وتقف تكنولوجيا التخزين على مفترق طرق، إذ أن الكربون المنشط من نوع الجمردي، منذ عقود، هو الخيار الافتراضي لإزالة الملوثات من المياه والهواء، الذي يُمنح مكافأة لمنطقته العالية السطح وقدرتها الاستيعابية، إلا أن المادة الكيميائية تشكل أساساً متوسطاً، وتؤدي الجسيمات غير المستقرة إلى تقارب في المقاييس، وتسرب ضغط يتطلب مزيداً من الطاقة، ومناطق النقل الجماعي التي تحد بشكل كامل.

The Fundamentals of Adsorption and the Activated Carbon Platform

ففهم سبب أن مسائل الطباعة 3D للاختلاء تتطلب فهما واضحا لما يفعله الكربون المنشط وحيث تكون أشكاله التقليدية قصيرة، فالكربون المنشط هو شكل من أشكال الكربون المخروطة بدرجة عالية من الخرف، التي تم تجهيزها عادة من خلال النشاط الفيزيائي أو الكيميائي، لتطوير شبكة واسعة من الشواذ الداخلية، وهذه الشبكة تخلق مساحة سطحية عالية جدا، تتجاوز عادة ٠٠٠ ١ متر مربع للغرام الواحد، مما يوفر مواقع وفرة للسائل السائلة.

ويقاس الأداء الخام للكربون المنشط بقدرته على الامتصاص وبأقرباء ذلك الامتصاص، إذ أن القدرة هي إلى حد كبير وظيفة من المساحة السطحية والحجم القطبي، في حين أن الكائنات الحية تعتمد على سرعة وصول الملوث إلى تلك السطح الداخلي، وفي سرير تقليدي مكتظ بالكربون الرمادي، فإن السائل يجب أن يبحر إلى مسارات تدفقية متماسكة وعشوائية المنحى.

وبالإضافة إلى قياس الأرض النقي، كثيرا ما تكون الكربون المنشط التقليدي محصورا بواسطة أجهزة الإصدار ومعدات التجهيز المستخدمة في تركيبه في البراميل أو الجانول، ويمكن لهذه الأجهزة أن تحجب الخزائن أو أن تستحدث شوائب، وتخفض المساحة السطحية الميسرة، وعلاوة على ذلك، تقتصر الأشكال الناتجة عن ذلك على الأسطوانات البسيطة أو الجمرات غير القانونية أو المسحوقات الأرضية المعقدة مثل قنوات التصنيع التقليدية.

الصناعة المضافة كميسر لوسائل التخزين المتقدمة

ويوفر الطباعة 3D، بمختلف أشكالها، حرية التصميم اللازمة لإنشاء هياكل تذويبية تُصدر أوامرها وتُحدَّد على النحو الأمثل وتُعاد إنتاجها إلى حد كبير، ويجري تطبيق العديد من تكنولوجيات التصنيع المضافة المتميزة على نسيج الكربون المنشط، التي تتيح التوازن الفريد في كل منها، والتوافق المادي، والقدرة على التصعيد.

المادة (التسعير المأخوذ من الملفات)

إن تركيب الألياف المزودة بالوقود هو أكثر طريقة للطباعة 3D سهولة، بالنسبة لتطبيقات التليف، يتم إنتاج الألياف بواسطة مسحوق الكربون المنشط المزود بمزيج مركب مركب مزود بجهاز كهرباء، مثل حامض البوليفيك، والكحول المتعدد البيوترين، وأجهزة التليف السطحي المذوبة والمتفجرة من خلال مذيبات مائلة، ومستودعات المواد ذات تكلفة بسيطة.

فوتوبولير

ويعرض التحلل البوليثولوجي والتجهيز الرقمي للضوء حلاً أعلى بكثير، مما يتيح إنشاء هياكل متداخلة ذات أحجام سمية تقل عن 100 ميكروتر، وفي هذه العملية، يُنتشر مسحوق الكربون المنشط في رات قابلة للتصوير، ويعالج مصدر خفيف بصورة انتقائية الراتنج، ويبني طبقة الجزء حسب الطبقات، ويمكِّن هذا القرار من اختلاق مسحوقات متطورة داخلية متطورة.

خط الحبل المباشر

الكتابة المباشرة هي طريقة مُستندة إلى التطفل تستخدم معجنات مُتذبذبة، و مُربية، بدلاً من تلفّة صلبة، يمكن أن تحتوي هذه المعجنة على تركيز مرتفع جداً من الجسيمات الكربونية المُنشطة، والتي تتجاوز 50 بالمئة بالحجم، مُختلطة بمُعدّل صغير من المذيبات، وتُستنزف بواسطة مُضّبّات مُّة مُصّبة مُّبة

بيندر جيتنغ

ويستخدم القذف المزود بالبقود في نشر طبقة رقيقة من المواد المسحوقة، وفي هذه الحالة الكربون المنشط، ثم يوضع على نحو انتقائي جهازاً سائلاً ليلصق الجسيمات معاً، وهذه العملية متكررة حسب طبقة حتى يتم تشكيل الهيكل الكامل، وتتجنب الطوافد الحاجة إلى مصفوفة متعددة، مما قد يبسط عملية التجهيز بعد التجهيز، غير أن الأجزاء الناتجة تكون في العادة أضعف من الأجزاء التي تنتجها أساليب أخرى وقد تتطلب ذلك.

مسارات تجهيز المركبات الكربونية المنشطة من 3D-Printed

إنتاج هيكل كربوني منشط مطبعة بـ 3D يتطلب أكثر من مجرد خلط مسحوق الكربون في تركيبة قابلة للطباعة، وغالبا ما يتطلب الأمر سلسلة حاسمة من مراحل التجهيز بعد إزالة المركب التضحيةي، وتطوير هيكل الكربون المقوى، وضمان السلامة الميكانيكية للجزء الأخير.

Mixed-Matrix Feedstock Development

ونقطة الانطلاق بالنسبة للكثير من هياكل الكربون المطبوعة هي مادة وسيطة مركبة، حيث إن إيجاد التوازن الصحيح لتحميل الكربون، ونوع الموزن، والخصائص الرئوية، أمر أساسي، ويؤدي انخفاض كمية الكربون إلى عدم كفاية القدرة على استيعابها، بينما يصعب على المواد الوسيطة طباعة الجزء المطبوع أو التسبب فيه أثناء التجفيف أو العلاج الحراري، وقد أجرت أفرقة البحوث تجارب في مجموعة واسعة من معاملات البوليمرات.

ما بعد التجهيز: الديون، الكربون، النشاط

وبعد الطباعة، يتضمن الجزء المركب قدرا كبيرا من البوليمر غير الاستيعابي، ويحول التجهيز الحراري هذا المربط إلى مادة كربونية، وينشط الهيكل بأكمله في حالات كثيرة، وتتم العملية عادة في ثلاث مراحل:

  1. Debinding.] The printed part is heated slow in an inert atmosphere, such as nitrogen or argon, to temperatures between 300 and 600 degrees Celsius. During this stage, the organic binder thermally decomposes and volatilizes. The heating rate must be carefully controlled to avoid blistering, cracking, or collapse of.
  2. (أ) في درجات حرارة أعلى، عادة ما تتراوح بين 600 و000 1 درجة مئوية، تخضع المواد الكربونية المتبقية للتحلل الحراري، وترجع ذرات الكربون إلى هيكل أكثر رواية، وتركيبها، وتفقد المواد غير الكربونية، وهذه الخطوة تزيد بدرجة كبيرة من محتوى الكربون ويمكن أن تولد كميات إضافية من الكائنات المجهرية.
  3. (ب) لتحقيق سمية عالية في مجال الكربون المنشط تجارياً، يلزم اتخاذ خطوة تنشيطية نهائية، ويستخدم التفعيل المادي غازاً مسبباً للتأكسد، مثل ثاني أكسيد الكربون أو البخار، عند درجات حرارة تتراوح بين 800 و000 1 درجة مئوية، ويحدث الغاز بذرة الكربون، ويستخدم مركبات مصغرة تعمل في مجال إنتاج المواد الكيميائية(2).

ويتفادى مسار معالجة بديلة جهاز البوليمر تماماً بالطباعة مع مواد سلائف الكربون، فعلى سبيل المثال، صاغ الباحثون راتنجات قابلة للتصوير تحتوي على راتنجات هنية، ثم يتم كربونها وتفعيلها مباشرة، ويمكن لهذا النهج أن يقلل من الانكماش ويحسن إنتاج الكربون النهائي.

الابتكارات الهيكلية وفوائد الأداء

وتتمثل الميزة الرئيسية للطباعة عن النسيج التقليدي في القدرة على تنفيذ الابتكارات الهيكلية التي تعزز مباشرة أداء التصفية، ويمكن تجميع هذه الابتكارات في ثلاث فئات عريضة هي: هياكل التدفق المطلوبة، والحصانة الهرمية، والتكامل الأحادي.

مذاهب كهربائية مجهزة بالكهرباء وانخفاض الضغط

وفي سرير مكتظ من الجراندول، يجب أن يبحر السائل بشبكة من الحيزات المشتركة بين القبائل، وهذا الارتداد يخلق انخفاضا كبيرا في الضغط، ويطالب بضخ المزيد من الطاقة ويحد من معدلات التدفق. ويتيح الطباعة 3D بناء الأكياس المطلوبة، مثل صفائف المقاييس العابرة، أو أكياس الماس، أو مركبات كهرباء سطحية دورية ثلاثية الحد الأدنى (النظام المبسّط) توفر قنوات ربط جغرافية.

وقد أظهرت الدراسات أن التمرينات التي تستخدم ثلاثية الأبعاد يمكن أن تحقق تخفيضاً في انخفاض الضغط بنسبة تتراوح بين 40 و60 في المائة مقارنة بسرير مغلوط بحجم الجسيمات المكافئ، مع الحفاظ على معامل نقل جماعي قابلة للمقارنة أو حتى أعلى، ويكفل توزيع التدفق الموحد استخدام كل جزء من هيكل الكربون استخداماً فعالاً، ويمنع التشبع المبكر ويوسع نطاق خدمة المرشّح، ويلغي هذا العمود الجغرافي العادي أيضاً الآثار التفضيلية على التدفقات الجدارية.

الهيكل التنظيمي للمحفوظات

ويتوقف أداء الامتصاص على توزيع أحجام الأغصان، إذ توفر الميكروبات (أقل من 2 نانوميتر) مساحة سطحية عالية ضرورية لاستقبال الجزيئات الصغيرة، أما الميسوبيات (2 إلى 50 نانوميتر) فتيسر نقل الجزيئات إلى الميكروبات، وهي حرجة بالنسبة للملوثات الكبيرة، كما أن الميكروبات (أكثر من 50 جهازاً من أجهزة التجميل) تعمل كرسومات ذات الحجم العالي للتدفقات.

وهذا التصميم الهرمي مفيد بصفة خاصة لإزالة الجزيئات الكبيرة أو البطيئة التفشي، مثل المستحضرات الصيدلانية أو المواد العضوية الطبيعية أو المواد الكيميائية الصناعية المحددة، وبخفض طول مسارات الانتشار داخل دمار الكربون نفسه، تتسارع حركيات الامتصاص عموما، مما يسمح للمرشحات الأصغر بتحقيق نفس مستوى الأداء الذي تحققه الأسرار الكبيرة الحجم.

التكامل الاحتكاري والحد من التعقيد

ويمكن تصنيع هيكل الكربون ذي الطباع 3D كوحدة واحدة ذاتية، مما يزيل الحاجة إلى شاشات الدعم، والموزعين، ونظم دعم الأسرة المعقدة اللازمة لوسائط الإعلام الجمردية، وهذا النهج الأحادي الجانب يبسط تصميم نظام التشغيل، ويقلل من مسارات التسرب المحتملة، ويقلل من متطلبات الصيانة.

تطبيقات عبر الصناعات الرئيسية

وتفتح قابلية تكييف هياكل الكربون المنشطة التي يتم طبعها بثلاثة دمار أبواباً أمام مجموعة واسعة من التطبيقات المتخصصة التي تصل فيها وسائط الإعلام التقليدية إلى حدودها.

معالجة المياه والمياه المستعملة

وفي معالجة المياه البلدية، فإن إزالة الملوثات الناشئة، مثل المواد ذات الفلور والكيلوفلور، والمواد الصيدلانية، وبقايا مبيدات الآفات، تتطلب استيعابا قويا ومرتفعا الأداء. ويمكن تصميم أحاديث الكربون ذات الصبغة 3D بأحجام مصممة خصيصا للأبعاد الجزيئية لهذه الملوثات.

Air and Gas Purification

(ب) إن نوعية الهواء الداخلي ومراقبة الانبعاثات الصناعية تمثل أسواقاً ضخمة للكربون المنشط، أما المركبات العضوية فولاتيل وأكسيد النيتروجين وثاني أكسيد الكبريت فهي أهداف مشتركة.() ويمكن إدماج هياكل الكربون ذات الطباع 3 دال مباشرة في نظم التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، كما أن انخفاض الضغط على هيكل النيتروجين ذو قيمة خاصة في تطبيقات تركيز المادة 3 من المادة الكيميائية، حيث تخفض درجة امتثال المحركات للمركبات.

تخزين الطاقة والاستشعار البيئي

وبالإضافة إلى ذلك، فإن نفس المساحة السطحية والهيكل المخروطي الذي يجعل الكربون المنشط مصمماً ممتازاً يجعله مادة كهرومغناطيسية قيمة لأجهزة الكاباش السطحي وأجهزة التهوية ذات التأثيرات الكهرومغناطيسية العالية، حيث يمكن للطباعة 3D أن تخلق تركيبات للكهرباء السميكة والخردة ذات مسارات نقل إيونية مفضلة، مما قد يزيد كثافة الطاقة وكثافة الطاقة التي تزيلت من أجهزة الكابتها.

إدماج الوظائف الذكية

ومن أكثر الحدود إثارة في التصفية التي تتم بطباعة 3D إدماج الرصد والتحكم التكييفي في الوقت الحقيقي مباشرة في هيكل التصفية، وهذا أمر يصعب للغاية تحقيقه مع وسائط الإعلام الجمردية، ولكن يصبح ممكناً مع التصنيع المضاف.

بواسطة طباعة آثار سلوكية أو دمج عناصر الاستشعار في طبقة الكربون يمكن للمرشح أن يبلغ مستوى التشبع الخاص به، أو اكتشاف انفصال ملوث مستهدف، أو قياس قوة الهيدروجين والايوني في مجرى التغذية، مثلاً، قياس السلوك البسيط عبر خط الكربون يمكن أن يشير إلى مدى تلوثه، كتغيير في خصائص الامتصاص الكهربائي.

وبالإضافة إلى الرصد، يمكن للطباعة 3D أن تيسر إعادة توليد الكربون في الموقع، ومن خلال إدماج عناصر التدفئة المقاومة مباشرة في الاحتكار، يمكن إعادة توليد الكربون حرارياً دون أن يُزال من النظام، وهذا النهج ينقذ الطاقة ويقلل من النفايات ويدعم نموذج الاقتصاد الدائري لوسائط التخريب.

التحديات والحدود التي تواجه التسويق

وعلى الرغم من مزاياه التقنية الكبيرة، فإن الاعتماد الواسع النطاق للكربون المنشط الذي يبلغ 3D يواجه عدة عقبات، والعقبات الأكثر إلحاحا هي التكلفة. والطباعة التي تبلغ 3D أبطأ من العمليات الصناعية العالية التجهيز أو عمليات الإبطال، أما بالنسبة لمصانع معالجة المياه البلدية الكبيرة التي تتطلب أطنان من وسائط الإعلام، فإن التصنيع الإضافي لا يكون حالياً قادراً على المنافسة اقتصادياً، إذ إن تكلفة الإنتاج لكل كيلو غرام من الكربون ذي الحجم الكبير يمكن أن تكون أعلى من ذلك.

فالقابلية للتقسيم هي تحد ذو صلة، ففي حين أن مضخات الطباعة 3D في إنتاج الجيولوجيا المعقدة، فإن رفع الإنتاج من عدد قليل إلى آلاف الوحدات مع الحفاظ على الجودة المتسقة وانخفاض التكلفة يتطلب استثمارا كبيرا في رأس المال في نظم الطباعة الموازية أو الطابعات ذات الشكل الكبير، ويجب أن تخضع المعالجة اللاحقة، ولا سيما خطوات التفكيك والتفعيل، للرقابة الدقيقة لضمان وجود خصائص موحدة في جميع أنحاء الهيكل، ويمكن أن تؤدي البروتوكولات الأكثر برواجا إلى عملية تجهيز أو تفكيكها.

والقابلية للتشغيل الميكانيكية عامل حاسم آخر، ففي حين أن الكربون المنشط مؤهل هيكليا، يجب أن تكون النسخ المطبعة بثلاثة دسم قادرة على تحمل حزمات المناولة، والتدفق السائل، ودورات التجديد الحراري، ويمكن أن تهتز هدايا هيكل البطي، ولا سيما بعد إزالة المربط، وتنشط الكربون، ويستكشف الباحثون استراتيجيات لتحسين التركز، مثل دمج الألياف المضاعفة.

المستقبل توجيهات وجبهة البحوث

ويتقدم مجال الكربون المنشط المطبعة بثلاثة دمار بسرعة، حيث تتجه عدة اتجاهات ناشئة إلى دفع التكنولوجيا إلى المجرى الرئيسي، ويجري تطبيق الاستخبارات الفنية والتعلم الآلي على تحسين قياسات التصفيف، وبدلا من الاعتماد على الحس أو المحاكمة، يمكن للباحثين أن يستخدموا ديناميات السوائل المحسوبة والرموز الوراثية لتوليد هياكل ملاءمة ذات استخدام أمثل.

إن الاستدامة هي المحرك الرئيسي للابتكار، فالبيوك، المستمدة من النفايات الزراعية، أو المخلفات الحرجية، أو غيرها من الكتلة الحيوية، هي سليفة وفرة منخفضة التكلفة للكربون المنشط، ويقوم الباحثون بتطوير المواد الوسيطة التي تجمع بين الفحم الأحيائي والبوليمرات الحيوية للطباعة 3D، مما قد يخلق وسيلة لتوليد الطاقة المتجددة بالكامل، كما أن القدرة على الطباعة عند الطلب تقلل من نفايات المخزون مقارنة بخراطيد الكتريدج.

والطباعة المتعددة المواد هي حدود أخرى، ويجري تطوير نظم يمكن أن تطبع طبقة من أحجام الأحجام أو الكيمياء السطحية في إطار أحادي واحد، مثلا، يمكن أن يكون القسم الأعلى من مرشح ما متفائلا بالنسبة للمركبات الكبيرة من الجسيمات والمركّبات الهيدروفية، بينما يستهدف القسم الفرعي من المجرى المائي كميات أصغر من الملوثات القطبية، وهذا المستوى المتكامل من التخدير البيولوجي، كما أن هذه الطبقات المصغرة،

وسيكون القبول التنظيمي ضرورياً لتغلغل الأسواق، لا سيما في تطبيقات مياه الشرب، ومن الضروري أن يُثبت من خلاله تقييم وسائط الإعلام التي تحمل طباعة ثلاثية الأبعاد مقارنة بالمعايير المقررة، مثل NSF/ANSI 53 أو 61، بناء الثقة مع المرافق والمستهلكين، ومع تزايد التكنولوجيا ونمو مجموعة بيانات الأداء، يصبح الطريق إلى الموافقة التنظيمية أكثر وضوحاً.

خاتمة

وتمثل الابتكارات في هياكل الكربون المنشطة بطبع 3D تقدما كبيرا في علوم التخصيب، إذ إن التحرر من القيود الجغرافية التي تفرضها وسائط الإعلام الجمردية، يتيح التصنيع المضاف إيجاد مرشحات مصممة خصيصا وذات أداء عال تكون أكثر كفاءة وأكثر قابلية للتنبؤ وأكثر ذكاء مما سبقه، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة في رفع مستوى الإنتاج وتخفيض التكاليف، فإن المزايا الفريدة لهذه التكنولوجيا تؤدي بالفعل إلى زيادة قيمة في التطبيقات والتصميمات المتخصصة.