從空氣提取飲用水的人類命題！拆解MOF的3D打印技術(shù)路徑與商業(yè)邏輯

AM易道深度分享

AM易道今天要跟大家聊的這個(gè)項(xiàng)目，表面上看是兩個(gè)德國(guó)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，但它觸碰到的技術(shù)命題，可能會(huì)影響整個(gè)增材制造行業(yè)的應(yīng)用方向。

來(lái)自德國(guó)明斯特應(yīng)用技術(shù)大學(xué)的Louisa Graupe和Julika Schwarz帶來(lái)了一個(gè)叫Water from Air的3D打印原型設(shè)備。

這個(gè)看起來(lái)像水壺的玩意兒，號(hào)稱每天能從空氣中打印出1.6加侖（約6升）的飲用水。

更關(guān)鍵的是，她們說(shuō)設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)完全是3D打印的，而且內(nèi)置的金屬有機(jī)框架材料（MOFs）還能同時(shí)去除污染物。

在AM易道看來(lái)，這個(gè)項(xiàng)目真正的價(jià)值不在于產(chǎn)品本身能否立刻量產(chǎn)，而在于它為我們這個(gè)行業(yè)拋出了一個(gè)極具價(jià)值的問(wèn)題：

我們?nèi)绾螌?shí)驗(yàn)室里能夠在10%濕度下就能吸水的神奇MOFs粉末，通過(guò)增材制造這個(gè)靈活的工具，轉(zhuǎn)化成解決人類實(shí)際問(wèn)題的硬件？

MOFs：為什么是大氣取水的理想材料

先說(shuō)說(shuō)MOFs為什么這么厲害。

金屬有機(jī)框架是一類孔隙率極高、比表面積可達(dá)7000平方米每克的多孔晶體材料。

打個(gè)比方，一克MOF材料展開(kāi)后的表面積相當(dāng)于一個(gè)足球場(chǎng)。

但真正讓MOFs成為大氣取水明星的，是它們獨(dú)特的S型吸附曲線。

傳統(tǒng)的硅膠需要較高濕度才能吸水，沸石雖然在低濕度下也能工作，但要150°C以上才能把水放出來(lái)，能耗太高。

MOF-801這樣的材料只需要在環(huán)境溫度（25°C）和輕微加熱（45-65°C）之間切換，就能完成一次完整的吸附-解吸循環(huán)。

這意味著什么？意味著你可以用太陽(yáng)能這種低品位熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)。

2017年，Yaghi團(tuán)隊(duì)首次展示了使用MOF-801的大氣取水設(shè)備，在20%相對(duì)濕度下實(shí)現(xiàn)了每公斤MOF每天0.24升的產(chǎn)水量。

而現(xiàn)在，最新的Ni2Cl2(BTDD)材料已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)每天3.5升每公斤MOF的產(chǎn)水量，性能提升了14倍。

3D打印在這里解決了什么問(wèn)題？

MOFs材料通常是粉末狀的。

你要把它做成某種層狀的床來(lái)使用，但如果床層太厚，空氣很難快速滲透；

加熱解吸時(shí)，熱量也很難均勻傳遞。這就是傳熱傳質(zhì)的瓶頸。

3D打印恰好能解決這個(gè)問(wèn)題。

通過(guò)增材制造，特別是光固化或選擇性激光燒結(jié)等高精度技術(shù)，可以制造出極其復(fù)雜的多孔支架或微流道結(jié)構(gòu)。

這種結(jié)構(gòu)極大增加了MOFs與空氣的接觸面積，同時(shí)薄壁、通透的設(shè)計(jì)讓熱量能迅速穿透。

但這里有個(gè)技術(shù)難題：你不能簡(jiǎn)單地把MOFs粉末和塑料混在一起打印。

如果直接將MOFs與ABS等熱塑性塑料混合進(jìn)行FDM打印，聚合物會(huì)像保鮮膜一樣把MOFs的微孔全部封死。

3D打印的四條技術(shù)路徑

根據(jù)AM易道的技術(shù)調(diào)研，目前行業(yè)內(nèi)探索3D打印MOFs主要有這么幾條路：

第一是漿料擠出。

把MOFs粉末和少量粘合劑混合成高粘度墨水，通過(guò)微型噴嘴直接打印，最后燒結(jié)固化。

這種方法MOF負(fù)載量最高，但設(shè)備和工藝要求特殊。

第二是光固化路線。

將MOFs納米顆粒分散在光敏樹脂中。比如將HKUST-1納米顆粒分散在含有丙烯酸酯單體和光引發(fā)劑的樹脂中，用DLP打印機(jī)制造復(fù)合材料。

但MOFs會(huì)散射紫外光，影響固化深度。

第三是原位生長(zhǎng)。

先打印一個(gè)聚合物支架，然后把它浸泡在MOFs的前驅(qū)體溶液中，讓MOFs晶體直接在支架表面生長(zhǎng)。

這樣MOFs的孔隙完全暴露，活性最高。

第四是復(fù)合長(zhǎng)絲。

美國(guó)NIST的研究表明，ZIF-8/ABS復(fù)合材料在3D打印后仍能保持MOF的氣體吸附特性，雖然性能有所下降，但對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)景已經(jīng)夠用。

還有粉末床（SLS/BinderJetting），我們認(rèn)為理論上可行，但將MOFs粉末與聚合物粉末（如PA12）混合進(jìn)行燒結(jié)，同樣面臨孔隙堵塞和界面結(jié)合力的問(wèn)題。

本文案例用的是哪條技術(shù)工藝路線？

根據(jù)官方給出的宣傳圖，我們推測(cè)她們很可能采用了光固化結(jié)合復(fù)合長(zhǎng)絲FDM打印。

無(wú)論她們用了哪種，這都表明，該項(xiàng)目的核心技術(shù)壁壘似乎不在于那個(gè)法外形設(shè)計(jì)，而在于MOF-聚合物復(fù)合材料的制備與增材制造工藝的匹配。

產(chǎn)能悖論：1.6加侖/天與2小時(shí)循環(huán)的工程可行性

聊完理論，咱們來(lái)算筆賬

根據(jù)官方給出的數(shù)據(jù)：

總產(chǎn)能：1.6加侖（約6升）/天。

單次循環(huán)：2小時(shí)，產(chǎn)水17液盎司（約0.5升）。

這兩個(gè)數(shù)字一除，我們可以算出：設(shè)備每天需要運(yùn)行12次循環(huán)。

2小時(shí)一個(gè)循環(huán)（包括吸附和解吸）！

在被動(dòng)式系統(tǒng)中，一個(gè)循環(huán)通常需要24小時(shí)。

即使主動(dòng)式系統(tǒng)，2小時(shí)也算非常快了。

這意味著設(shè)備需要強(qiáng)制通風(fēng)和主動(dòng)加熱，與"便攜、靈活"的定位有些矛盾。

WaterfromAir的原型機(jī)提到了一個(gè)操作：（頂蓋）關(guān)閉后，設(shè)備開(kāi)始升溫，觸發(fā)冷凝過(guò)程。

我們?cè)賮?lái)看1.6加侖（6升）這個(gè)數(shù)字。

目前學(xué)術(shù)界頂尖的MOFAWH原型機(jī)，其產(chǎn)水率（LPD，Litersperday）通常是按每公斤MOF材料來(lái)計(jì)算的。

頂尖的材料在理想條件下（比如主動(dòng)循環(huán)），也許能做到3-5L左右。

如果要達(dá)到6升/天的產(chǎn)量，這個(gè)小小的便攜設(shè)備里，至少要填充1-2公斤的MOFs粉末。

這對(duì)于一個(gè)便攜式設(shè)備來(lái)說(shuō)，重量和成本都不低。

因此，一個(gè)更合理的推測(cè)是：Graupe和Schwarz展示的1.6加侖，是一個(gè)理論峰值或理想工況下的推算值（比如在高濕度環(huán)境下、24小時(shí)不間斷主動(dòng)循環(huán)）。

這更像是一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，而非當(dāng)前原型的穩(wěn)定實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

正如Schwarz本人回應(yīng)的：材料仍處于研究階段。

去中心化制造與濾水的終極拷問(wèn)

最后，我們來(lái)談?wù)勥@個(gè)項(xiàng)目的戰(zhàn)略意義。

Graupe和Schwarz的思路很清晰：

她們的目標(biāo)是通過(guò)一個(gè)用戶友好、自給自足的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，來(lái)展示這種新型材料（MOF）的潛力。

她們的動(dòng)機(jī)是解決全球水資源不平等問(wèn)題。

這里面最顛覆性的，官方提到：

由于設(shè)計(jì)文件是數(shù)字存儲(chǔ)的，世界各地的社區(qū)可以在本地打印他們自己的設(shè)備，無(wú)需集中的分銷系統(tǒng)。

這指向了去中心化制造或分布式制造的終極圖景。

在傳統(tǒng)模式下，一個(gè)AWH設(shè)備需要開(kāi)模、建廠、量產(chǎn)、鋪設(shè)全球供應(yīng)鏈。

而在這個(gè)新模式下，3D打印徹底重塑了價(jià)值鏈。

設(shè)備的主體（外殼、支架、結(jié)構(gòu)件）可以在全球任何一個(gè)擁有3D打印機(jī)的地方按需生產(chǎn)，極大地降低了物流成本和固定資產(chǎn)投入。

當(dāng)然，核心的耗材，即MOFs材料或MOF復(fù)合線材/樹脂——很可能還是需要集中生產(chǎn)和配送的。

但這已經(jīng)從賣重資產(chǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)變成了賣高附加值耗材（或材料包）的輕資產(chǎn)模式。

這對(duì)于快速響應(yīng)偏遠(yuǎn)地區(qū)或?yàn)?zāi)害地區(qū)的水需求，具有重大的戰(zhàn)略意義。

商業(yè)化天花板

IDTechEx預(yù)測(cè)，MOFs市場(chǎng)將在未來(lái)十年增長(zhǎng)30倍，到2034年達(dá)到6.85億美元。

一個(gè)名為Atoco公司已經(jīng)在內(nèi)華達(dá)州展示，一個(gè)5米×5米的中型大氣取水站每天可以產(chǎn)生3000升水。

順便提一嘴，這個(gè)公司的創(chuàng)始人是著名的Yaghi教授，2025年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主。

對(duì)3D打印行業(yè)來(lái)說(shuō)，我們認(rèn)為機(jī)會(huì)不僅在于制造設(shè)備本身，更在于開(kāi)發(fā)MOF復(fù)合材料的打印工藝。

誰(shuí)能率先解決MOFs與聚合物基體的相容性問(wèn)題，誰(shuí)就能在這個(gè)新興市場(chǎng)占據(jù)先機(jī)。

除了大氣取水，MOFs在碳捕獲、HVAC系統(tǒng)、化學(xué)分離等領(lǐng)域的應(yīng)用都需要復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。

還記得我們?cè)谠L談中，業(yè)界知名投資人提到的比表面積問(wèn)題嗎？

這些都是增材制造的天然應(yīng)用場(chǎng)景。

總的來(lái)說(shuō)，Water from Air項(xiàng)目，敏銳地抓住了三個(gè)時(shí)代的脈搏：

全球水危機(jī)、先進(jìn)材料MOFs和增材制造。

它在工程上提出的（1.6加侖/天+2小時(shí)循環(huán)）的性能指標(biāo)，是設(shè)備小型化、高效化的終極目標(biāo)。

項(xiàng)目的價(jià)值不在于產(chǎn)品本身是否能立刻上市，我們認(rèn)為，在于它向材料科學(xué)界、增材制造界和投融資界提出了一個(gè)極具價(jià)值的命題：

我們?nèi)绾螌?shí)驗(yàn)室里的神奇大氣取水的核心材料（MOFs），通過(guò)增材制造這個(gè)靈活的工具，轉(zhuǎn)化成解決人類實(shí)際問(wèn)題的、可負(fù)擔(dān)的、可分布式的水資源解決方案？

這個(gè)原型機(jī)，就是對(duì)這個(gè)問(wèn)題的一份答卷。

AM易道期待更多的中國(guó)答案。

關(guān)注AM易道，讀懂3D打印的變化之道。

A

MYD.C

N

您可以在網(wǎng)頁(yè)上讀到公測(cè)版AM易道了！早期注冊(cè)用戶和私信提交bug者會(huì)有隱藏福利！

招聘全職編輯：5年以上3D打印行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，不限專業(yè)方向。期待與有深度思考能力、文字能力和創(chuàng)作興趣的小伙伴合作，共同打造優(yōu)質(zhì)內(nèi)容。有意者請(qǐng)加yihanzhong詳聊。

深度內(nèi)容投稿：

歡迎向AM易道投稿，歡迎關(guān)于3D打印的深度原創(chuàng)內(nèi)容，

有意者請(qǐng)加yihanzhong詳聊。

企業(yè)合伙計(jì)劃：

讀者加群提示：添加amyidao加入讀者交流群（備注加群），獲取原始信源鏈接或不便發(fā)表內(nèi)容，并與AM易道同頻讀者共同探討3D打印的一切，AM易道建議讀者星標(biāo)公眾號(hào)，第一時(shí)間收到AM易道更新。

鄭重免責(zé)聲明：AM易道圖片視頻來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)，僅作為輔助閱讀之用途，無(wú)商業(yè)目的。版權(quán)歸原作者所有，如有任何侵權(quán)行為，請(qǐng)權(quán)利人及時(shí)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除。本文圖片版權(quán)歸版權(quán)方所有，AM易道水印為自動(dòng)添加，輔助閱讀，不代表對(duì)該圖片擁有版權(quán)，如需使用圖片，請(qǐng)自行咨詢版權(quán)相關(guān)方。AM易道文章不構(gòu)成任何投資建議，不對(duì)因使用本文信息而導(dǎo)致的任何直接或間接損失承擔(dān)責(zé)任。