Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Gevorderde Materiale en Chemiese Ingenieurswese, Universiteit van Wetenskap en Tegnologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Gevorderde Materiale en Chemiese Ingenieurswese, Universiteit van Wetenskap en Tegnologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Gevorderde Materiale en Chemiese Ingenieurswese, Universiteit van Wetenskap en Tegnologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Gevorderde Materiale en Chemiese Ingenieurswese, Universiteit van Wetenskap en Tegnologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Gevorderde Materiale en Chemiese Ingenieurswese, Universiteit van Wetenskap en Tegnologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek van Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Centre, Ulsan, 44429, Republiek van Korea
Gevorderde Materiale en Chemiese Ingenieurswese, Universiteit van Wetenskap en Tegnologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek van Korea
Gebruik die skakel hieronder om die volledige teks weergawe van hierdie artikel met jou vriende en kollegas te deel.leer meer.
As gevolg van die koronaviruspandemie en kwessies wat verband hou met deeltjies (PM) in die lug, het die vraag na maskers eksponensieel gegroei.Tradisionele maskerfilters gebaseer op statiese elektrisiteit en nano-sif is egter almal weggooibaar, nie-afbreekbaar of herwinbaar, wat ernstige afvalprobleme sal veroorsaak.Boonop sal eersgenoemde sy funksie onder vogtige toestande verloor, terwyl laasgenoemde met 'n beduidende lugdrukval sal funksioneer en relatief vinnige porieëverstopping sal voorkom.Hier is 'n bioafbreekbare, vogbestande, hoogs asemende, hoëprestasieveselmaskerfilter ontwikkel.Kortom, twee bioafbreekbare ultrafyn vesels en nanoveselmatte word in die Janus-membraanfilter geïntegreer, en dan bedek met kationies-gelaaide chitosan-nanowhiskers.Hierdie filter is so doeltreffend soos die kommersiële N95-filter en kan 98,3% van 2,5 µm PM verwyder.Nanovesels sif fyn deeltjies fisies af, en ultrafyn vesels verskaf 'n lae drukverskil van 59 Pa, wat geskik is vir menslike asemhaling.In teenstelling met die skerp afname in werkverrigting van kommersiële N95-filters wanneer dit aan vog blootgestel word, is die werkverrigtingverlies van hierdie filter weglaatbaar, dus kan dit verskeie kere gebruik word omdat die permanente dipool van chitosan ultrafyn PM (byvoorbeeld stikstof) adsorbeer.En swaeloksiede).Dit is belangrik dat hierdie filter binne 4 weke heeltemal in die gekomposteerde grond ontbind.
Die huidige ongekende koronaviruspandemie (COVID-19) dryf 'n groot vraag na maskers.[1] Die Wêreldgesondheidsorganisasie (WGO) skat dat 89 miljoen mediese maskers vanjaar elke maand benodig word.[1] Gesondheidswerkers het nie net hoëdoeltreffende N95-maskers nodig nie, maar algemene doelmaskers vir alle individue het ook onontbeerlike daaglikse toerusting geword vir die voorkoming van hierdie respiratoriese aansteeklike siekte.[1] Daarbenewens beveel relevante ministeries die gebruik van weggooibare maskers elke dag sterk aan, [1] dit het gelei tot omgewingsprobleme wat verband hou met groot hoeveelhede maskerafval.
Aangesien deeltjies (PM) tans die mees problematiese lugbesoedelingsprobleem is, het maskers die doeltreffendste teenmaatreël wat vir individue beskikbaar is, geword.PM word in PM2.5 en PM10 verdeel volgens die deeltjiegrootte (2.5 en 10μm onderskeidelik), wat die natuurlike omgewing [2] en die kwaliteit van menslike lewe op verskeie maniere ernstig beïnvloed.[2] Elke jaar veroorsaak PM 4,2 miljoen sterftes en 103,1 miljoen ongeskiktheidsaangepaste lewensjare.[2] PM2.5 hou 'n besonder ernstige bedreiging vir gesondheid in en word amptelik aangewys as 'n groep I karsinogeen.[2] Daarom is dit tydig en belangrik om 'n doeltreffende maskerfilter in terme van lugdeurlaatbaarheid en PM-verwydering na te vors en te ontwikkel.[3]
Oor die algemeen vang tradisionele veselfilters PM op twee verskillende maniere op: deur fisiese sif gebaseer op nanovesels en elektrostatiese adsorpsie gebaseer op mikrovesels (Figuur 1a).Die gebruik van nanovesel-gebaseerde filters, veral elektrospin nanovesel matte, het bewys dat dit 'n doeltreffende strategie is om PM te verwyder, wat die gevolg is van uitgebreide materiaalbeskikbaarheid en beheerbare produkstruktuur.[3] Die nanoveselmat kan deeltjies van die teikengrootte verwyder, wat veroorsaak word deur die grootteverskil tussen die deeltjies en die porieë.[3] Nanoskaalvesels moet egter dig gestapel word om uiters klein porieë te vorm, wat skadelik is vir gemaklike menslike asemhaling as gevolg van die gepaardgaande hoë drukverskil.Boonop sal die klein gaatjies onvermydelik relatief vinnig geblokkeer word.
Aan die ander kant word die gesmelte ultrafyn veselmat elektrostaties gelaai deur 'n hoë-energie elektriese veld, en baie klein deeltjies word deur elektrostatiese adsorpsie gevang.[4] As 'n verteenwoordigende voorbeeld is die N95-asemhalingstoestel 'n deeltjiefiltrerende gesigmasker-asemhalingstoestel wat aan die vereistes van die Nasionale Instituut vir Beroepsveiligheid en Gesondheid voldoen omdat dit ten minste 95% van lugdeeltjies kan filtreer.Hierdie tipe filter absorbeer ultrafyn PM, wat gewoonlik saamgestel is uit anioniese stowwe soos SO42− en NO3−, deur sterk elektrostatiese aantrekking.Die statiese lading op die oppervlak van die veselmat word egter maklik in 'n vogtige omgewing verdryf, soos gevind in vogtige menslike asemhaling, [4] wat 'n afname in adsorpsiekapasiteit tot gevolg het.
Ten einde filtrasieprestasie verder te verbeter of die afweging tussen verwyderingsdoeltreffendheid en drukval op te los, word filters gebaseer op nanovesels en mikrovesels gekombineer met hoë-k-materiale, soos koolstofmateriale, metaalorganiese raamwerke en PTFE-nanopartikels.[4] Die onsekere biologiese toksisiteit en ladingverwydering van hierdie bymiddels is egter steeds onvermydelike probleme.[4] Veral hierdie twee tipes tradisionele filters is gewoonlik nie-afbreekbaar nie, dus sal hulle uiteindelik in stortingsterreine begrawe of na gebruik verbrand word.Daarom is die ontwikkeling van verbeterde maskerfilters om hierdie afvalprobleme op te los en terselfdertyd PM op 'n bevredigende en kragtige wyse vas te vang, 'n belangrike huidige behoefte.
Om bogenoemde probleme op te los, het ons 'n Janus-membraanfilter vervaardig wat geïntegreer is met poli(butileensuksinaat)-gebaseerde (PBS-gebaseerde)[5] mikrovesel- en nanoveselmatte.Die Janus membraan filter is bedek met chitosan nano snorhare (CsWs) [5] (Figuur 1b).Soos ons almal weet, is PBS 'n verteenwoordigende bio-afbreekbare polimeer, wat ultrafyn vesel en nanovesel-nonwovens kan produseer deur elektrospin.Nanoskaalvesels vang PM fisies vas, terwyl mikroskaal nanovesels drukval verminder en as 'n CsW-raamwerk optree.Chitosan is 'n bio-gebaseerde materiaal wat bewys is dat dit goeie biologiese eienskappe het, insluitend bioversoenbaarheid, bioafbreekbaarheid en relatief lae toksisiteit, [5] wat die angs wat verband hou met toevallige inaseming van gebruikers kan verminder.[5] Boonop het chitosan kationiese plekke en polêre amiedgroepe.[5] Selfs onder vogtige toestande kan dit polêre ultrafyn deeltjies (soos SO42- en NO3-) lok.
Hier rapporteer ons 'n bioafbreekbare, hoë doeltreffendheid, vogbestande en laedrukvalmaskerfilter gebaseer op geredelik beskikbare bioafbreekbare materiale.As gevolg van die kombinasie van fisiese sif en elektrostatiese adsorpsie, het die CsW-bedekte mikrovesel/nanovesel geïntegreerde filter 'n hoë PM2.5 verwyderingsdoeltreffendheid (tot 98%), en terselfdertyd is die maksimum drukval op die dikste filter slegs Dit is 59 Pa, geskik vir menslike asemhaling.In vergelyking met die beduidende prestasie-agteruitgang wat deur die N95 kommersiële filter vertoon word, toon hierdie filter 'n geringe verlies aan PM verwyderingsdoeltreffendheid (<1%) selfs wanneer dit heeltemal nat is, as gevolg van die permanente CsW-lading.Boonop is ons filters binne 4 weke heeltemal bioafbreekbaar in gekomposteerde grond.In vergelyking met ander studies met soortgelyke konsepte, waarin die filterdeel uit bioafbreekbare materiale saamgestel is, of beperkte werkverrigting in potensiële biopolimeer-niegeweefde toepassings toon, [6] toon hierdie filter direk die bioafbreekbaarheid van gevorderde kenmerke (film S1, ondersteunende inligting).
As 'n komponent van die Janus membraanfilter is nanovesel en superfyn vesel PBS matte eers voorberei.Daarom is 11% en 12% PBS-oplossings elektrogespin om onderskeidelik nanometer- en mikrometervesels te produseer, as gevolg van hul verskil in viskositeit.[7] Die gedetailleerde inligting van die oplossingseienskappe en optimale elektrospintoestande word in Tabelle S1 en S2 in die ondersteunende inligting gelys.Aangesien die soos gespin vesel steeds oorblywende oplosmiddel bevat, word 'n bykomende waterkoagulasiebad by 'n tipiese elektrospintoestel gevoeg, soos in Figuur 2a getoon.Daarbenewens kan die waterbad ook die raam gebruik om die gestolde suiwer PBS-veselmat te versamel, wat verskil van die soliede matriks in die tradisionele omgewing (Figuur 2b).[7] Die gemiddelde veseldiameters van die mikrovesel- en nanoveselmatte is onderskeidelik 2.25 en 0.51 µm, en die gemiddelde porieë deursnee is onderskeidelik 13.1 en 3.5 µm (Figuur 2c, d).Aangesien die 9:1 chloroform/etanol oplosmiddel vinnig verdamp nadat dit uit die spuitstuk vrygestel is, neem die viskositeitsverskil tussen 11 en 12 gew.% oplossings vinnig toe (Figuur S1, ondersteunende inligting).[7] Daarom kan 'n konsentrasieverskil van slegs 1 gew.% 'n beduidende verandering in veseldeursnee veroorsaak.
Voordat die filterwerkverrigting nagegaan is (Figuur S2, ondersteunende inligting), om verskeie filters redelik te vergelyk, is elektrogespunde nonwovens van standaarddikte vervaardig, want die dikte is 'n belangrike faktor wat die drukverskil en filtrasiedoeltreffendheid van die filterprestasie beïnvloed.Aangesien nie-geweefde materiaal sag en poreus is, is dit moeilik om die dikte van elektrospin-nie-geweefde materiaal direk te bepaal.Die dikte van die stof is oor die algemeen eweredig aan die oppervlakdigtheid (gewig per oppervlakte-eenheid, basisgewig).Daarom gebruik ons in hierdie studie basisgewig (gm-2) as 'n effektiewe maatstaf van dikte.[8] Die dikte word beheer deur die elektrospintyd te verander, soos getoon in Figuur 2e.Soos die spintyd van 1 minuut tot 10 minute toeneem, neem die dikte van die mikroveselmat toe tot onderskeidelik 0.2, 2.0, 5.2 en 9.1 gm-2.Op dieselfde manier is die dikte van die nanoveselmat verhoog tot onderskeidelik 0,2, 1,0, 2,5 en 4,8 gm-2.Mikrovesel- en nanoveselmatte word deur hul diktewaardes (gm-2) aangewys as: M0.2, M2.0, M5.2 en M9.1, en N0.2, N1.0, N2.5 en N4. 8.
Die lugdrukverskil (ΔP) van die hele monster is 'n belangrike aanduiding van filterprestasie.[9] Asemhaling deur 'n filter met 'n hoë drukval is ongemaklik vir die gebruiker.Natuurlik word waargeneem dat die drukval toeneem soos die dikte van die filter toeneem, soos getoon in Figuur S3, ondersteunende inligting.Die nanoveselmat (N4.8) toon 'n hoër drukval as die mikrovesel (M5.2) mat teen 'n vergelykbare dikte omdat die nanoveselmat kleiner porieë het.Soos die lug deur die filter beweeg teen 'n spoed tussen 0,5 en 13,2 ms-1, neem die drukval van die twee verskillende tipes filters geleidelik toe van 101 Pa tot 102 Pa. Die dikte moet geoptimaliseer word om die drukval en PM-verwydering te balanseer doeltreffendheid;'n lugsnelheid van 1,0 ms-1 is redelik omdat die tyd wat dit neem vir mense om deur die mond asem te haal, ongeveer 1,3 ms-1 is.[10] In hierdie verband is die drukval van M5.2 en N4.8 aanvaarbaar teen 'n lugsnelheid van 1.0 ms-1 (minder as 50 Pa) (Figuur S4, ondersteunende inligting).Neem asseblief kennis dat die drukval van N95 en soortgelyke Koreaanse filterstandaard (KF94) maskers onderskeidelik 50 tot 70 Pa is.Verdere CsW-verwerking en mikro/nano-filterintegrasie kan lugweerstand verhoog;daarom, om drukvalmarge te verskaf, het ons N2.5 en M2.0 ontleed voordat ons M5.2 en N4.8 ontleed het.
Teen 'n teiken lugsnelheid van 1.0 ms-1 is die verwyderingsdoeltreffendheid van PM1.0, PM2.5 en PM10 van PBS mikrovesel en nanovesel matte bestudeer sonder statiese lading (Figuur S5, ondersteunende inligting).Daar word waargeneem dat die doeltreffendheid van PM-verwydering oor die algemeen toeneem met die toename in dikte en PM-grootte.Die verwyderingsdoeltreffendheid van N2.5 is beter as M2.0 as gevolg van sy kleiner porieë.Die verwyderingsdoeltreffendheid van M2.0 vir PM1.0, PM2.5 en PM10 was onderskeidelik 55.5%, 64.6% en 78.8%, terwyl die soortgelyke waardes van N2.5 71.9%, 80.1% en 89.6% was (Figuur) 2f).Ons het opgemerk dat die grootste verskil in doeltreffendheid tussen M2.0 en N2.5 PM1.0 is, wat aandui dat die fisiese sif van die mikroveselmaas effektief is vir mikronvlak PM, maar nie effektief vir nanovlak PM nie (Figuur S6, ondersteunende inligting)., M2.0 en N2.5 toon albei 'n lae PM-vangvermoë van minder as 90%.Daarbenewens kan N2.5 meer vatbaar wees vir stof as M2.0, omdat stofdeeltjies maklik die kleiner porieë van N2.5 kan blokkeer.In die afwesigheid van statiese lading, is fisiese sif beperk in sy vermoë om die vereiste drukval en verwyderingsdoeltreffendheid terselfdertyd te bereik as gevolg van die uitruilverhouding tussen hulle.
Elektrostatiese adsorpsie is die mees gebruikte metode om PM op 'n doeltreffende manier vas te vang.[11] Oor die algemeen word statiese lading met geweld toegepas op die nie-geweefde filter deur 'n hoë-energie elektriese veld;hierdie statiese lading word egter maklik onder vogtige toestande verdryf, wat lei tot die verlies aan PM-vangvermoë.[4] As 'n bio-gebaseerde materiaal vir elektrostatiese filtrasie, het ons 200 nm lank en 40 nm wyd CsW bekendgestel;vanweë hul ammoniumgroepe en polêre amiedgroepe bevat hierdie nanowhiskers permanente kationiese ladings.Die beskikbare positiewe lading op die oppervlak van CsW word voorgestel deur sy zeta potensiaal (ZP);CsW word in water met 'n pH van 4.8 versprei, en hul ZP is gevind +49.8 mV te wees (Figuur S7, ondersteunende inligting).
CsW-bedekte PBS-mikrovesels (ChM's) en nanovesels (ChN's) is voorberei deur 'n eenvoudige dompelbedekking in 0.2 wt% CsW-waterdispersie, wat die toepaslike konsentrasie is om die maksimum hoeveelheid CsW's aan die oppervlak van PBS-vesels te heg, soos getoon in die figuur Getoon in Figuur 3a en Figuur S8, ondersteunende inligting.Die stikstofenergie dispersiewe X-straalspektroskopie (EDS) beeld toon dat die oppervlak van die PBS-vesel eenvormig bedek is met CsW-deeltjies, wat ook sigbaar is in die skandeerelektronmikroskoop (SEM)-beeld (Figuur 3b; Figuur S9, ondersteunende inligting) .Boonop stel hierdie Hierdie coating-metode gelaaide nanomateriale in staat om die veseloppervlak fyn toe te draai, waardeur die elektrostatiese PM-verwyderingsvermoë maksimeer word (Figuur S10, ondersteunende inligting).
Die PM verwydering doeltreffendheid van ChM en ChN is bestudeer (Figuur 3c).M2.0 en N2.5 is met CsW bedek om ChM2.0 en ChN2.5 onderskeidelik te produseer.Die verwyderingsdoeltreffendheid van ChM2.0 vir PM1.0, PM2.5 en PM10 was onderskeidelik 70.1%, 78.8% en 86.3%, terwyl die soortgelyke waardes van ChN2.5 onderskeidelik 77.0%, 87.7% en 94.6% was.Die CsW-bedekking verbeter die verwyderingsdoeltreffendheid van M2.0 en N2.5 aansienlik, en die effek wat waargeneem word vir effens kleiner PM is meer betekenisvol.In die besonder, chitosan nanowhiskers het die verwyderingsdoeltreffendheid van M2.0 se PM0.5 en PM1.0 met onderskeidelik 15% en 13% verhoog (Figuur S11, ondersteunende inligting).Alhoewel M2.0 moeilik is om die kleiner PM1.0 uit te sluit as gevolg van sy relatief wye fibrilspasiëring (Figuur 2c), adsorbeer ChM2.0 PM1.0 omdat die katione en amiede in CsW's deur ioon-ioon gaan, wat Pool-ioon-interaksie koppel , en dipool-dipool interaksie met stof.As gevolg van sy CsW-bedekking is die PM-verwyderingsdoeltreffendheid van ChM2.0 en ChN2.5 so hoog soos dié van dikker M5.2 en N4.8 (Tabel S3, ondersteunende inligting).
Interessant genoeg, hoewel die doeltreffendheid van die verwydering van PM aansienlik verbeter word, beïnvloed die CsW-bedekking skaars die drukval.Die drukval van ChM2.0 en ChN2.5 het effens toegeneem tot 15 en 23 Pa, byna die helfte van die toename wat waargeneem is vir M5.2 en N4.8 (Figuur 3d; Tabel S3, ondersteunende inligting).Daarom is coating met bio-gebaseerde materiale 'n geskikte metode om aan die prestasievereistes van twee basiese filters te voldoen;dit wil sê PM verwydering doeltreffendheid en lugdruk verskil, wat wedersyds uitsluitend is.Die PM1.0 en PM2.5 verwyderingsdoeltreffendheid van ChM2.0 en ChN2.5 is egter albei laer as 90%;natuurlik moet hierdie prestasie verbeter word.
'n Geïntegreerde filtrasiestelsel wat uit veelvuldige membrane saamgestel is met geleidelik veranderende veseldiameters en poriegroottes kan bogenoemde probleme oplos [12].Die geïntegreerde lugfilter het die voordele van twee verskillende nanovesels en superfyn veselnette.In hierdie verband word ChM en ChN eenvoudig gestapel om geïntegreerde filters (Int-MNs) te produseer.Byvoorbeeld, Int-MN4.5 word voorberei deur ChM2.0 en ChN2.5 te gebruik, en sy werkverrigting word vergelyk met ChN4.8 en ChM5.2 wat soortgelyke oppervlaktedigthede het (dws dikte).In die PM verwydering doeltreffendheid eksperiment, is die ultrafyn vesel kant van Int-MN4.5 blootgestel in die stowwerige kamer omdat die ultrafyn vesel kant was meer bestand teen verstopping as die nanovesel kant.Soos getoon in Figuur 4a, toon Int-MN4.5 beter PM verwydering doeltreffendheid en druk verskil as twee enkel-komponent filters, met 'n drukval van 37 Pa, wat soortgelyk is aan ChM5.2 en baie laer as ChM5.2 ChN4.8. Daarbenewens is die PM1.0 verwyderingsdoeltreffendheid van Int-MN4.5 91% (Figuur 4b).Aan die ander kant het ChM5.2 nie so 'n hoë PM1.0 verwyderingsdoeltreffendheid getoon nie omdat sy porieë groter is as dié van Int-MN4.5.
Postyd: Nov-03-2021
