中的镉离子方面不仅效果显著，而且相较于传统的颗粒（bead）型吸附剂表现出明显更高的耐久性。该研究发表在《Scientific Reports》期刊上，系统评估了结构化地聚合物吸附床在批量实验和连续流条件下的性能，强调了其在工业废水处理应用中的潜力。
本研究由 Shabnam Siddiqui、Chikkanayakanahalli Ramaiah Ramakrishnaiah、Srinath Suranani 以及 Yalachigere Kempaiah Suneetha 共同完成，研究人员均来自印度班加罗尔和瓦朗加尔的工程类院校。研究团队重点关注以偏高岭土（metakaolin）为基础的地聚合物材料。这类铝硅酸盐材料以其低成本、良好的化学稳定性以及优异的离子交换能力而受到广泛关注。
用于固定床柱吸附测试的实验装置，包括地聚合物颗粒和 3D 打印地聚合物整体结构。图片来源：Siddiqui 等，《Scientific Reports》。
从粉末吸附剂到 3D 打印结构
由于镉具有高度毒性、迁移性强并且易于在生物体内富集，镉污染长期以来一直是环境和公共健康领域的重大问题。尽管吸附法被广泛应用于镉的去除，但现有许多系统依赖粉末状吸附剂，这类材料在大规模应用中往往存在操作困难、回收不便以及再生过程复杂等问题。
为解决这些局限性，研究人员利用 DIW 技术制备了可自支撑的地聚合物整体结构，其晶格几何形状和内部孔隙结构均可实现精确控制。在地聚合物墨水中引入过氧化氢作为发泡剂，在保证良好可打印性的同时形成互联孔隙结构，并维持了材料的机械完整性。值得注意的是，研究人员还通过线注入法制备了成分完全相同的地聚合物颗粒，从而能够在传统填充床与 3D 打印整体结构之间进行直接且公平的性能对比。
批量吸附性能
初步的批量吸附实验以粉末状地聚合物为对象，用于确定最佳吸附条件。结果表明，在 pH 值为 5 时，镉的吸附效果最为显著。这一条件在避免氢氧化镉沉淀的同时，实现了静电吸引、离子交换和表面络合等多种作用机制之间的平衡。
平衡吸附数据与 Langmuir 等温模型高度吻合，表明吸附过程以单分子层吸附为主，其最大吸附容量达到 87.1 mg/g。吸附动力学结果则更符合准二级动力学模型，说明化学吸附在整个吸附过程中占据主导地位。
连续流柱实验
为评估材料在工业应用中的实际可行性，研究团队在相同运行条件下，分别对地聚合物颗粒填充床和由多层 3D 打印整体结构堆叠而成的吸附床进行了动态柱实验。结果显示，尽管颗粒床的最大动态吸附容量略高（37.5 mg/g），而整体结构为 35.9 mg/g，但 3D 打印整体结构表现出明显更短的传质区以及更加均匀的流体流动行为。这表明整体结构具有更优异的传质性能，并有效减少了流道效应（channeling），而这两点对于构建可预测、可放大的固定床吸附系统至关重要。
对镉吸附突破行为的分析表明，实验数据能够很好地用 Thomas 模型进行描述，该模型是连续流吸附系统中常用的性能预测方法。在所有测试条件下，3D 打印整体结构在保持与颗粒床相当去除效率的同时，展现出更优异的流动控制能力。
地聚合物颗粒与 3D 打印地聚合物整体结构的扫描电子显微镜（SEM）图像，对比展示了其内部孔隙结构和丝状构型的差异。图片来源：Siddiqui 等，《Scientific Reports》。
在相同运行条件下，采用地聚合物颗粒和 3D 打印整体结构的固定床柱中镉吸附的突破曲线。
再生性能与耐久性优势
在再生实验中，研究人员观察到了一个关键差异。地聚合物颗粒在仅经历三次吸附–解吸循环后便开始出现开裂现象；相比之下，3D 打印地聚合物整体结构在连续八个循环过程中仍然保持了良好的结构完整性和稳定的吸附性能。这是本研究对比分析中，同类块体吸附材料所展示的最高可重复使用次数。研究人员将这种优异的耐久性归因于增材制造所实现的工程化孔隙结构和整体式结构设计，该设计能够有效降低再生过程中的机械应力，并显著简化材料的操作和处理。
地聚合物颗粒床与整体结构床在 Cd²⁺ 吸附–再生循环过程中的性能对比。图片来源：Siddiqui 等，《Scientific Reports》。
对可规模化水处理的启示
尽管已有部分吸附材料在镉吸附容量方面表现更高，但这些材料往往依赖昂贵的原料、复杂的制备工艺，或缺乏长期重复使用性能的验证。该研究认为，3D 打印地聚合物整体结构在吸附性能、机械耐久性以及规模化应用可行性之间实现了较为理想的平衡。
通过 DIW 技术，可以一步成形制备具有可控几何结构的整体式吸附床，为连续流系统中稳健、可再生吸附材料的开发提供了新的路径。研究结果表明，增材制造不仅是一种成形手段，更是一种工艺层面的关键使能技术，尤其适用于对可靠性、易维护性和全生命周期成本要求极高的环境工程应用场景。
地聚合物与增材制造
随着研究界和工业界不断探索低碳替代材料，3D 打印地聚合物的研究兴趣正在持续增长，其应用范围已从传统水泥基材料和功能陶瓷扩展到更广泛的领域。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聚合物胶结材料的可行性，凸显了其在地外环境原位建造方面的潜在价值。
在其他研究中，由 Nano Dimension 支持的工作表明，通过增材制造制备的地聚合物结构能够提升核废物固化过程中的化学稳定性和封装性能。近期，诺森比亚大学（Northumbria University）还获得了欧盟资金支持，用于推进可持续 3D 打印建筑材料的研究，其中地聚合物体系被认为是在降低隐含碳排放的同时保持结构性能的一条重要技术路线。这些研究共同表明，地聚合物正逐渐被视为一种不仅适用于建筑领域，同时也适用于环境治理和基础设施应用的关键材料，而增材制造技术正是推动其应用拓展的重要驱动力。
