美國(guó)高中生使用3D打印技術(shù)制造過(guò)濾器，實(shí)現(xiàn)低成本去除水中的鉛

2022年5月23日，南極熊獲悉，華盛頓的科學(xué)老師Rebecca Bushway和她的學(xué)生們利用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種低成本的鉛過(guò)濾器，該過(guò)濾器可以固定在水龍頭上并去除有毒金屬。

△使用3D打印和高中化學(xué)知識(shí)，學(xué)生們制作了一個(gè)用于去除水中的鉛的過(guò)濾器原型，它具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的特點(diǎn)。圖片來(lái)自phys

受疫情影響，學(xué)校僅能通過(guò)網(wǎng)上授課的時(shí)候?？沼鄷r(shí)間，學(xué)生們使用3D打印技術(shù)和現(xiàn)有的高中化學(xué)知識(shí)，制作了一個(gè)3英寸（7.5 厘米）高的鉛過(guò)濾器原型，它由可生物降解的塑料制成，希望以每件1美元的價(jià)格將其推向市場(chǎng)。

Bushway多次對(duì)外宣傳過(guò)該過(guò)濾器，包括在著名的美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)春季會(huì)議（四次）展示了該原型，并計(jì)劃在同行評(píng)審期刊上發(fā)表相關(guān)研究論文。

研發(fā)背景
多達(dá)1000萬(wàn)美國(guó)家庭仍然通過(guò)鉛管取水，尤其鉛對(duì)于幼兒更加有害。這種金屬可以狡猾的避開(kāi)身體自身防御系統(tǒng)，可能導(dǎo)致認(rèn)知能力永久性喪失，并導(dǎo)致一系列的心理問(wèn)題，尤其在貧困地區(qū)得不到有效的控制。

該團(tuán)隊(duì)成員Nia Frederick解釋說(shuō)，2014年在密歇根州弗林特，曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)一個(gè)特別嚴(yán)重的水污染問(wèn)題。但對(duì)于鉛中毒而言且卻很普遍，并且對(duì)非裔美國(guó)人和其他少數(shù)族裔的影響尤為嚴(yán)重。

△Bushway在同學(xué)Erin Osterman（18歲）的協(xié)助下，演示了鉛水過(guò)濾器的使用。圖片來(lái)自phys

“我認(rèn)為這是我們可以提供幫助的事情，”她說(shuō)。關(guān)于鉛中毒這件事情人們?cè)缫阎罃?shù)十年，但正在重視起來(lái)也就在最近幾十年。

拜登政府已承諾向一項(xiàng)基礎(chǔ)設(shè)施法中投入數(shù)十億美元，以資助在未來(lái)幾年內(nèi)拆除全國(guó)所有的鉛管——但在此之前，人們現(xiàn)在需要解決方案。

△Bushway和她的高中學(xué)生們。圖片來(lái)自phys

巧妙的設(shè)計(jì)
Bushway的初步想法是采用化學(xué)反應(yīng)：將溶解的鉛暴露于磷酸鈣粉末中會(huì)產(chǎn)生一種固體磷酸鉛，并留在過(guò)濾器內(nèi)，以及無(wú)害的游離鈣。同時(shí)，過(guò)濾器還有一個(gè)巧妙的設(shè)計(jì)：在磷酸鈣下方，有一個(gè)叫做碘化鉀的化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存器。

他們計(jì)劃設(shè)計(jì)出，當(dāng)磷酸鈣用完時(shí)，溶解的鉛會(huì)與碘化鉀發(fā)生反應(yīng)，使水變黃——這表明是時(shí)候更換過(guò)濾器了。所以，學(xué)生Wathon Maung花了幾個(gè)月的時(shí)間，通過(guò)3D打印軟件，設(shè)計(jì)許多模型來(lái)滿足這種解決方案。

起初，磷酸鈣在過(guò)濾器內(nèi)結(jié)塊，減緩了反應(yīng)。但Maung發(fā)現(xiàn)，通過(guò)加入六角斜面勾結(jié)設(shè)計(jì)，他可以確保水的流動(dòng)并防止結(jié)塊。通過(guò)3D打印設(shè)計(jì)，最終可實(shí)現(xiàn)每分鐘兩加侖（九升）的流量，這是水從水龍頭流出的正常速度。

接下來(lái)，Barrie團(tuán)隊(duì)還希望加入一個(gè)小型LED，該儀器甚至可以在人眼可見(jiàn)之前檢測(cè)到水的泛黃，起到警示作用。

△多達(dá)1000萬(wàn)美國(guó)家庭仍然通過(guò)鉛管取水，兒童時(shí)期接觸鉛尤其有害。圖片來(lái)自phys

未來(lái)發(fā)展
化學(xué)工程師Paul Frail表示，該小組的工作“值得難以置信的贊譽(yù)”，將一般化學(xué)概念與3D打印結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)了一種新穎的產(chǎn)品。

Bushway相信他們開(kāi)發(fā)的過(guò)濾器，具有廣泛的市場(chǎng)前景。因?yàn)?，可?shí)現(xiàn)同類型的反滲透系統(tǒng)要花費(fèi)數(shù)百到數(shù)千美元，并且售價(jià)約20美元的碳?jí)K過(guò)濾器，必須每隔幾個(gè)月更換一次，這比她小組的過(guò)濾器更頻繁。

“我為這些學(xué)生感到無(wú)比自豪，”Bushway 說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)，該小組希望與合作伙伴一起完成設(shè)計(jì)并大規(guī)模生產(chǎn)。