3D打印机尾气净化技术及装置开发

时间：2024-07-28

郑轩宇何梓萱王晟李宇航

（南京工程学院机械工程学院，南京 211167）

3D打印技术是一种不同于减材制造的成型技术，被广泛应用于工业、医疗、航空航天和建筑等领域[1]。以塑料或树脂为打印线材的3D打印机[2]，在工作时会产生大量有毒尾气。尾气的主要成分为挥发性有机化合物，包括醛类、烷烃、芳烃或酮类等物质，难以处理且危害极大[3]。吴媛总结了治理挥发性有机化合物的4种方法，即冷凝法、光催化技术、吸附法和生物处理法[4]。谢凡等人提出了紫外线降解、HEPA过滤的3D打印机尾气处理方式[5]。BRENT等人测量了桌面级3D打印机的超微颗粒排放浓度[6]。REID评估了3D打印对环境的影响[7]。TIM等人分析了3D打印对空气质量的影响[8]。本文研究的热活化氧化物半导体净化技术及净化装置可有效净化3D打印机在工作过程中产生的尾气。

1 净化技术及原理

1.1 热活化氧化物半导体净化技术

针对3D打印机在工作进程中产生的尾气对环境及人体产生危害的问题，提出了将氧化物半导体涂层负载在以堇青石为材质的蜂窝载体表面，在高温环境下（350～500 ℃）热激发的氧化物半导体涂层具有氧化分解效应，可有效分解有毒烟雾，实现尾气净化效果。

1.2 技术原理

粉末状的氧化物半导体（TiO2、Cr2O3等）具有热活性，在热激发条件下（350～500 ℃）会失去电子产生大量空穴。空穴会捕捉挥发性有机化合物分子链中共价键的电子，致使挥发性有机化合物分子链失去电子而变得不稳定，使分子链断裂形成低分子量单体，其进一步与O2发生燃烧反应，最终产生CO2和H2O，如图1所示。

图1 技术原理

2 装置结构

2.1 整体结构

设计3D打印机有毒尾气处理装置需能够收集、加热、净化、检测和排放有毒气体。本装置由4个单元组成，分别为打印机工作单元、预热单元、净化单元和气体排放单元[9-10]。整体装置如图2所示。

2.2 打印机工作单元

打印机工作单元由铝型材与亚克力板构成密闭的工作区域，用于放置3D打印机。铝型材和亚克力板之间采用有机硅密封胶进行密封处理，右侧亚克力板开有圆形通道，与净化单元相连接，用于气体的流入，如图3所示。

图3 打印机工作单元

2.3 预热单元

预热单元一端与打印机工作单元相连接，另一端与净化单元连接，通过内置的电热管和外圈陶瓷加热管预热有毒烟雾，使气体进入净化反应装置时温度初步达到反应温度，提高反应净化的效率，如图4所示。

图4 预热单元

2.4 净化单元

净化单元由覆载了氧化物半导体的蜂窝载体（如图5所示）和三层保温仓构成，如图6所示。蜂窝载体分三层放置，气体通道呈“S”形，以实现多层级分梯度净化，有效提高净化效率。净化单元采用热辐射板加热，净化过程中反应仓温度需长时间保持在350～500 ℃，要有良好的保温效能。保温仓采用了三层设计，最内层采用304不锈钢。304不锈钢易于加工且韧性极佳，常用于保温，同时耐高温800 ℃，满足装置设计要求。中间层采用二氧化硅纳米气凝胶毡。纳米气凝胶毡是固体中导热系数极低的物质，无机环保且易于加工，耐高温650 ℃，且0.018 W·m-1·K-1的导热系数远低于一般的保温材料，满足装置设计要求。最外层采用高强度的硬铝合金，能有效保护内部反应空腔。

图5 覆载了氧化物半导体的蜂窝载体

图6 净化单元

2.5 气体排放单元

气体排放单元由抽气泵与CO2处理管道组成，如图7所示。真空泵一端与净化单元连接，另一端与CO2处理管道连接，可将有毒烟雾通过负压吸入净化单元，并将反应后的气体输送至CO2处理管道。CO2处理管道可吸收净化后气体中的CO2，并将无害气体排放至大气。

图7 气体排放单元

2.6 实物模型

根据三维机构设计，制造了覆载有氧化物半导体的蜂窝载体，并搭建了3D打印机有毒尾气净化装置的实物模型。覆载有氧化物半导体的蜂窝载体如图8所示，实物如图9所示。

图9 实物模型

3 装置测试

3.1 测试条件

采用3D打印机有毒尾气净化装置、比例-积分-微分（Proportion-Integral-Derivative，PID）光离子探头（0～2 000 mg·L-1）、极光尔沃A3S桌面级3D打印机和PLA线材。

测试时，开启电源，使预热单元和加热板工作，启动3D打印机，线材选用PLA材料，打印样件，使3D打印机产生气体。当挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds，VOC）传感器返回2 000 mg·L-1时，抽气单元工作，使有毒气体经过预热单元预热，再经过净化单元净化。此时关闭3D打印机，收集VOC传感器在1 min、2 min、4 min、6 min、8 min以及10 min时的返回值。