Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Република Корея
Корейски институт по химични технологии (KRICT) Изследователски център за биологична химия, Улсан, 44429, Република Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Република Корея
Използвайте връзката по-долу, за да споделите пълната текстова версия на тази статия с вашите приятели и колеги.Научете повече.
Поради пандемията от коронавирус и проблемите, свързани с праховите частици (PM) във въздуха, търсенето на маски нарасна експоненциално.Въпреки това традиционните филтри за маски, базирани на статично електричество и нано сито, са за еднократна употреба, не се разграждат или рециклират, което ще причини сериозни проблеми с отпадъците.В допълнение, първият ще загуби своята функция при влажни условия, докато вторият ще работи със значителен спад на налягането на въздуха и ще настъпи относително бързо запушване на порите.Тук е разработен биоразградим, влагоустойчив, дишащ, високоефективен филтър за маска от влакна.Накратко, две биоразградими ултрафини влакна и нанофибърни подложки са интегрирани в мембранния филтър Janus и след това са покрити с катионно заредени хитозанови нановискери.Този филтър е също толкова ефективен, колкото търговския филтър N95 и може да отстрани 98,3% от 2,5 µm PM.Нановлакната физически пресяват фините частици, а ултрафините влакна осигуряват ниска разлика в налягането от 59 Ра, което е подходящо за дишане при хора.Противно на рязкото намаляване на производителността на търговските филтри N95, когато са изложени на влага, загубата на производителност на този филтър е незначителна, така че може да се използва многократно, тъй като постоянният дипол на хитозана адсорбира ултрафините прахови частици (например азот).и серни оксиди).Важно е този филтър да се разложи напълно в компостираната почва в рамките на 4 седмици.
Настоящата безпрецедентна пандемия от коронавирус (COVID-19) води до огромно търсене на маски.[1] Световната здравна организация (СЗО) изчислява, че тази година са необходими 89 милиона медицински маски всеки месец.[1] Не само, че здравните специалисти се нуждаят от високоефективни маски N95, но маските с общо предназначение за всички индивиди също се превърнаха в незаменимо ежедневно оборудване за превенция на това респираторно инфекциозно заболяване.[1] Освен това съответните министерства силно препоръчват използването на маски за еднократна употреба всеки ден, [1] това доведе до екологични проблеми, свързани с големи количества отпадъци от маски.
Тъй като праховите частици (PM) в момента са най-проблемният проблем със замърсяването на въздуха, маските се превърнаха в най-ефективната противодействаща мярка, достъпна за хората.PM са разделени на PM2.5 и PM10 според размера на частиците (съответно 2.5 и 10 μm), което сериозно засяга природната среда [2] и качеството на човешкия живот по различни начини.[2] Всяка година PM причинява 4,2 милиона смъртни случая и 103,1 милиона години живот с коригирана инвалидност.[2] PM2.5 представляват особено сериозна заплаха за здравето и са официално определени като канцероген от група I.[2] Следователно е навременно и важно да се изследва и разработи ефективен филтър за маска по отношение на пропускливостта на въздуха и отстраняването на прахови частици.[3]
Най-общо казано, традиционните влакнести филтри улавят PM по два различни начина: чрез физическо пресяване на базата на нановлакна и електростатична адсорбция на базата на микрофибри (Фигура 1а).Използването на филтри, базирани на нановлакна, особено електроспудни подложки от нановлакна, се оказа ефективна стратегия за отстраняване на прахови частици, което е резултат от обширната наличност на материала и контролируемата структура на продукта.[3] Нанофибърната подложка може да премахне частици с целевия размер, което се дължи на разликата в размера между частиците и порите.[3] Наномащабните влакна обаче трябва да бъдат плътно подредени, за да образуват изключително малки пори, които са вредни за комфортното дишане на човека поради свързаната висока разлика в налягането.В допълнение, малките дупки неизбежно ще бъдат блокирани относително бързо.
От друга страна, издуханата от стопилка ултрафина влакнеста подложка е електростатично заредена от високоенергийно електрическо поле и много малки частици се улавят чрез електростатична адсорбция.[4] Като представителен пример, респираторът N95 е респиратор с маска за лице с филтриране на частици, който отговаря на изискванията на Националния институт по безопасност и здраве при работа, тъй като може да филтрира най-малко 95% от частиците във въздуха.Този тип филтър абсорбира ултрафините прахови частици, които обикновено се състоят от анионни вещества като SO42− и NO3−, чрез силно електростатично привличане.Въпреки това, статичният заряд на повърхността на влакнестия мат лесно се разсейва във влажна среда, като например при влажно човешко дишане, [4] което води до намаляване на адсорбционния капацитет.
За да се подобри допълнително ефективността на филтриране или да се реши компромисът между ефективността на отстраняване и спада на налягането, филтрите, базирани на нановлакна и микровлакна, се комбинират с материали с високо съдържание на K, като въглеродни материали, метални органични рамки и PTFE наночастици.[4] Въпреки това, несигурната биологична токсичност и разсейването на заряда на тези добавки все още са неизбежни проблеми.[4] По-специално, тези два вида традиционни филтри обикновено не се разграждат, така че в крайна сметка ще бъдат заровени в депата или изгорени след употреба.Следователно разработването на подобрени филтри за маски за решаване на тези проблеми с отпадъците и в същото време улавяне на PM по задоволителен и мощен начин е важна настояща необходимост.
За да разрешим горните проблеми, ние произведохме мембранен филтър Janus, интегриран с подложки от микрофибър и нанофибър на базата на поли(бутилен сукцинат) (базирани на PBS) [5].Мембранният филтър Janus е покрит с хитозанови нано нишки (CsWs) [5] (Фигура 1b).Както всички знаем, PBS е представителен биоразградим полимер, който може да произвежда ултрафини влакна и нетъкани влакна чрез електропредене.Наномащабните влакна физически улавят прахови частици, докато микромащабните нановлакна намаляват спада на налягането и действат като CsW рамка.Хитозанът е материал на биологична основа, за който е доказано, че има добри биологични свойства, включително биосъвместимост, биоразградимост и относително ниска токсичност [5], което може да намали безпокойството, свързано със случайно вдишване на потребителите.[5] В допълнение, хитозанът има катионни места и полярни амидни групи.[5] Дори при влажни условия той може да привлича полярни ултрафини частици (като SO42- и NO3-).
Тук докладваме за биоразградим, високоефективен, влагоустойчив и маска филтър с ниско налягане, базиран на лесно достъпни биоразградими материали.Благодарение на комбинацията от физическо пресяване и електростатична адсорбция, интегрираният филтър от микрофибър/нанофибър с CsW покритие има висока ефективност на отстраняване на PM2.5 (до 98%) и в същото време максималният спад на налягането върху най-дебелия филтър е само Той е 59 Pa, подходящ за човешко дишане.В сравнение със значителното влошаване на производителността, демонстрирано от търговския филтър N95, този филтър показва незначителна загуба на ефективност на отстраняване на прахови частици (<1%), дори когато е напълно мокър, поради постоянното зареждане на CsW.В допълнение, нашите филтри са напълно биоразградими в компостирана почва в рамките на 4 седмици.В сравнение с други проучвания с подобни концепции, при които филтърната част е съставена от биоразградими материали или показва ограничена производителност при потенциални приложения на биополимерни нетъкани материали, [6] този филтър директно показва биоразградимостта на разширени функции (филм S1, подкрепяща информация).
Като компонент на мембранния филтър Janus за първи път бяха подготвени нанофибърни и супер фини влакнести PBS подложки.Следователно, 11% и 12% PBS разтвори бяха електроспудени, за да се получат съответно нанометрови и микрометрови влакна, поради тяхната разлика във вискозитета.[7] Подробната информация за характеристиките на разтвора и оптималните условия за електрозавъртане са изброени в таблици S1 и S2 в поддържащата информация.Тъй като изпреденото влакно все още съдържа остатъчен разтворител, допълнителна водна коагулационна баня се добавя към типично устройство за електропредене, както е показано на фигура 2а.В допълнение, водната баня може също да използва рамката за събиране на коагулираната чиста PBS влакнеста подложка, която е различна от твърдата матрица в традиционната настройка (Фигура 2b).[7] Средният диаметър на влакната на подложките от микрофибър и нанофибър е съответно 2,25 и 0,51 µm, а средният диаметър на порите е съответно 13,1 и 3,5 µm (Фигура 2c, d).Тъй като разтворителят 9:1 хлороформ/етанол се изпарява бързо след освобождаване от дюзата, разликата във вискозитета между 11 и 12 тегл.% разтвори нараства бързо (Фигура S1, подкрепяща информация).[7] Следователно разликата в концентрацията от само 1 тегл.% може да причини значителна промяна в диаметъра на влакното.
Преди да се провери производителността на филтъра (Фигура S2, подкрепяща информация), за да се сравнят разумно различни филтри, бяха произведени електропредени нетъкани текстил със стандартна дебелина, тъй като дебелината е важен фактор, който влияе върху разликата в налягането и ефективността на филтриране на ефективността на филтъра.Тъй като нетъканите тъкани са меки и порести, трудно е директно да се определи дебелината на електропредените нетъкани тъкани.Дебелината на тъканта обикновено е пропорционална на повърхностната плътност (тегло на единица площ, базово тегло).Ето защо в това изследване използваме базово тегло (gm-2) като ефективна мярка за дебелина.[8] Дебелината се контролира чрез промяна на времето за електроцентрофугиране, както е показано на фигура 2e.Тъй като времето за центрофугиране се увеличава от 1 минута на 10 минути, дебелината на микрофибърната подложка се увеличава съответно до 0,2, 2,0, 5,2 и 9,1 gm-2.По същия начин дебелината на нанофибърната подложка беше увеличена съответно до 0,2, 1,0, 2,5 и 4,8 gm-2.Микрофибърните и нанофибърните подложки се обозначават според техните стойности на дебелина (gm-2) като: M0.2, M2.0, M5.2 и M9.1 и N0.2, N1.0, N2.5 и N4. 8.
Разликата в налягането на въздуха (ΔP) на цялата проба е важен показател за работата на филтъра.[9] Дишането през филтър с висок спад на налягането е неудобно за потребителя.Естествено се наблюдава, че спадът на налягането се увеличава с увеличаване на дебелината на филтъра, както е показано на фигура S3, подкрепяща информация.Нанофибърната подложка (N4.8) показва по-голям спад на налягането от микрофибърната (M5.2) при сравнима дебелина, тъй като нанофибърната подложка има по-малки пори.Тъй като въздухът преминава през филтъра със скорост между 0,5 и 13,2 ms-1, спадът на налягането на двата различни вида филтри постепенно се увеличава от 101 Pa до 102 Pa. Дебелината трябва да бъде оптимизирана, за да балансира спада на налягането и отстраняването на прахови частици ефективност;скорост на въздуха от 1,0 ms-1 е разумна, тъй като времето, необходимо на хората да дишат през устата, е около 1,3 ms-1.[10] В това отношение спадът на налягането на M5.2 и N4.8 е приемлив при скорост на въздуха от 1,0 ms-1 (по-малко от 50 Pa) (Фигура S4, подкрепяща информация).Моля, имайте предвид, че спадът на налягането на маски N95 и подобен корейски стандартен филтър (KF94) е съответно 50 до 70 Pa.По-нататъшната обработка на CsW и интегрирането на микро/нано филтър може да увеличи съпротивлението на въздуха;следователно, за да осигурим граница на спад на налягането, анализирахме N2.5 и M2.0 преди да анализираме M5.2 и N4.8.
При целева скорост на въздуха от 1,0 ms-1, ефективността на отстраняване на PM1.0, PM2.5 и PM10 от PBS микрофибърни и нанофибърни подложки е изследвана без статичен заряд (Фигура S5, подкрепяща информация).Наблюдава се, че ефективността на отстраняване на прахови частици обикновено се увеличава с увеличаване на дебелината и размера на прахови частици.Ефективността на отстраняване на N2.5 е по-добра от M2.0 поради по-малките му пори.Ефективността на отстраняване на M2.0 за PM1.0, PM2.5 и PM10 беше съответно 55,5%, 64,6% и 78,8%, докато подобните стойности на N2,5 бяха 71,9%, 80,1% и 89,6% (Фигура 2f).Забелязахме, че най-голямата разлика в ефективността между M2.0 и N2.5 е PM1.0, което показва, че физическото пресяване на микрофибърната мрежа е ефективно за PM на микронно ниво, но не е ефективно за PM на нано ниво (Фигура S6, подкрепяща информация)., M2.0 и N2.5 показват ниска способност за улавяне на PM под 90%.В допълнение, N2.5 може да бъде по-податлив на прах от M2.0, тъй като частиците прах могат лесно да блокират по-малките пори на N2.5.При отсъствието на статичен заряд физическото пресяване е ограничено в способността си да постигне необходимия спад на налягането и ефективност на отстраняване едновременно поради връзката между тях.
Електростатичната адсорбция е най-широко използваният метод за улавяне на прахови частици по ефективен начин.[11] Обикновено статичният заряд се прилага принудително към нетъкания филтър чрез високоенергийно електрическо поле;обаче, този статичен заряд лесно се разсейва при влажни условия, което води до загуба на способността за улавяне на прахови частици.[4] Като материал на биологична основа за електростатична филтрация, ние въведохме CsW с дължина 200 nm и ширина 40 nm;поради техните амониеви групи и полярни амидни групи, тези наномустаци съдържат постоянни катионни заряди.Наличният положителен заряд на повърхността на CsW е представен от неговия зета потенциал (ZP);CsW се диспергира във вода с pH 4,8 и се установява, че ZP е +49,8 mV (Фигура S7, подкрепяща информация).
Покрити с CsW PBS микровлакна (ChMs) и нановлакна (ChNs) бяха приготвени чрез просто потапяне в 0,2 тегл.% CsW водна дисперсия, което е подходящата концентрация за прикрепване на максимално количество CsWs към повърхността на PBS влакна, както е показано в фигура Показана на фигура 3a и фигура S8, подкрепяща информация.Изображението на азотната енергийно дисперсионна рентгенова спектроскопия (EDS) показва, че повърхността на PBS влакното е равномерно покрита с CsW частици, което също се вижда в изображението на сканиращия електронен микроскоп (SEM) (Фигура 3b; Фигура S9, подкрепяща информация) .В допълнение, този метод на покритие позволява на заредените наноматериали да обвиват фино повърхността на влакното, като по този начин увеличават максимално способността за отстраняване на електростатични прахови частици (Фигура S10, подкрепяща информация).
Изследвана е ефективността на отстраняване на прахови частици на ChM и ChN (Фигура 3в).M2.0 и N2.5 бяха покрити с CsW, за да се получи съответно ChM2.0 и ChN2.5.Ефективността на отстраняване на ChM2.0 за PM1.0, PM2.5 и PM10 е съответно 70,1%, 78,8% и 86,3%, докато сходните стойности на ChN2.5 са съответно 77,0%, 87,7% и 94,6%.Покритието CsW значително подобрява ефективността на отстраняване на M2.0 и N2.5, а ефектът, наблюдаван при малко по-малки прахови частици, е по-значим.По-специално, хитозановите нановискери повишават ефективността на отстраняване на PM0.5 и PM1.0 от M2.0 съответно с 15% и 13% (Фигура S11, подкрепяща информация).Въпреки че M2.0 е трудно да се изключи по-малкият PM1.0 поради относително широкото му разстояние между фибрилите (Фигура 2в), ChM2.0 адсорбира PM1.0, тъй като катионите и амидите в CsW преминават през йон-йон, свързвайки взаимодействието на полюсните йони и дипол-диполно взаимодействие с прах.Благодарение на своето CsW покритие, ефективността на отстраняване на прахови частици на ChM2.0 и ChN2.5 е толкова висока, колкото тази на по-дебелите M5.2 и N4.8 (Таблица S3, подкрепяща информация).
Интересното е, че въпреки че ефективността на отстраняване на прахови частици е значително подобрена, CsW покритието почти не влияе на спада на налягането.Спадът на налягането на ChM2.0 и ChN2.5 леко се увеличи до 15 и 23 Pa, почти половината от увеличението, наблюдавано за M5.2 и N4.8 (Фигура 3d; Таблица S3, подкрепяща информация).Следователно покритието с материали на биологична основа е подходящ метод за удовлетворяване на изискванията за ефективност на два основни филтъра;това е ефективността на отстраняване на прахови частици и разликата във въздушното налягане, които са взаимно изключващи се.Въпреки това ефективността на отстраняване на PM1.0 и PM2.5 на ChM2.0 и ChN2.5 е по-ниска от 90%;очевидно това представяне трябва да се подобри.
Интегрирана система за филтриране, съставена от множество мембрани с постепенно променящи се диаметри на влакната и размери на порите, може да реши горните проблеми [12].Интегрираният въздушен филтър има предимствата на две различни нановлакна и мрежи от супер фини влакна.В това отношение ChM и ChN просто се подреждат, за да произведат интегрирани филтри (Int-MN).Например, Int-MN4.5 се приготвя с помощта на ChM2.0 и ChN2.5 и неговата производителност се сравнява с ChN4.8 и ChM5.2, които имат сходни площни плътности (т.е. дебелина).В експеримента за ефективност на отстраняване на прахови частици страната на ултрафините влакна на Int-MN4.5 беше изложена в прашната стая, тъй като страната на ултрафините влакна беше по-устойчива на запушване от страната на нановлакната.Както е показано на Фигура 4a, Int-MN4.5 показва по-добра ефективност на отстраняване на прахови частици и разлика в налягането от два еднокомпонентни филтъра, със спад на налягането от 37 Pa, което е подобно на ChM5.2 и много по-ниско от ChM5.2 ChN4.8. В допълнение, ефективността на отстраняване на PM1.0 на Int-MN4.5 е 91% (Фигура 4b).От друга страна, ChM5.2 не показа толкова висока ефективност на отстраняване на PM1.0, тъй като неговите пори са по-големи от тези на Int-MN4.5.
Време на публикуване: 3 ноември 2021 г
