Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Materials avançats i enginyeria química, Universitat de Ciència i Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Materials avançats i enginyeria química, Universitat de Ciència i Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Materials avançats i enginyeria química, Universitat de Ciència i Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Materials avançats i enginyeria química, Universitat de Ciència i Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Materials avançats i enginyeria química, Universitat de Ciència i Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Institut de Tecnologia Química de Corea (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República de Corea
Materials avançats i enginyeria química, Universitat de Ciència i Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Utilitzeu l'enllaç següent per compartir la versió de text completa d'aquest article amb els vostres amics i col·legues.aprèn més.
A causa de la pandèmia de coronavirus i els problemes relacionats amb les partícules (PM) a l'aire, la demanda de màscares ha crescut de manera exponencial.No obstant això, els filtres de màscara tradicionals basats en electricitat estàtica i nano sedàs són tots d'un sol ús, no degradables o reciclables, cosa que provocarà greus problemes de residus.A més, el primer perdrà la seva funció en condicions humides, mentre que el segon funcionarà amb una important caiguda de pressió de l'aire i es produirà una obstrucció dels porus relativament ràpida.Aquí, s'ha desenvolupat un filtre de màscara de fibra biodegradable, a prova d'humitat, altament transpirable i d'alt rendiment.En resum, dues fibres ultrafines biodegradables i estores de nanofibra s'integren al filtre de membrana Janus i després es recobreixen amb nanobigotis de quitosà carregats catiònicament.Aquest filtre és tan eficient com el filtre comercial N95 i pot eliminar el 98,3% de 2,5 µm PM.Les nanofibres filtren físicament partícules fines i les fibres ultrafines proporcionen una diferència de pressió baixa de 59 Pa, que és adequada per a la respiració humana.Contràriament a la forta disminució del rendiment dels filtres comercials N95 quan s'exposen a la humitat, la pèrdua de rendiment d'aquest filtre és insignificant, de manera que es pot utilitzar diverses vegades perquè el dipol permanent de quitosà adsorbeix PM ultrafin (per exemple, nitrogen).i òxids de sofre).És important que aquest filtre es descompongui completament al sòl compostat en 4 setmanes.
L'actual pandèmia de coronavirus (COVID-19) sense precedents està impulsant una gran demanda de màscares.[1] L'Organització Mundial de la Salut (OMS) calcula que aquest any es necessiten 89 milions de màscares mèdiques cada mes.[1] No només els professionals sanitaris necessiten màscares N95 d'alta eficiència, sinó que les màscares d'ús general per a totes les persones també s'han convertit en un equip diari indispensable per a la prevenció d'aquesta malaltia infecciosa respiratòria.[1] A més, els ministeris rellevants recomanen fermament l'ús de màscares d'un sol ús cada dia, [1] això ha provocat problemes ambientals relacionats amb grans quantitats de residus de màscares.
Com que les partícules en partícules (PM) són actualment el problema de contaminació de l'aire més problemàtic, les màscares s'han convertit en la contramesura més eficaç disponible per a les persones.Les PM es divideixen en PM2,5 i PM10 segons la mida de les partícules (2,5 i 10 μm respectivament), cosa que afecta greument el medi natural [2] i la qualitat de la vida humana de diverses maneres.[2] Cada any, el PM causa 4,2 milions de morts i 103,1 milions d'anys de vida ajustats per discapacitat.[2] Les PM2,5 representen una amenaça especialment greu per a la salut i estan designades oficialment com a carcinògens del grup I.[2] Per tant, és oportú i important investigar i desenvolupar un filtre de màscara eficient en termes de permeabilitat a l'aire i eliminació de PM.[3]
En termes generals, els filtres de fibra tradicionals capturen PM de dues maneres diferents: mitjançant el tamisat físic basat en nanofibres i l'adsorció electrostàtica basada en microfibres (figura 1a).L'ús de filtres basats en nanofibres, especialment estores de nanofibra electrospun, ha demostrat ser una estratègia eficaç per eliminar PM, que és el resultat d'una àmplia disponibilitat de material i una estructura de producte controlable.[3] La catifa de nanofibra pot eliminar partícules de la mida objectiu, que és causada per la diferència de mida entre les partícules i els porus.[3] Tanmateix, les fibres a nanoescala s'han d'apilar densament per formar porus extremadament petits, que són perjudicials per a la respiració humana còmoda a causa de la diferència d'alta pressió associada.A més, els forats petits es bloquejaran inevitablement amb relativa rapidesa.
D'altra banda, la catifa de fibra ultrafina fundida es carrega electrostàticament per un camp elèctric d'alta energia i les partícules molt petites són capturades per adsorció electrostàtica.[4] Com a exemple representatiu, el respirador N95 és un respirador de màscara facial que filtra partícules que compleix els requisits de l'Institut Nacional de Seguretat i Salut Laboral perquè pot filtrar almenys el 95% de les partícules en l'aire.Aquest tipus de filtre absorbeix PM ultrafin, que normalment està compost per substàncies aniòniques com SO42− i NO3−, mitjançant una forta atracció electrostàtica.No obstant això, la càrrega estàtica a la superfície de la catifa de fibra es dissipa fàcilment en un ambient humit, com el que es troba en la respiració humana humida, [4] donant lloc a una disminució de la capacitat d'adsorció.
Per tal de millorar encara més el rendiment de filtració o resoldre el compromís entre l'eficiència d'eliminació i la caiguda de pressió, els filtres basats en nanofibres i microfibres es combinen amb materials d'alta k, com ara materials de carboni, marcs orgànics metàl·lics i nanopartícules de PTFE.[4] Tanmateix, la incerta toxicitat biològica i la dissipació de càrrega d'aquests additius són encara problemes inevitables.[4] En particular, aquests dos tipus de filtres tradicionals solen ser no degradables, de manera que eventualment s'enterraran als abocadors o s'incineraran després del seu ús.Per tant, el desenvolupament de filtres de màscara millorats per resoldre aquests problemes de residus i alhora capturar PM d'una manera satisfactòria i potent és una necessitat actual important.
Per resoldre els problemes anteriors, hem fabricat un filtre de membrana Janus integrat amb estores de microfibra i nanofibra a base de poli(butilè succinat) (basades en PBS)[5].El filtre de membrana Janus està recobert amb nano bigotis de quitosà (CsWs) [5] (Figura 1b).Com tots sabem, el PBS és un polímer biodegradable representatiu, que pot produir fibres ultrafines i nanofibres no teixides mitjançant electrospinning.Les fibres a nanoescala atrapen físicament PM, mentre que les nanofibres a microescala redueixen la caiguda de pressió i actuen com a marc CsW.El quitosà és un material de base biològica que s'ha demostrat que té bones propietats biològiques, com ara la biocompatibilitat, la biodegradabilitat i la toxicitat relativament baixa, [5] que pot reduir l'ansietat associada a la inhalació accidental dels usuaris.[5] A més, el quitosà té llocs catiònics i grups amida polar.[5] Fins i tot en condicions humides, pot atraure partícules polars ultrafines (com SO42- i NO3-).
Aquí, informem d'un filtre de màscara biodegradable, d'alta eficiència, a prova d'humitat i de baixa pressió basat en materials biodegradables fàcilment disponibles.A causa de la combinació de tamisat físic i adsorció electrostàtica, el filtre integrat de microfibra/nanofibra recobert de CsW té una alta eficiència d'eliminació de PM2.5 (fins a un 98%) i, al mateix temps, la caiguda de pressió màxima al filtre més gruixut és Només és de 59 Pa, adequat per a la respiració humana.En comparació amb la degradació significativa del rendiment que presenta el filtre comercial N95, aquest filtre presenta una pèrdua insignificant d'eficiència d'eliminació de PM (<1%) fins i tot quan està completament humit, a causa de la càrrega permanent de CsW.A més, els nostres filtres són completament biodegradables en sòl compostat en 4 setmanes.En comparació amb altres estudis amb conceptes similars, en què la part del filtre es compon de materials biodegradables, o mostra un rendiment limitat en aplicacions potencials de biopolímers no teixits, [6] aquest filtre mostra directament la biodegradabilitat de característiques avançades (pel·lícula S1, informació de suport).
Com a component del filtre de membrana Janus, primer es van preparar estores PBS de nanofibra i fibra superfina.Per tant, les solucions de PBS d'un 11% i un 12% es van electrofilar per produir fibres nanòmetres i micròmetres, respectivament, a causa de la seva diferència de viscositat.[7] La informació detallada de les característiques de la solució i les condicions òptimes d'electrospinning s'enumeren a les taules S1 i S2, a la informació de suport.Atès que la fibra as-spun encara conté dissolvent residual, s'afegeix un bany addicional de coagulació d'aigua a un dispositiu d'electrospinning típic, tal com es mostra a la figura 2a.A més, el bany maria també pot utilitzar el marc per recollir la catifa de fibra PBS pura coagulada, que és diferent de la matriu sòlida en la configuració tradicional (figura 2b).[7] Els diàmetres mitjans de fibra de les estores de microfibra i nanofibra són de 2,25 i 0,51 µm, respectivament, i els diàmetres de porus mitjans són de 13,1 i 3,5 µm, respectivament (figura 2c, d).A mesura que el dissolvent de cloroform / etanol 9: 1 s'evapora ràpidament després de ser alliberat del broquet, la diferència de viscositat entre les solucions d'11 i 12% en pes augmenta ràpidament (figura S1, informació de suport).[7] Per tant, una diferència de concentració de només 1% en pes pot provocar un canvi significatiu en el diàmetre de la fibra.
Abans de comprovar el rendiment del filtre (figura S2, informació de suport), per comparar diversos filtres de manera raonable, es van fabricar teixits no teixits electrospun de gruix estàndard, perquè el gruix és un factor important que afecta la diferència de pressió i l'eficiència de filtració del rendiment del filtre.Com que els teixits no teixits són suaus i porosos, és difícil determinar directament el gruix dels no teixits electrospun.El gruix del teixit és generalment proporcional a la densitat superficial (pes per unitat d'àrea, pes base).Per tant, en aquest estudi, utilitzem el pes base (gm-2) com a mesura eficaç del gruix.[8] El gruix es controla canviant el temps d'electrospinning, tal com es mostra a la figura 2e.A mesura que el temps de gir augmenta d'1 minut a 10 minuts, el gruix de la catifa de microfibra augmenta a 0,2, 2,0, 5,2 i 9,1 gm-2, respectivament.De la mateixa manera, el gruix de la catifa de nanofibra es va augmentar a 0,2, 1,0, 2,5 i 4,8 gm-2, respectivament.Les estores de microfibra i nanofibra es designen pels seus valors de gruix (gm-2) com: M0.2, M2.0, M5.2 i M9.1, i N0.2, N1.0, N2.5 i N4. 8.
La diferència de pressió de l'aire (ΔP) de tota la mostra és un indicador important del rendiment del filtre.[9] Respirar a través d'un filtre amb una gran caiguda de pressió és incòmode per a l'usuari.Naturalment, s'observa que la caiguda de pressió augmenta a mesura que augmenta el gruix del filtre, com es mostra a la figura S3, informació de suport.La catifa de nanofibra (N4.8) mostra una caiguda de pressió més alta que la catifa de microfibra (M5.2) amb un gruix comparable perquè la catifa de nanofibra té porus més petits.A mesura que l'aire passa pel filtre a una velocitat entre 0,5 i 13,2 ms-1, la caiguda de pressió dels dos tipus diferents de filtres augmenta gradualment de 101 Pa a 102 Pa. El gruix s'ha d'optimitzar per equilibrar la caiguda de pressió i l'eliminació de PM. eficiència;una velocitat de l'aire d'1,0 ms-1 és raonable perquè el temps que triguen els humans a respirar per la boca és d'uns 1,3 ms-1.[10] En aquest sentit, la caiguda de pressió de M5.2 i N4.8 és acceptable a una velocitat de l'aire d'1,0 ms-1 (menys de 50 Pa) (Figura S4, informació de suport).Tingueu en compte que la caiguda de pressió de les màscares N95 i similars de filtre estàndard coreà (KF94) és de 50 a 70 Pa, respectivament.El processament addicional de CsW i la integració de filtres micro/nano poden augmentar la resistència de l'aire;per tant, per tal de proporcionar un marge de caiguda de pressió, hem analitzat N2.5 i M2.0 abans d'analitzar M5.2 i N4.8.
A una velocitat de l'aire objectiu d'1, 0 ms-1, es va estudiar l'eficiència d'eliminació de PM1.0, PM2.5 i PM10 de microfibra PBS i estores de nanofibra sense càrrega estàtica (figura S5, informació de suport).S'observa que l'eficiència d'eliminació de PM augmenta generalment amb l'augment del gruix i la mida del PM.L'eficiència d'eliminació de N2.5 és millor que M2.0 a causa dels seus porus més petits.Les eficiències d'eliminació de M2.0 per a PM1.0, PM2.5 i PM10 van ser del 55,5%, 64,6% i 78,8%, respectivament, mentre que els valors similars de N2.5 van ser del 71,9%, 80,1% i 89,6% (figura). 2f).Hem observat que la diferència més gran d'eficiència entre M2.0 i N2.5 és PM1.0, la qual cosa indica que el tamisat físic de la malla de microfibra és eficaç per a PM a nivell de micres, però no és eficaç per a PM a nivell nano (figura S6, informació de suport)., M2.0 i N2.5 mostren una baixa capacitat de captura de PM inferior al 90%.A més, N2.5 pot ser més susceptible a la pols que M2.0, perquè les partícules de pols poden bloquejar fàcilment els porus més petits de N2.5.En absència de càrrega estàtica, el tamisat físic està limitat en la seva capacitat d'aconseguir la caiguda de pressió requerida i l'eficiència d'eliminació al mateix temps a causa de la relació de compensació entre ells.
L'adsorció electrostàtica és el mètode més utilitzat per capturar PM d'una manera eficient.[11] Generalment, la càrrega estàtica s'aplica a la força al filtre no teixit a través d'un camp elèctric d'alta energia;tanmateix, aquesta càrrega estàtica es dissipa fàcilment en condicions humides, donant lloc a la pèrdua de la capacitat de captura de PM.[4] Com a material de base biològica per a la filtració electrostàtica, vam introduir CsW de 200 nm de llarg i 40 nm d'ample;a causa dels seus grups amoni i grups amida polar, aquests nanobigotis contenen càrregues catiòniques permanents.La càrrega positiva disponible a la superfície de CsW està representada pel seu potencial zeta (ZP);CsW es dispersa en aigua amb un pH de 4, 8, i es troba que el seu ZP és de +49, 8 mV (figura S7, informació de suport).
Les microfibres de PBS (ChMs) i nanofibres (ChNs) recobertes de CsW es van preparar mitjançant un simple recobriment d'immersió en una dispersió d'aigua de CsW al 0,2% en pes, que és la concentració adequada per unir la màxima quantitat de CsWs a la superfície de les fibres de PBS, tal com es mostra a la figura que es mostra a la figura 3a i la figura S8, informació de suport.La imatge d'espectroscòpia de raigs X (EDS) dispersiva d'energia del nitrogen mostra que la superfície de la fibra PBS està recoberta uniformement de partícules CsW, cosa que també és evident a la imatge del microscopi electrònic d'escaneig (SEM) (Figura 3b; Figura S9, informació de suport) .A més, aquest mètode de recobriment permet que els nanomaterials carregats embolcallin finament la superfície de la fibra, maximitzant així la capacitat d'eliminació de PM electrostàtica (figura S10, informació de suport).
Es va estudiar l'eficiència d'eliminació de PM de ChM i ChN (figura 3c).M2.0 i N2.5 es van recobrir amb CsW per produir ChM2.0 i ChN2.5, respectivament.Les eficiències d'eliminació de ChM2.0 per a PM1.0, PM2.5 i PM10 van ser del 70,1%, 78,8% i 86,3%, respectivament, mentre que els valors similars de ChN2.5 van ser del 77,0%, 87,7% i 94,6% respectivament.El recobriment CsW millora molt l'eficiència d'eliminació de M2.0 i N2.5, i l'efecte observat per a PM lleugerament més petit és més significatiu.En particular, els nanobigotis de quitosà van augmentar l'eficiència d'eliminació de PM0.5 i PM1.0 de M2.0 en un 15% i un 13%, respectivament (figura S11, informació de suport).Tot i que M2.0 és difícil excloure el PM1.0 més petit a causa del seu espai de fibril·la relativament ampli (figura 2c), ChM2.0 adsorbeix PM1.0 perquè els cations i les amides en CsWs passen per ió-ió, acoblant la interacció pol-ió , i la interacció dipol-dipol amb la pols.A causa del seu recobriment CsW, l'eficiència d'eliminació de PM de ChM2.0 i ChN2.5 és tan alta com la de M5.2 i N4.8 més gruixuts (taula S3, informació de suport).
Curiosament, tot i que l'eficiència d'eliminació de PM millora molt, el recobriment CsW gairebé no afecta la caiguda de pressió.La caiguda de pressió de ChM2.0 i ChN2.5 va augmentar lleugerament fins a 15 i 23 Pa, gairebé la meitat de l'augment observat per a M5.2 i N4.8 (figura 3d; taula S3, informació de suport).Per tant, el recobriment amb materials de base biològica és un mètode adequat per complir els requisits de rendiment de dos filtres bàsics;és a dir, l'eficiència d'eliminació de PM i la diferència de pressió de l'aire, que s'exclouen mútuament.Tanmateix, l'eficiència d'eliminació de PM1.0 i PM2.5 de ChM2.0 i ChN2.5 és inferior al 90%;òbviament, cal millorar aquest rendiment.
Un sistema de filtració integrat compost per múltiples membranes amb diàmetres de fibra i mides de porus que canvien gradualment pot resoldre els problemes anteriors [12].El filtre d'aire integrat té els avantatges de dues nanofibres diferents i xarxes de fibra superfine.En aquest sentit, ChM i ChN s'apilen simplement per produir filtres integrats (Int-MNs).Per exemple, Int-MN4.5 es prepara utilitzant ChM2.0 i ChN2.5, i el seu rendiment es compara amb ChN4.8 i ChM5.2 que tenen densitats d'àrea similars (és a dir, gruix).A l'experiment d'eficiència d'eliminació de PM, el costat de fibra ultrafina d'Int-MN4.5 es va exposar a l'habitació polsegosa perquè el costat de fibra ultrafina era més resistent a l'obstrucció que el costat de la nanofibra.Com es mostra a la figura 4a, Int-MN4.5 mostra una millor eficiència d'eliminació de PM i diferència de pressió que dos filtres d'un sol component, amb una caiguda de pressió de 37 Pa, que és similar a ChM5.2 i molt inferior a ChM5.2 ChN4.8. A més, l'eficiència d'eliminació de PM1.0 d'Int-MN4.5 és del 91% (figura 4b).D'altra banda, ChM5.2 no va mostrar una eficiència d'eliminació de PM1.0 tan alta perquè els seus porus són més grans que els d'Int-MN4.5.
Hora de publicació: 03-nov-2021
