Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i hemijsko inženjerstvo, Univerzitet nauke i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i hemijsko inženjerstvo, Univerzitet nauke i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i hemijsko inženjerstvo, Univerzitet nauke i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i hemijsko inženjerstvo, Univerzitet nauke i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i hemijsko inženjerstvo, Univerzitet nauke i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za hemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i hemijsko inženjerstvo, Univerzitet nauke i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Koristite vezu ispod da podijelite punu tekstualnu verziju ovog članka sa svojim prijateljima i kolegama.Nauči više.
Zbog pandemije koronavirusa i problema vezanih za čestice (PM) u zraku, potražnja za maskama je eksponencijalno porasla.Međutim, tradicionalni filteri za maske zasnovani na statičkom elektricitetu i nano situ su svi jednokratni, nerazgradivi ili reciklirani, što će uzrokovati ozbiljne probleme sa otpadom.Osim toga, prvi će izgubiti svoju funkciju u vlažnim uvjetima, dok će drugi raditi sa značajnim padom tlaka zraka i doći će do relativno brzog začepljenja pora.Ovdje je razvijen biorazgradivi filter za masku od vlakana otporan na vlagu, vrlo prozračan.Ukratko, dva biorazgradiva ultrafina vlakna i prostirke od nanovlakna integrirani su u Janus membranski filter, a zatim obloženi kationski nabijenim hitozanskim nanobrkovima.Ovaj filter je efikasan kao i komercijalni N95 filter i može ukloniti 98,3% 2,5 µm PM.Nanovlakna fizički filtriraju fine čestice, a ultrafina vlakna pružaju nisku razliku pritiska od 59 Pa, što je pogodno za ljudsko disanje.Za razliku od naglog pada performansi komercijalnih N95 filtera kada su izloženi vlazi, gubitak performansi ovog filtera je zanemariv, pa se može koristiti više puta jer trajni dipol hitozana adsorbuje ultrafine PM (na primjer, dušik).I oksidi sumpora).Važno je da se ovaj filter potpuno raspadne u kompostiranom tlu u roku od 4 sedmice.
Trenutna pandemija korona virusa bez presedana (COVID-19) pokreće ogromnu potražnju za maskama.[1] Svjetska zdravstvena organizacija (WHO) procjenjuje da je ove godine potrebno 89 miliona medicinskih maski svakog mjeseca.[1] Ne samo da su zdravstvenim radnicima potrebne visokoefikasne maske N95, već su i maske opće namjene za sve pojedince postale nezamjenjiva svakodnevna oprema za prevenciju ove respiratorne zarazne bolesti.[1] Osim toga, nadležna ministarstva snažno preporučuju svakodnevnu upotrebu jednokratnih maski, [1] to je dovelo do ekoloških problema vezanih za velike količine otpada maski.
Budući da su čestice (PM) trenutno najproblematičniji problem zagađenja zraka, maske su postale najefikasnija protumjera dostupna pojedincima.PM se dijele na PM2,5 i PM10 prema veličini čestica (2,5 odnosno 10μm), što na različite načine ozbiljno utiče na prirodnu sredinu [2] i kvalitet ljudskog života.[2] Svake godine PM prouzrokuje 4,2 miliona smrti i 103,1 milion godina života prilagođenih invalidnosti.[2] PM2,5 predstavlja posebno ozbiljnu prijetnju zdravlju i službeno je označen kao kancerogen grupe I.[2] Stoga je pravovremeno i važno istražiti i razviti efikasan filter maske u smislu propusnosti zraka i uklanjanja PM-a.[3]
Uopšteno govoreći, tradicionalni filteri od vlakana hvataju PM na dva različita načina: fizičkim prosijavanjem na bazi nanovlakna i elektrostatičkom adsorpcijom na bazi mikrovlakana (slika 1a).Upotreba filtera na bazi nanovlakna, posebno strunjača od nanovlakna, pokazala se kao efikasna strategija za uklanjanje PM, što je rezultat velike dostupnosti materijala i strukture proizvoda koje je moguće kontrolisati.[3] Podloga od nanovlakna može ukloniti čestice ciljne veličine, što je uzrokovano razlikom u veličini između čestica i pora.[3] Međutim, nano vlakna moraju biti gusto naslagana kako bi se formirale ekstremno male pore, koje su štetne za udobno disanje ljudi zbog povezane visoke razlike pritiska.Osim toga, male rupe će neizbježno biti blokirane relativno brzo.
S druge strane, ultrafina vlaknasta prostirka od rastopljenog materijala je elektrostatički nabijena električnim poljem visoke energije, a vrlo male čestice su zarobljene elektrostatičkom adsorpcijom.[4] Kao reprezentativan primjer, respirator N95 je respirator sa maskom za lice s filtriranjem čestica koji ispunjava zahtjeve Nacionalnog instituta za sigurnost i zdravlje na radu jer može filtrirati najmanje 95% čestica u zraku.Ovaj tip filtera apsorbuje ultrafine PM, koji se obično sastoje od anjonskih supstanci kao što su SO42- i NO3-, kroz snažnu elektrostatičku privlačnost.Međutim, statički naboj na površini vlaknaste prostirke lako se raspršuje u vlažnom okruženju, kao što se nalazi u vlažnom ljudskom disanju, [4] što rezultira smanjenjem kapaciteta adsorpcije.
U cilju daljeg poboljšanja performansi filtracije ili rješavanja kompromisa između efikasnosti uklanjanja i pada tlaka, filteri na bazi nanovlakna i mikrovlakana se kombiniraju s visokok materijalima, kao što su ugljični materijali, metalni organski okviri i PTFE nanočestice.[4] Međutim, neizvjesna biološka toksičnost i disipacija naboja ovih aditiva su još uvijek neizbježni problemi.[4] Konkretno, ova dva tipa tradicionalnih filtera su obično nerazgradivi, tako da će na kraju biti zakopani na deponijama ili spaljeni nakon upotrebe.Stoga je razvoj poboljšanih filtera maski za rješavanje ovih problema otpada i istovremeno hvatanje PM na zadovoljavajući i moćan način važna trenutna potreba.
Kako bismo riješili gore navedene probleme, proizveli smo Janus membranski filter integriran s prostirkama od mikrovlakana i nanovlakna na bazi poli(butilen sukcinata) (na bazi PBS-a)[5].Janus membranski filter obložen je hitozanskim nano brkovima (CsWs) [5] (slika 1b).Kao što svi znamo, PBS je reprezentativan biorazgradivi polimer, koji može proizvesti netkane tkanine od ultrafinih vlakana i nanovlakna putem elektropredenja.Nano-vlakna fizički hvataju PM, dok nano-vlakna u mikro razmjerima smanjuju pad tlaka i djeluju kao CsW okvir.Hitozan je materijal na biološkoj bazi za koji je dokazano da ima dobra biološka svojstva, uključujući biokompatibilnost, biorazgradivost i relativno nisku toksičnost, [5] što može smanjiti anksioznost povezanu sa slučajnim udisanjem korisnika.[5] Osim toga, hitozan ima kationska mjesta i polarne amidne grupe.[5] Čak i pod vlažnim uslovima, može privući polarne ultrafine čestice (kao što su SO42- i NO3-).
Ovdje izvještavamo o biorazgradivom, visokoefikasnom, otpornom na vlagu i niskotlačnom filteru za masku za pad na bazi lako dostupnih biorazgradivih materijala.Zbog kombinacije fizičkog prosijavanja i elektrostatičke adsorpcije, integrisani filter od mikrovlakana/nanovlakna obložen CsW ima visoku efikasnost uklanjanja PM2,5 (do 98%), a istovremeno je maksimalni pad pritiska na najdebljem filteru samo je 59 Pa, pogodno za ljudsko disanje.U poređenju sa značajnom degradacijom performansi koju pokazuje komercijalni filter N95, ovaj filter pokazuje zanemarljiv gubitak efikasnosti uklanjanja PM (<1%) čak i kada je potpuno mokar, zbog trajnog punjenja CsW.Osim toga, naši filteri su potpuno biorazgradivi u kompostiranom tlu u roku od 4 sedmice.U poređenju sa drugim studijama sa sličnim konceptima, u kojima je filterski deo sastavljen od biorazgradivih materijala, ili pokazuje ograničene performanse u potencijalnim aplikacijama netkanog biopolimera, [6] ovaj filter direktno pokazuje biorazgradljivost naprednih karakteristika (film S1, prateće informacije).
Kao komponenta Janus membranskog filtera, prvo su pripremljene PBS prostirke od nanovlakna i superfinih vlakana.Stoga su 11% i 12% otopine PBS elektrosprenute za proizvodnju nanometarskih i mikrometarskih vlakana, respektivno, zbog njihove razlike u viskoznosti.[7] Detaljne informacije o karakteristikama rješenja i optimalnim uvjetima elektrospinovanja navedene su u tabelama S1 i S2, u pratećim informacijama.Budući da predeno vlakno još uvijek sadrži ostatak rastvarača, tipičnom uređaju za elektropredenje dodaje se dodatna vodena koagulacijska kupka, kao što je prikazano na slici 2a.Osim toga, vodeno kupatilo može koristiti okvir za prikupljanje koagulirane čiste PBS vlaknaste prostirke, koja se razlikuje od čvrste matrice u tradicionalnom okruženju (slika 2b).[7] Prosječni promjeri vlakana prostirki od mikrovlakana i nanovlakna su 2,25 i 0,51 µm, respektivno, a prosječni prečnici pora su 13,1 i 3,5 µm, respektivno (Slika 2c, d).Kako otapalo hloroform/etanol 9:1 brzo isparava nakon što je ispušteno iz mlaznice, razlika u viskoznosti između 11 i 12 tež% otopina se brzo povećava (slika S1, prateće informacije).[7] Stoga, razlika u koncentraciji od samo 1 tež.% može uzrokovati značajnu promjenu promjera vlakana.
Prije provjere performansi filtera (slika S2, prateće informacije), kako bi se razumno uporedili različiti filteri, proizvedeni su elektropredeni netkani materijali standardne debljine, jer je debljina važan faktor koji utječe na razliku tlaka i efikasnost filtracije performansi filtera.Budući da su netkani materijali mekani i porozni, teško je direktno odrediti debljinu elektropredenih netkanih materijala.Debljina tkanine je općenito proporcionalna površinskoj gustoći (težina po jedinici površine, osnovna težina).Stoga u ovoj studiji koristimo osnovnu težinu (gm-2) kao efektivnu meru debljine.[8] Debljina se kontrolira promjenom vremena elektropredenja, kao što je prikazano na slici 2e.Kako se vrijeme centrifugiranja povećava sa 1 minute na 10 minuta, debljina podloge od mikrovlakana se povećava na 0,2, 2,0, 5,2 i 9,1 gm-2, respektivno.Na isti način, debljina prostirke od nanovlakna je povećana na 0,2, 1,0, 2,5 i 4,8 gm-2, respektivno.Otirači od mikrovlakana i nanovlakna su označeni prema vrijednostima debljine (gm-2) kao: M0.2, M2.0, M5.2 i M9.1, te N0.2, N1.0, N2.5 i N4. 8.
Razlika tlaka zraka (ΔP) cijelog uzorka važan je pokazatelj učinka filtera.[9] Disanje kroz filter sa visokim padom pritiska je neprijatno za korisnika.Naravno, primjećuje se da se pad tlaka povećava kako se debljina filtera povećava, kao što je prikazano na slici S3, prateća informacija.Podloga od nanovlakna (N4.8) pokazuje veći pad pritiska od prostirke od mikrovlakana (M5.2) pri uporedivoj debljini jer prostirka od nanovlakna ima manje pore.Kako zrak prolazi kroz filter brzinom između 0,5 i 13,2 ms-1, pad tlaka dva različita tipa filtera postepeno se povećava sa 101 Pa na 102 Pa. Debljinu treba optimizirati kako bi se uravnotežio pad tlaka i uklanjanje PM-a. efikasnost;brzina vazduha od 1,0 ms-1 je razumna jer je vreme koje je potrebno ljudima da dišu kroz usta oko 1,3 ms-1.[10] U tom smislu, pad pritiska M5.2 i N4.8 je prihvatljiv pri brzini vazduha od 1,0 ms-1 (manje od 50 Pa) (Slika S4, prateće informacije).Imajte na umu da je pad pritiska N95 i sličnih korejskih filterskih standardnih (KF94) maski 50 do 70 Pa, respektivno.Dalja CsW obrada i integracija mikro/nano filtera mogu povećati otpor zraka;stoga, da bismo obezbijedili marginu pada pritiska, analizirali smo N2.5 i M2.0 prije analize M5.2 i N4.8.
Pri ciljnoj brzini zraka od 1,0 ms-1, proučavana je efikasnost uklanjanja PM1,0, PM2,5 i PM10 prostirki od PBS mikrovlakana i nanovlakna bez statičkog naboja (Slika S5, prateće informacije).Primećeno je da efikasnost uklanjanja PM generalno raste sa povećanjem debljine i veličine PM.Efikasnost uklanjanja N2.5 je bolja od M2.0 zbog manjih pora.Efikasnost uklanjanja M2.0 za PM1.0, PM2.5 i PM10 iznosila je 55,5%, 64,6% i 78,8%, respektivno, dok su slične vrijednosti N2,5 bile 71,9%, 80,1% i 89,6% (Slika 2f).Primetili smo da je najveća razlika u efikasnosti između M2.0 i N2.5 PM1.0, što ukazuje da je fizičko prosijavanje mreže od mikrovlakana efikasno za PM na mikronskom nivou, ali nije efikasno za PM nano nivo (Slika S6, prateće informacije)., M2.0 i N2.5 pokazuju nisku sposobnost hvatanja PM manju od 90%.Osim toga, N2.5 može biti podložniji prašini od M2.0, jer čestice prašine mogu lako blokirati manje pore N2.5.U odsustvu statičkog naboja, fizičko prosijavanje je ograničeno u svojoj sposobnosti da postigne potreban pad pritiska i efikasnost uklanjanja u isto vrijeme zbog kompromisnog odnosa između njih.
Elektrostatička adsorpcija je najčešće korištena metoda za hvatanje PM na efikasan način.[11] Općenito, statički naboj se prisilno primjenjuje na netkani filter kroz električno polje visoke energije;međutim, ovaj statički naboj se lako raspršuje u vlažnim uslovima, što rezultira gubitkom sposobnosti hvatanja PM.[4] Kao bio-bazirani materijal za elektrostatičku filtraciju, uveli smo CsW dužine 200 nm i širine 40 nm;zbog svojih amonijumskih grupa i polarnih amidnih grupa, ovi nanobrkovi sadrže trajne kationske naboje.Dostupni pozitivni naboj na površini CsW predstavljen je njegovim zeta potencijalom (ZP);CsW je dispergovan u vodi sa pH od 4,8, a utvrđeno je da je njihov ZP +49,8 mV (Slika S7, prateće informacije).
CsW presvučena PBS mikrovlakna (ChMs) i nanovlakna (ChNs) pripremljena su jednostavnim potapanjem u 0,2 wt% CsW vodene disperzije, što je odgovarajuća koncentracija za pričvršćivanje maksimalne količine CsWs na površinu PBS vlakana, kao što je prikazano u slika Prikazana na slici 3a i slici S8, prateće informacije.Slika rendgenske spektroskopije disperzivne energije dušika (EDS) pokazuje da je površina PBS vlakna jednolično obložena česticama CsW, što je također vidljivo na slici skenirajućeg elektronskog mikroskopa (SEM) (slika 3b; slika S9, prateće informacije) .Osim toga, ova metoda premaza omogućava nabijenim nanomaterijalima da fino omotaju površinu vlakana, čime se maksimizira sposobnost elektrostatičkog uklanjanja PM (Slika S10, prateće informacije).
Proučavana je efikasnost uklanjanja PM ChM i ChN (slika 3c).M2.0 i N2.5 su premazani CsW da bi se proizveo ChM2.0 i ChN2.5, respektivno.Efikasnost uklanjanja ChM2.0 za PM1.0, PM2.5 i PM10 iznosila je 70.1%, 78.8% i 86.3%, respektivno, dok su slične vrijednosti ChN2.5 bile 77.0%, 87.7% i 94.6% respektivno.CsW premaz uvelike poboljšava efikasnost uklanjanja M2.0 i N2.5, a učinak uočen za nešto manje PM je značajniji.Konkretno, hitozanski nanobrkovi povećali su efikasnost uklanjanja M2.0 PM0.5 i PM1.0 za 15% odnosno 13%, respektivno (slika S11, prateće informacije).Iako je M2.0 teško isključiti manji PM1.0 zbog njegovog relativno širokog razmaka između fibrila (slika 2c), ChM2.0 adsorbira PM1.0 jer kationi i amidi u CsW prolaze kroz ion-ion, spajajući pol-ion interakciju i dipol-dipol interakcija sa prašinom.Zbog CsW premaza, efikasnost uklanjanja PM kod ChM2.0 i ChN2.5 je visoka kao i kod debljih M5.2 i N4.8 (Tabela S3, prateće informacije).
Zanimljivo, iako je efikasnost uklanjanja PM znatno poboljšana, CsW premaz gotovo ne utiče na pad pritiska.Pad pritiska ChM2.0 i ChN2.5 se neznatno povećao na 15 i 23 Pa, skoro upola manje od povećanja uočenog za M5.2 i N4.8 (Slika 3d; Tabela S3, prateće informacije).Stoga je premazivanje materijalima na bazi biologije prikladna metoda za ispunjavanje zahtjeva performansi dva osnovna filtera;odnosno efikasnost uklanjanja PM i razlika u pritisku vazduha, koji se međusobno isključuju.Međutim, efikasnost uklanjanja PM1.0 i PM2.5 za ChM2.0 i ChN2.5 je niža od 90%;očito, ovaj učinak treba poboljšati.
Integrirani sustav filtracije sastavljen od više membrana s postupnim promjenom promjera vlakana i veličine pora može riješiti gore navedene probleme [12].Integrirani zračni filter ima prednosti dva različita nanovlakna i mreže od superfinih vlakana.U tom smislu, ChM i ChN su jednostavno složeni kako bi se proizveli integrisani filteri (Int-MN).Na primjer, Int-MN4.5 se priprema korištenjem ChM2.0 i ChN2.5, a njegove performanse se porede sa ChN4.8 i ChM5.2 koji imaju sličnu površinsku gustinu (tj. debljinu).U eksperimentu efikasnosti uklanjanja PM, strana ultrafinih vlakana Int-MN4.5 bila je izložena u prašnjavoj prostoriji jer je strana ultrafinih vlakana bila otpornija na začepljenje od strane nanovlakna.Kao što je prikazano na slici 4a, Int-MN4.5 pokazuje bolju efikasnost uklanjanja PM i razliku pritiska od dva jednokomponentna filtera, sa padom pritiska od 37 Pa, što je slično ChM5.2 i mnogo niže od ChM5.2 ChN4.8. Pored toga, efikasnost uklanjanja PM1.0 Int-MN4.5 iznosi 91% (Slika 4b).S druge strane, ChM5.2 nije pokazao tako visoku efikasnost uklanjanja PM1.0 jer su mu pore veće od pora Int-MN4.5.
Vrijeme objave: 03.11.2021
