Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Brug linket nedenfor til at dele den fulde tekstversion af denne artikel med dine venner og kolleger.Lær mere.
På grund af coronavirus-pandemien og problemer relateret til partikler (PM) i luften er efterspørgslen efter masker vokset eksponentielt.Traditionelle maskefiltre baseret på statisk elektricitet og nano-sigte er dog alle engangs-, ikke-nedbrydelige eller genanvendelige, hvilket vil forårsage alvorlige affaldsproblemer.Derudover vil førstnævnte miste sin funktion under fugtige forhold, mens sidstnævnte vil fungere med et betydeligt lufttryksfald, og der vil opstå relativt hurtig poretilstopning.Her er der udviklet et biologisk nedbrydeligt, fugttæt, meget åndbart, højtydende fibermaskefilter.Kort sagt er to bionedbrydelige ultrafine fibre og nanofibermåtter integreret i Janus membranfilteret og derefter belagt med kationisk ladede chitosan nanowhiskers.Dette filter er lige så effektivt som det kommercielle N95-filter og kan fjerne 98,3 % af 2,5 µm PM.Nanofibre skærmer fysisk for fine partikler, og ultrafine fibre giver en lav trykforskel på 59 Pa, hvilket er velegnet til menneskelig vejrtrækning.I modsætning til det kraftige fald i ydeevnen af kommercielle N95-filtre, når de udsættes for fugt, er dette filters ydeevnetab ubetydeligt, så det kan bruges flere gange, fordi den permanente dipol af chitosan adsorberer ultrafin PM (for eksempel nitrogen).Og svovloxider).Det er vigtigt, at dette filter nedbrydes fuldstændigt i den komposterede jord inden for 4 uger.
Den nuværende hidtil usete coronavirus-pandemi (COVID-19) driver en enorm efterspørgsel efter masker.[1] Verdenssundhedsorganisationen (WHO) anslår, at der er brug for 89 millioner medicinske masker hver måned i år.[1] Sundhedspersonale har ikke kun brug for højeffektive N95-masker, men universalmasker til alle individer er også blevet uundværligt dagligt udstyr til forebyggelse af denne luftvejsinfektionssygdom.[1] Derudover anbefaler relevante ministerier på det kraftigste brug af engangsmasker hver dag, [1] dette har ført til miljøproblemer relateret til store mængder maskeaffald.
Da partikler (PM) i øjeblikket er det mest problematiske luftforureningsproblem, er masker blevet den mest effektive modforanstaltning til rådighed for enkeltpersoner.PM opdeles i PM2,5 og PM10 efter partikelstørrelsen (henholdsvis 2,5 og 10μm), hvilket påvirker det naturlige miljø [2] og menneskets livskvalitet alvorligt på forskellige måder.[2] Hvert år forårsager PM 4,2 millioner dødsfald og 103,1 millioner handicapjusterede leveår.[2] PM2.5 udgør en særlig alvorlig trussel mod sundheden og er officielt udpeget som et gruppe I-kræftfremkaldende stof.[2] Derfor er det rettidigt og vigtigt at forske i og udvikle et effektivt maskefilter med hensyn til luftgennemtrængelighed og PM-fjernelse.[3]
Generelt opfanger traditionelle fiberfiltre PM på to forskellige måder: gennem fysisk sigtning baseret på nanofibre og elektrostatisk adsorption baseret på mikrofibre (figur 1a).Brugen af nanofiberbaserede filtre, især elektrospundne nanofibermåtter, har vist sig at være en effektiv strategi til at fjerne PM, som er resultatet af omfattende materialetilgængelighed og kontrollerbar produktstruktur.[3] Nanofibermåtten kan fjerne partikler af målstørrelsen, hvilket skyldes størrelsesforskellen mellem partiklerne og porerne.[3] Fibre i nanoskala skal dog stables tæt for at danne ekstremt små porer, som er skadelige for behagelig menneskelig vejrtrækning på grund af den tilhørende høje trykforskel.Derudover vil de små huller uundgåeligt blive blokeret relativt hurtigt.
På den anden side oplades den smelteblæste ultrafine fibermåtte elektrostatisk af et højenergi-elektrisk felt, og meget små partikler fanges ved elektrostatisk adsorption.[4] Som et repræsentativt eksempel er N95 åndedrætsværn en partikelfiltrerende ansigtsmaske, der opfylder kravene fra National Institute of Occupational Safety and Health, fordi den kan filtrere mindst 95 % af luftbårne partikler.Denne type filter absorberer ultrafin PM, som normalt er sammensat af anioniske stoffer som SO42− og NO3−, gennem stærk elektrostatisk tiltrækning.Imidlertid spredes den statiske ladning på overfladen af fibermåtten let i et fugtigt miljø, som det findes i fugtigt menneskeligt åndedræt [4], hvilket resulterer i et fald i adsorptionskapaciteten.
For yderligere at forbedre filtreringsydelsen eller løse afvejningen mellem fjernelseseffektivitet og trykfald, kombineres filtre baseret på nanofibre og mikrofibre med højk-materialer, såsom kulstofmaterialer, organiske metalstrukturer og PTFE-nanopartikler.[4] Imidlertid er den usikre biologiske toksicitet og ladningsspredning af disse tilsætningsstoffer stadig uundgåelige problemer.[4] Især disse to typer traditionelle filtre er normalt ikke-nedbrydelige, så de vil i sidste ende blive nedgravet på lossepladser eller forbrændt efter brug.Derfor er udviklingen af forbedrede maskefiltre til at løse disse affaldsproblemer og samtidig fange PM på en tilfredsstillende og kraftfuld måde et vigtigt aktuelt behov.
For at løse ovenstående problemer har vi fremstillet et Janus-membranfilter integreret med poly(butylensuccinat)-baserede (PBS-baserede)[5] mikrofiber- og nanofibermåtter.Janus membranfilteret er belagt med chitosan nano whiskers (CsWs) [5] (figur 1b).Som vi alle ved, er PBS en repræsentativ bionedbrydelig polymer, som kan producere ultrafine fiber og nanofiber nonwovens gennem elektrospinning.Fibre i nanoskala fanger fysisk PM, mens nanofibre i mikroskala reducerer trykfald og fungerer som en CsW-ramme.Chitosan er et biobaseret materiale, som har vist sig at have gode biologiske egenskaber, herunder biokompatibilitet, bionedbrydelighed og relativt lav toksicitet, [5] som kan reducere angsten forbundet med utilsigtet indånding af brugere.[5] Derudover har chitosan kationiske steder og polære amidgrupper.[5] Selv under fugtige forhold kan det tiltrække polære ultrafine partikler (såsom SO42- og NO3-).
Her rapporterer vi om et bionedbrydeligt, højeffektivt, fugttæt og lavtryksdråbemaskefilter baseret på let tilgængelige bionedbrydelige materialer.På grund af kombinationen af fysisk sigtning og elektrostatisk adsorption har det CsW-coatede mikrofiber/nanofiber integrerede filter en høj PM2.5 fjernelseseffektivitet (op til 98%), og samtidig er det maksimale trykfald på det tykkeste filter kun Det er 59 Pa, velegnet til menneskelig vejrtrækning.Sammenlignet med den betydelige ydeevneforringelse, som det kommercielle N95-filter udviser, udviser dette filter et ubetydeligt tab af PM-fjernelseseffektivitet (<1%), selv når det er helt vådt, på grund af den permanente CsW-ladning.Derudover er vores filtre fuldstændig biologisk nedbrydelige i komposteret jord inden for 4 uger.Sammenlignet med andre undersøgelser med lignende koncepter, hvor filterdelen er sammensat af biologisk nedbrydelige materialer, eller viser begrænset ydeevne i potentielle biopolymer nonwoven-applikationer, [6] viser dette filter direkte bionedbrydelighed af avancerede funktioner (film S1, understøttende information).
Som en komponent i Janus membranfilteret blev der først forberedt nanofiber og superfine fiber PBS måtter.Derfor blev 11% og 12% PBS-opløsninger elektrospundet for at producere henholdsvis nanometer- og mikrometerfibre på grund af deres forskel i viskositet.[7] De detaljerede oplysninger om opløsningens egenskaber og optimale elektrospinningsbetingelser er anført i tabel S1 og S2 i den understøttende information.Da fiberen som spundet stadig indeholder resterende opløsningsmiddel, tilsættes et yderligere vandkoagulationsbad til en typisk elektrospinningsanordning, som vist i figur 2a.Derudover kan vandbadet også bruge rammen til at opsamle den koagulerede rene PBS-fibermåtte, som er forskellig fra den faste matrix i de traditionelle omgivelser (Figur 2b).[7] De gennemsnitlige fiberdiametre for mikrofiber- og nanofibermåtterne er henholdsvis 2,25 og 0,51 µm, og de gennemsnitlige porediametre er henholdsvis 13,1 og 3,5 µm (figur 2c, d).Da 9:1 chloroform/ethanol-opløsningsmidlet fordamper hurtigt efter at være blevet frigivet fra dysen, øges viskositetsforskellen mellem 11 og 12 vægt% opløsninger hurtigt (Figur S1, understøttende information).[7] Derfor kan en koncentrationsforskel på kun 1 vægt% forårsage en væsentlig ændring i fiberdiameter.
Før kontrol af filterydelsen (Figur S2, understøttende information), for at sammenligne forskellige filtre med rimelighed, blev der fremstillet elektrospundne nonwovens af standardtykkelse, fordi tykkelsen er en vigtig faktor, der påvirker trykforskellen og filtreringseffektiviteten af filterydelsen.Da nonwovens er bløde og porøse, er det vanskeligt direkte at bestemme tykkelsen af elektrospundne nonwovens.Tykkelsen af stoffet er generelt proportional med overfladedensiteten (vægt pr. arealenhed, basisvægt).Derfor bruger vi i denne undersøgelse basisvægt (gm-2) som et effektivt mål for tykkelse.[8] Tykkelsen styres ved at ændre elektrospinningstiden, som vist i figur 2e.Når spindetiden øges fra 1 minut til 10 minutter, øges tykkelsen af mikrofibermåtten til henholdsvis 0,2, 2,0, 5,2 og 9,1 gm-2.På samme måde blev tykkelsen af nanofibermåtten øget til henholdsvis 0,2, 1,0, 2,5 og 4,8 gm-2.Mikrofiber- og nanofibermåtter er betegnet med deres tykkelsesværdier (gm-2) som: M0.2, M2.0, M5.2 og M9.1 og N0.2, N1.0, N2.5 og N4. 8.
Lufttryksforskellen (ΔP) for hele prøven er en vigtig indikator for filterydeevne.[9] At trække vejret gennem et filter med et højt trykfald er ubehageligt for brugeren.Naturligvis er det observeret, at trykfaldet stiger, når tykkelsen af filteret øges, som vist i figur S3, hvilket understøtter information.Nanofibermåtten (N4.8) viser et højere trykfald end mikrofibermåtten (M5.2) i en sammenlignelig tykkelse, fordi nanofibermåtten har mindre porer.Når luften passerer gennem filtret med en hastighed mellem 0,5 og 13,2 ms-1, stiger trykfaldet for de to forskellige typer filtre gradvist fra 101 Pa til 102 Pa. Tykkelsen bør optimeres for at balancere trykfaldet og PM-fjernelse effektivitet;en lufthastighed på 1,0 ms-1 er rimelig, fordi den tid, det tager for mennesker at trække vejret gennem munden, er omkring 1,3 ms-1.[10] I denne henseende er trykfaldet på M5.2 og N4.8 acceptabelt ved en lufthastighed på 1,0 ms-1 (mindre end 50 Pa) (Figur S4, understøttende information).Bemærk venligst, at trykfaldet for N95 og lignende koreanske filterstandardmasker (KF94) er henholdsvis 50 til 70 Pa.Yderligere CsW-behandling og mikro/nano-filterintegration kan øge luftmodstanden;derfor analyserede vi N2.5 og M2.0, før vi analyserede M5.2 og N4.8 for at give trykfaldsmarginen.
Ved en mållufthastighed på 1,0 ms-1 blev fjernelseseffektiviteten af PM1.0, PM2.5 og PM10 af PBS-mikrofiber- og nanofibermåtter undersøgt uden statisk ladning (figur S5, understøttende information).Det observeres, at effektiviteten af PM-fjernelse generelt stiger med stigningen i tykkelse og PM-størrelse.Fjernelseseffektiviteten af N2.5 er bedre end M2.0 på grund af dens mindre porer.Fjernelseseffektiviteten af M2.0 for PM1.0, PM2.5 og PM10 var henholdsvis 55.5%, 64.6% og 78.8%, mens de tilsvarende værdier for N2.5 var 71.9%, 80.1% og 89.6% (figur 2f).Vi har bemærket, at den største forskel i effektivitet mellem M2.0 og N2.5 er PM1.0, hvilket indikerer, at den fysiske sigtning af mikrofibernettet er effektiv til PM på mikronniveau, men ikke effektiv til PM på nanoniveau (figur S6, understøttende information)., M2.0 og N2.5 viser begge en lav PM-fangstevne på mindre end 90 %.Derudover kan N2.5 være mere modtagelig for støv end M2.0, fordi støvpartikler nemt kan blokere de mindre porer i N2.5.I fravær af statisk ladning er fysisk sigtning begrænset i sin evne til at opnå det krævede trykfald og fjernelseseffektivitet på samme tid på grund af afvejningsforholdet mellem dem.
Elektrostatisk adsorption er den mest udbredte metode til at fange PM på en effektiv måde.[11] Generelt påføres statisk ladning med magt til det ikke-vævede filter gennem et højenergi-elektrisk felt;denne statiske ladning spredes dog let under fugtige forhold, hvilket resulterer i tab af PM-fangstevne.[4] Som et biobaseret materiale til elektrostatisk filtrering introducerede vi 200 nm lang og 40 nm bred CsW;på grund af deres ammoniumgrupper og polære amidgrupper indeholder disse nanowhiskers permanente kationiske ladninger.Den tilgængelige positive ladning på overfladen af CsW er repræsenteret ved dets zeta-potentiale (ZP);CsW er dispergeret i vand med en pH på 4,8, og deres ZP er fundet at være +49,8 mV (figur S7, understøttende information).
CsW-coatede PBS-mikrofibre (ChM'er) og nanofibre (ChN'er) blev fremstillet ved simpel dyppebelægning i 0,2 vægt% CsW-vanddispersion, hvilket er den passende koncentration til at fastgøre den maksimale mængde CsW'er til overfladen af PBS-fibre, som vist i figur Vist i figur 3a og figur S8, understøttende information.Det nitrogenenergi dispersive røntgenspektroskopi (EDS) billede viser, at overfladen af PBS fiber er ensartet belagt med CsW partikler, hvilket også er tydeligt i scanning elektronmikroskop (SEM) billedet (figur 3b; figur S9, understøttende information) .Derudover gør denne belægningsmetode det muligt for ladede nanomaterialer at pakke fiberoverfladen fint ind og derved maksimere den elektrostatiske PM-fjernelsesevne (Figur S10, understøttende information).
PM-fjernelseseffektiviteten af ChM og ChN blev undersøgt (figur 3c).M2.0 og N2.5 blev coatet med CsW for at fremstille henholdsvis ChM2.0 og ChN2.5.Fjernelseseffektiviteten af ChM2.0 for PM1.0, PM2.5 og PM10 var henholdsvis 70.1%, 78.8% og 86.3%, mens de tilsvarende værdier for ChN2.5 var henholdsvis 77.0%, 87.7% og 94.6%.CsW-belægningen forbedrer i høj grad fjernelseseffektiviteten af M2.0 og N2.5, og effekten observeret for lidt mindre PM er mere signifikant.Især øgede chitosan nanowhiskers fjernelseseffektiviteten af M2.0's PM0.5 og PM1.0 med henholdsvis 15% og 13% (Figur S11, understøttende information).Selvom M2.0 er vanskelig at udelukke den mindre PM1.0 på grund af dens relativt brede fibrilafstand (figur 2c), adsorberer ChM2.0 PM1.0, fordi kationerne og amiderne i CsW'er passerer gennem ion-ion og kobler pol-ion-interaktion , og dipol-dipol interaktion med støv.På grund af dens CsW-belægning er PM-fjernelseseffektiviteten for ChM2.0 og ChN2.5 lige så høj som for tykkere M5.2 og N4.8 (tabel S3, understøttende information).
Interessant nok, selvom effektiviteten af PM-fjernelse er væsentligt forbedret, påvirker CsW-belægningen næppe trykfaldet.Trykfaldet for ChM2.0 og ChN2.5 steg lidt til 15 og 23 Pa, næsten halvdelen af stigningen observeret for M5.2 og N4.8 (figur 3d; tabel S3, understøttende information).Derfor er coating med biobaserede materialer en velegnet metode til at opfylde ydeevnekravene for to grundlæggende filtre;det vil sige PM-fjernelseseffektivitet og lufttryksforskel, som udelukker hinanden.Imidlertid er PM1.0- og PM2.5-fjernelseseffektiviteten af ChM2.0 og ChN2.5 begge lavere end 90 %;naturligvis skal denne ydeevne forbedres.
Et integreret filtreringssystem sammensat af flere membraner med gradvist skiftende fiberdiametre og porestørrelser kan løse ovenstående problemer [12].Det integrerede luftfilter har fordelene ved to forskellige nanofibre og superfine fibernet.I denne henseende stables ChM og ChN simpelthen for at producere integrerede filtre (Int-MN'er).For eksempel fremstilles Int-MN4.5 under anvendelse af ChM2.0 og ChN2.5, og dens ydeevne sammenlignes med ChN4.8 og ChM5.2, som har lignende arealdensiteter (dvs. tykkelse).I PM-fjernelseseffektivitetsforsøget blev den ultrafine fiberside af Int-MN4.5 eksponeret i det støvede rum, fordi den ultrafine fiberside var mere modstandsdygtig over for tilstopning end nanofibersiden.Som vist i figur 4a viser Int-MN4.5 bedre PM-fjernelseseffektivitet og trykforskel end to enkeltkomponentfiltre med et trykfald på 37 Pa, hvilket svarer til ChM5.2 og meget lavere end ChM5.2 ChN4.8. Derudover er PM1.0-fjernelseseffektiviteten af Int-MN4.5 91 % (figur 4b).På den anden side viste ChM5.2 ikke en så høj PM1.0-fjernelseseffektivitet, fordi dens porer er større end dem i Int-MN4.5.
Indlægstid: 3. november 2021
