Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Δημοκρατία της Κορέας
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republic of Korea
Χρησιμοποιήστε τον παρακάτω σύνδεσμο για να μοιραστείτε την πλήρη έκδοση αυτού του άρθρου με τους φίλους και τους συναδέλφους σας.Μάθε περισσότερα.
Λόγω της πανδημίας του κορωνοϊού και των ζητημάτων που σχετίζονται με τα σωματίδια (PM) στον αέρα, η ζήτηση για μάσκες έχει αυξηθεί εκθετικά.Ωστόσο, τα παραδοσιακά φίλτρα μάσκας που βασίζονται σε στατικό ηλεκτρισμό και νανοκόσκινο είναι όλα μιας χρήσης, μη αποικοδομήσιμα ή ανακυκλώσιμα, γεγονός που θα προκαλέσει σοβαρά προβλήματα με τα απόβλητα.Επιπλέον, το πρώτο θα χάσει τη λειτουργία του σε συνθήκες υγρασίας, ενώ το δεύτερο θα λειτουργεί με σημαντική πτώση της πίεσης του αέρα και θα προκύψει σχετικά γρήγορη απόφραξη των πόρων.Εδώ, έχει αναπτυχθεί ένα βιοδιασπώμενο, ανθεκτικό στην υγρασία, εξαιρετικά αναπνεύσιμο φίλτρο μάσκας ινών υψηλής απόδοσης.Εν ολίγοις, δύο βιοαποδομήσιμες εξαιρετικά λεπτές ίνες και στρώματα νανοϊνών ενσωματώνονται στο φίλτρο μεμβράνης Janus και, στη συνέχεια, επικαλύπτονται με κατιονικά φορτισμένους νανομουστάκια χιτοζάνης.Αυτό το φίλτρο είναι εξίσου αποτελεσματικό με το εμπορικό φίλτρο N95 και μπορεί να αφαιρέσει το 98,3% των 2,5 μm PM.Οι νανοΐνες προστατεύουν φυσικά τα λεπτά σωματίδια και οι εξαιρετικά λεπτές ίνες παρέχουν μια χαμηλή διαφορά πίεσης 59 Pa, η οποία είναι κατάλληλη για την ανθρώπινη αναπνοή.Σε αντίθεση με την απότομη πτώση της απόδοσης των εμπορικών φίλτρων N95 όταν εκτίθενται σε υγρασία, η απώλεια απόδοσης αυτού του φίλτρου είναι αμελητέα, επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί πολλές φορές επειδή το μόνιμο δίπολο της χιτοζάνης προσροφά εξαιρετικά λεπτά PM (για παράδειγμα, άζωτο).και οξείδια του θείου).Είναι σημαντικό αυτό το φίλτρο να αποσυντεθεί πλήρως στο κομποστοποιημένο έδαφος εντός 4 εβδομάδων.
Η τρέχουσα άνευ προηγουμένου πανδημία του κορωνοϊού (COVID-19) προκαλεί τεράστια ζήτηση για μάσκες.[1] Ο Παγκόσμιος Οργανισμός Υγείας (ΠΟΥ) υπολογίζει ότι χρειάζονται 89 εκατομμύρια ιατρικές μάσκες κάθε μήνα φέτος.[1] Όχι μόνο οι επαγγελματίες υγείας χρειάζονται μάσκες N95 υψηλής απόδοσης, αλλά οι μάσκες γενικής χρήσης για όλα τα άτομα έχουν γίνει επίσης απαραίτητος καθημερινός εξοπλισμός για την πρόληψη αυτής της μολυσματικής νόσου του αναπνευστικού.[1] Επιπλέον, τα αρμόδια υπουργεία συνιστούν ανεπιφύλακτα τη χρήση μάσκας μιας χρήσης κάθε μέρα, [1] αυτό έχει οδηγήσει σε περιβαλλοντικά προβλήματα που σχετίζονται με μεγάλες ποσότητες απορριμμάτων μάσκας.
Δεδομένου ότι τα σωματίδια (PM) είναι επί του παρόντος το πιο προβληματικό πρόβλημα ατμοσφαιρικής ρύπανσης, οι μάσκες έχουν γίνει το πιο αποτελεσματικό αντίμετρο που είναι διαθέσιμο για τα άτομα.Τα PM χωρίζονται σε PM2,5 και PM10 ανάλογα με το μέγεθος των σωματιδίων (2,5 και 10μm αντίστοιχα), γεγονός που επηρεάζει σοβαρά το φυσικό περιβάλλον [2] και την ποιότητα της ανθρώπινης ζωής με διάφορους τρόπους.[2] Κάθε χρόνο, το PM προκαλεί 4,2 εκατομμύρια θανάτους και 103,1 εκατομμύρια έτη ζωής προσαρμοσμένα στην αναπηρία.[2] Το PM2,5 αποτελεί ιδιαίτερα σοβαρή απειλή για την υγεία και έχει χαρακτηριστεί επίσημα ως καρκινογόνο της ομάδας Ι.[2] Ως εκ τούτου, είναι επίκαιρη και σημαντική η έρευνα και η ανάπτυξη ενός αποτελεσματικού φίλτρου μάσκας όσον αφορά τη διαπερατότητα του αέρα και την αφαίρεση PM.[3]
Σε γενικές γραμμές, τα παραδοσιακά φίλτρα ινών συλλαμβάνουν τα PM με δύο διαφορετικούς τρόπους: μέσω φυσικού κοσκινίσματος με βάση νανοΐνες και ηλεκτροστατικής προσρόφησης με βάση μικροΐνες (Εικόνα 1α).Η χρήση φίλτρων που βασίζονται σε νανοΐνες, ειδικά τα στρώματα νανοϊνών με ηλεκτροϊνοποίηση, έχει αποδειχθεί αποτελεσματική στρατηγική για την απομάκρυνση των PM, η οποία είναι το αποτέλεσμα της εκτεταμένης διαθεσιμότητας υλικών και της ελεγχόμενης δομής του προϊόντος.[3] Το στρώμα νανοϊνών μπορεί να αφαιρέσει σωματίδια του μεγέθους στόχου, το οποίο προκαλείται από τη διαφορά μεγέθους μεταξύ των σωματιδίων και των πόρων.[3] Ωστόσο, οι ίνες νανοκλίμακας πρέπει να στοιβάζονται πυκνά για να σχηματίσουν εξαιρετικά μικρούς πόρους, οι οποίοι είναι επιβλαβείς για την άνετη ανθρώπινη αναπνοή λόγω της σχετικής διαφοράς υψηλής πίεσης.Επιπλέον, οι μικρές τρύπες αναπόφευκτα θα φράξουν σχετικά γρήγορα.
Από την άλλη πλευρά, το τήγμα εξαιρετικά λεπτών ινών με τήξη φορτίζεται ηλεκτροστατικά από ένα ηλεκτρικό πεδίο υψηλής ενέργειας και πολύ μικρά σωματίδια συλλαμβάνονται με ηλεκτροστατική προσρόφηση.[4] Ως αντιπροσωπευτικό παράδειγμα, ο αναπνευστήρας N95 είναι ένας αναπνευστήρας μάσκας προσώπου με φιλτράρισμα σωματιδίων που πληροί τις απαιτήσεις του Εθνικού Ινστιτούτου Επαγγελματικής Ασφάλειας και Υγείας επειδή μπορεί να φιλτράρει τουλάχιστον το 95% των αιωρούμενων σωματιδίων.Αυτός ο τύπος φίλτρου απορροφά εξαιρετικά λεπτά PM, τα οποία συνήθως αποτελούνται από ανιονικές ουσίες όπως SO42− και NO3−, μέσω ισχυρής ηλεκτροστατικής έλξης.Ωστόσο, το στατικό φορτίο στην επιφάνεια του στρώματος ινών διαχέεται εύκολα σε ένα υγρό περιβάλλον, όπως βρίσκεται στην υγρή ανθρώπινη αναπνοή, [4] με αποτέλεσμα τη μείωση της ικανότητας προσρόφησης.
Προκειμένου να βελτιωθεί περαιτέρω η απόδοση του φιλτραρίσματος ή να λυθεί η αντιστάθμιση μεταξύ αποτελεσματικότητας αφαίρεσης και πτώσης πίεσης, τα φίλτρα που βασίζονται σε νανοΐνες και μικροΐνες συνδυάζονται με υλικά υψηλής ποιότητας, όπως υλικά άνθρακα, μεταλλικά οργανικά πλαίσια και νανοσωματίδια PTFE.[4] Ωστόσο, η αβέβαιη βιολογική τοξικότητα και η διάχυση φορτίου αυτών των προσθέτων εξακολουθούν να είναι αναπόφευκτα προβλήματα.[4] Συγκεκριμένα, αυτοί οι δύο τύποι παραδοσιακών φίλτρων είναι συνήθως μη αποικοδομήσιμα, επομένως τελικά θα ταφούν σε χώρους υγειονομικής ταφής ή θα αποτεφρωθούν μετά τη χρήση.Ως εκ τούτου, η ανάπτυξη βελτιωμένων φίλτρων μάσκας για την επίλυση αυτών των προβλημάτων αποβλήτων και ταυτόχρονα τη σύλληψη των PM με ικανοποιητικό και ισχυρό τρόπο είναι μια σημαντική τρέχουσα ανάγκη.
Προκειμένου να λύσουμε τα παραπάνω προβλήματα, κατασκευάσαμε ένα φίλτρο μεμβράνης Janus ενσωματωμένο με πατάκια μικροϊνών και νανοϊνών με βάση πολυ(βουτυλενικό ηλεκτρικό) (με βάση PBS)[5].Το φίλτρο μεμβράνης Janus είναι επικαλυμμένο με νανο μουστάκια χιτοζάνης (CsWs) [5] (Εικόνα 1β).Όπως όλοι γνωρίζουμε, το PBS είναι ένα αντιπροσωπευτικό βιοδιασπώμενο πολυμερές, το οποίο μπορεί να παράγει εξαιρετικά λεπτές ίνες και μη υφασμένα νανοϊνών μέσω ηλεκτροϊνοποίησης.Οι ίνες νανοκλίμακας παγιδεύουν φυσικά τα PM, ενώ οι νανο-ίνες μικροκλίμακας μειώνουν την πτώση πίεσης και λειτουργούν ως πλαίσιο CsW.Η χιτοζάνη είναι ένα βιολογικό υλικό που έχει αποδειχθεί ότι έχει καλές βιολογικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της βιοσυμβατότητας, της βιοδιασπασιμότητας και της σχετικά χαμηλής τοξικότητας, [5] που μπορεί να μειώσει το άγχος που σχετίζεται με την τυχαία εισπνοή των χρηστών.[5] Επιπλέον, η χιτοζάνη έχει κατιονικές θέσεις και πολικές αμιδικές ομάδες.[5] Ακόμη και υπό υγρές συνθήκες, μπορεί να προσελκύσει πολικά εξαιρετικά λεπτά σωματίδια (όπως SO42- και NO3-).
Εδώ, αναφέρουμε ένα βιοδιασπώμενο, υψηλής απόδοσης, ανθεκτικό στην υγρασία και φίλτρο μάσκας πτώσης χαμηλής πίεσης που βασίζεται σε άμεσα διαθέσιμα βιοδιασπώμενα υλικά.Λόγω του συνδυασμού φυσικού κοσκινίσματος και ηλεκτροστατικής προσρόφησης, το ενσωματωμένο φίλτρο μικροϊνών/νανοϊνών με επίστρωση CsW έχει υψηλή απόδοση αφαίρεσης PM2,5 (έως 98%) και ταυτόχρονα, η μέγιστη πτώση πίεσης στο παχύτερο φίλτρο είναι μόνο Είναι 59 Pa, κατάλληλο για ανθρώπινη αναπνοή.Σε σύγκριση με τη σημαντική υποβάθμιση της απόδοσης που παρουσιάζει το εμπορικό φίλτρο N95, αυτό το φίλτρο εμφανίζει αμελητέα απώλεια απόδοσης αφαίρεσης PM (<1%) ακόμα και όταν είναι τελείως υγρό, λόγω της μόνιμης φόρτισης CsW.Επιπλέον, τα φίλτρα μας είναι πλήρως βιοδιασπώμενα σε κομποστοποιημένο έδαφος εντός 4 εβδομάδων.Σε σύγκριση με άλλες μελέτες με παρόμοιες έννοιες, στις οποίες το τμήμα φίλτρου αποτελείται από βιοδιασπώμενα υλικά ή παρουσιάζει περιορισμένη απόδοση σε πιθανές μη υφασμένες εφαρμογές βιοπολυμερούς, [6] αυτό το φίλτρο δείχνει άμεσα Βιοδιασπασιμότητα προηγμένων χαρακτηριστικών (ταινία S1, υποστηρικτικές πληροφορίες).
Ως συστατικό του φίλτρου μεμβράνης Janus, παρασκευάστηκαν για πρώτη φορά τα στρώματα PBS από νανοΐνες και εξαιρετικά λεπτές ίνες.Επομένως, διαλύματα PBS 11% και 12% υποβλήθηκαν σε ηλεκτροϊνοποίηση για να παραχθούν ίνες νανομέτρων και μικρομετρικών ινών, αντίστοιχα, λόγω της διαφοράς τους στο ιξώδες.[7] Οι λεπτομερείς πληροφορίες για τα χαρακτηριστικά του διαλύματος και τις βέλτιστες συνθήκες ηλεκτροϊνοποίησης παρατίθενται στους Πίνακες S1 και S2, στις υποστηρικτικές πληροφορίες.Εφόσον η κλωσμένη ίνα εξακολουθεί να περιέχει υπολειμματικό διαλύτη, ένα επιπλέον λουτρό πήξης νερού προστίθεται σε μια τυπική συσκευή ηλεκτροϊνοποίησης, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2α.Επιπλέον, το λουτρό νερού μπορεί επίσης να χρησιμοποιήσει το πλαίσιο για να συλλέξει το πηγμένο στρώμα από καθαρή ίνα PBS, το οποίο είναι διαφορετικό από το στερεό πλέγμα στην παραδοσιακή ρύθμιση (Εικόνα 2β).[7] Οι μέσες διάμετροι ινών των χαλιών μικροϊνών και νανοϊνών είναι 2,25 και 0,51 μm, αντίστοιχα, και οι μέσες διάμετροι πόρων είναι 13,1 και 3,5 μm, αντίστοιχα (Εικόνα 2γ, δ).Καθώς ο διαλύτης χλωροφόρμιου/αιθανόλης 9:1 εξατμίζεται γρήγορα μετά την απελευθέρωση από το ακροφύσιο, η διαφορά ιξώδους μεταξύ διαλυμάτων 11 και 12% κ.β. αυξάνεται γρήγορα (Εικόνα S1, υποστηρικτικές πληροφορίες).[7] Επομένως, μια διαφορά συγκέντρωσης μόνο 1 wt% μπορεί να προκαλέσει σημαντική αλλαγή στη διάμετρο της ίνας.
Πριν από τον έλεγχο της απόδοσης του φίλτρου (Εικόνα S2, υποστηρικτικές πληροφορίες), προκειμένου να συγκριθούν εύλογα διάφορα φίλτρα, κατασκευάστηκαν μη υφασμένα με ηλεκτροϊνοποίηση τυπικού πάχους, επειδή το πάχος είναι ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τη διαφορά πίεσης και την απόδοση φιλτραρίσματος της απόδοσης του φίλτρου.Δεδομένου ότι τα μη υφαντά είναι μαλακά και πορώδη, είναι δύσκολο να προσδιοριστεί άμεσα το πάχος των μη υφασμένων υφασμάτων με ηλεκτροϊνοποίηση.Το πάχος του υφάσματος είναι γενικά ανάλογο με την επιφανειακή πυκνότητα (βάρος ανά μονάδα επιφάνειας, βασικό βάρος).Επομένως, σε αυτή τη μελέτη, χρησιμοποιούμε το βασικό βάρος (gm-2) ως αποτελεσματικό μέτρο του πάχους.[8] Το πάχος ελέγχεται με αλλαγή του χρόνου ηλεκτροϊνοποίησης, όπως φαίνεται στο σχήμα 2e.Καθώς ο χρόνος στυψίματος αυξάνεται από 1 λεπτό σε 10 λεπτά, το πάχος του στρώματος μικροϊνών αυξάνεται σε 0,2, 2,0, 5,2 και 9,1 gm-2, αντίστοιχα.Με τον ίδιο τρόπο, το πάχος του στρώματος νανοϊνών αυξήθηκε σε 0,2, 1,0, 2,5 και 4,8 gm-2, αντίστοιχα.Τα χαλάκια μικροϊνών και νανοϊνών χαρακτηρίζονται από τις τιμές πάχους τους (gm-2) ως: M0.2, M2.0, M5.2 και M9.1 και N0.2, N1.0, N2.5 και N4. 8.
Η διαφορά πίεσης αέρα (ΔP) ολόκληρου του δείγματος είναι ένας σημαντικός δείκτης της απόδοσης του φίλτρου.[9] Η αναπνοή μέσω ενός φίλτρου με υψηλή πτώση πίεσης είναι άβολη για τον χρήστη.Φυσικά, παρατηρείται ότι η πτώση πίεσης αυξάνεται καθώς αυξάνεται το πάχος του φίλτρου, όπως φαίνεται στο Σχήμα S3, που υποστηρίζουν πληροφορίες.Το στρώμα νανοϊνών (N4.8) παρουσιάζει μεγαλύτερη πτώση πίεσης από το στρώμα μικροϊνών (M5.2) σε συγκρίσιμο πάχος, επειδή το στρώμα από νανοΐνες έχει μικρότερους πόρους.Καθώς ο αέρας διέρχεται από το φίλτρο με ταχύτητα μεταξύ 0,5 και 13,2 ms-1, η πτώση πίεσης των δύο διαφορετικών τύπων φίλτρων αυξάνεται σταδιακά από 101 Pa σε 102 Pa. Το πάχος πρέπει να βελτιστοποιηθεί για να εξισορροπηθεί η πτώση πίεσης και η αφαίρεση PM αποδοτικότητα;μια ταχύτητα αέρα 1,0 ms-1 είναι λογική επειδή ο χρόνος που χρειάζεται για να αναπνεύσει ο άνθρωπος από το στόμα είναι περίπου 1,3 ms-1.[10] Από αυτή την άποψη, η πτώση πίεσης των M5.2 και N4.8 είναι αποδεκτή με ταχύτητα αέρα 1,0 ms-1 (λιγότερη από 50 Pa) (Εικόνα S4, υποστηρικτικές πληροφορίες).Λάβετε υπόψη ότι η πτώση πίεσης των μασκών N95 και παρόμοιων κορεατικών προτύπων φίλτρων (KF94) είναι 50 έως 70 Pa, αντίστοιχα.Η περαιτέρω επεξεργασία CsW και η ενσωμάτωση μικρο/νανοφίλτρου μπορούν να αυξήσουν την αντίσταση του αέρα.Επομένως, για να δώσουμε περιθώριο πτώσης πίεσης, αναλύσαμε τα N2.5 και M2.0 πριν αναλύσουμε τα M5.2 και N4.8.
Με ταχύτητα αέρα στόχου 1,0 ms-1, μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης των PM1,0, PM2,5 και PM10 από μικροΐνες PBS και χαλάκια νανοϊνών χωρίς στατικό φορτίο (Εικόνα S5, υποστηρικτικές πληροφορίες).Παρατηρείται ότι η απόδοση αφαίρεσης PM γενικά αυξάνεται με την αύξηση του πάχους και του μεγέθους των PM.Η αποτελεσματικότητα αφαίρεσης του N2.5 είναι καλύτερη από το M2.0 λόγω των μικρότερων πόρων του.Οι αποδόσεις απομάκρυνσης του M2.0 για τα PM1.0, PM2.5 και PM10 ήταν 55.5%, 64.6% και 78.8%, αντίστοιχα, ενώ οι παρόμοιες τιμές του N2.5 ήταν 71.9%, 80.1% και 89.6% (Εικόνα 2στ).Παρατηρήσαμε ότι η μεγαλύτερη διαφορά στην απόδοση μεταξύ M2.0 και N2.5 είναι το PM1.0, το οποίο δείχνει ότι το φυσικό κοσκίνισμα του πλέγματος μικροϊνών είναι αποτελεσματικό για PM σε επίπεδο micron, αλλά δεν είναι αποτελεσματικό για PM σε νανοεπίπεδο (Εικόνα S6, υποστηρικτικές πληροφορίες)., M2.0 και N2.5 παρουσιάζουν και τα δύο χαμηλή ικανότητα σύλληψης PM μικρότερη από 90%.Επιπλέον, το N2.5 μπορεί να είναι πιο ευαίσθητο στη σκόνη από το M2.0, επειδή τα σωματίδια σκόνης μπορούν εύκολα να φράξουν τους μικρότερους πόρους του N2.5.Ελλείψει στατικού φορτίου, το φυσικό κοσκίνισμα είναι περιορισμένο στην ικανότητά του να επιτυγχάνει την απαιτούμενη πτώση πίεσης και αποτελεσματικότητα αφαίρεσης ταυτόχρονα λόγω της σχέσης ανταλλαγής μεταξύ τους.
Η ηλεκτροστατική προσρόφηση είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος για τη σύλληψη των PM με αποτελεσματικό τρόπο.[11] Γενικά, το στατικό φορτίο εφαρμόζεται αναγκαστικά στο μη υφασμένο φίλτρο μέσω ενός ηλεκτρικού πεδίου υψηλής ενέργειας.Ωστόσο, αυτό το στατικό φορτίο διαχέεται εύκολα υπό συνθήκες υγρασίας, με αποτέλεσμα την απώλεια της ικανότητας σύλληψης PM.[4] Ως υλικό βιολογικής βάσης για ηλεκτροστατική διήθηση, εισαγάγαμε CsW μήκους 200 nm και πλάτους 40 nm.Λόγω των ομάδων αμμωνίου και των πολικών αμιδικών ομάδων τους, αυτοί οι νανοουίσκι περιέχουν μόνιμα κατιονικά φορτία.Το διαθέσιμο θετικό φορτίο στην επιφάνεια του CsW αντιπροσωπεύεται από το ζήτα δυναμικό του (ZP).Το CsW διασπείρεται σε νερό με pH 4,8 και το ZP τους βρίσκεται +49,8 mV (Εικόνα S7, υποστηρικτικές πληροφορίες).
Οι επικαλυμμένες με CsW μικροΐνες PBS (ChMs) και οι νανοΐνες (ChNs) παρασκευάστηκαν με απλή επίστρωση εμβάπτισης σε διασπορά νερού 0,2 wt% CsW, η οποία είναι η κατάλληλη συγκέντρωση για την προσάρτηση της μέγιστης ποσότητας CsWs στην επιφάνεια των ινών PBS, όπως φαίνεται στο σχήμα Εμφανίζεται στο Σχήμα 3α και στο Σχήμα S8, υποστηρικτικές πληροφορίες.Η εικόνα φασματοσκοπίας ακτίνων Χ διασποράς ενέργειας αζώτου (EDS) δείχνει ότι η επιφάνεια της ίνας PBS είναι ομοιόμορφα επικαλυμμένη με σωματίδια CsW, κάτι που είναι επίσης εμφανές στην εικόνα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) (Εικόνα 3β· Εικόνα S9, υποστηρικτικές πληροφορίες) .Επιπλέον, αυτή η μέθοδος επίστρωσης αυτή επιτρέπει στα φορτισμένα νανοϋλικά να τυλίγουν λεπτή την επιφάνεια των ινών, μεγιστοποιώντας έτσι την ικανότητα ηλεκτροστατικής αφαίρεσης PM (Εικόνα S10, υποστηρικτικές πληροφορίες).
Μελετήθηκε η αποτελεσματικότητα αφαίρεσης PM των ChM και ChN (Εικόνα 3c).Τα Μ2.0 και Ν2.5 επικαλύφθηκαν με CsW για την παραγωγή ChM2.0 και ChN2.5, αντίστοιχα.Οι αποδόσεις αφαίρεσης του ChM2.0 για τα PM1.0, PM2.5 και PM10 ήταν 70.1%, 78.8% και 86.3%, αντίστοιχα, ενώ οι παρόμοιες τιμές του ChN2.5 ήταν 77.0%, 87.7% και 94.6% αντίστοιχα.Η επίστρωση CsW βελτιώνει σημαντικά την απόδοση αφαίρεσης των M2.0 και N2.5 και το αποτέλεσμα που παρατηρείται για ελαφρώς μικρότερα PM είναι πιο σημαντικό.Συγκεκριμένα, οι νανομουστάκια χιτοζάνης αύξησαν την αποτελεσματικότητα αφαίρεσης των PM0.5 και PM1.0 του M2.0 κατά 15% και 13%, αντίστοιχα (Εικόνα S11, υποστηρικτικές πληροφορίες).Αν και το M2.0 είναι δύσκολο να αποκλειστεί το μικρότερο PM1.0 λόγω της σχετικά μεγάλης απόστασης των ινιδίων του (Εικόνα 2γ), το ChM2.0 προσροφά το PM1.0 επειδή τα κατιόντα και τα αμίδια στα CsWs περνούν μέσω ιόντων-ιόντων, συνδέοντας την αλληλεπίδραση ιόντων πόλων , και αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου με τη σκόνη.Λόγω της επίστρωσής του CsW, η απόδοση αφαίρεσης PM των ChM2.0 και ChN2.5 είναι τόσο υψηλή όσο αυτή των παχύτερων M5.2 και N4.8 (Πίνακας S3, υποστηρικτικές πληροφορίες).
Είναι ενδιαφέρον ότι, παρόλο που η απόδοση αφαίρεσης PM έχει βελτιωθεί σημαντικά, η επίστρωση CsW δεν επηρεάζει σχεδόν καθόλου την πτώση πίεσης.Η πτώση πίεσης των ChM2.0 και ChN2.5 αυξήθηκε ελαφρά στα 15 και 23 Pa, σχεδόν η μισή αύξηση που παρατηρήθηκε για τα M5.2 και N4.8 (Εικόνα 3δ, Πίνακας S3, υποστηρικτικές πληροφορίες).Επομένως, η επίστρωση με υλικά βιολογικής βάσης είναι μια κατάλληλη μέθοδος για την κάλυψη των απαιτήσεων απόδοσης δύο βασικών φίλτρων.δηλαδή απόδοση αφαίρεσης PM και διαφορά πίεσης αέρα, που αλληλοαποκλείονται.Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα αφαίρεσης PM1.0 και PM2.5 των ChM2.0 και ChN2.5 είναι και τα δύο χαμηλότερα από 90%.προφανώς, αυτή η απόδοση πρέπει να βελτιωθεί.
Ένα ολοκληρωμένο σύστημα φιλτραρίσματος που αποτελείται από πολλαπλές μεμβράνες με σταδιακά μεταβαλλόμενες διαμέτρους ινών και μεγέθη πόρων μπορεί να λύσει τα παραπάνω προβλήματα [12].Το ενσωματωμένο φίλτρο αέρα έχει τα πλεονεκτήματα δύο διαφορετικών νανοϊνών και εξαιρετικά λεπτών διχτυών από ίνες.Από αυτή την άποψη, τα ChM και ChN απλώς στοιβάζονται για να παράγουν ολοκληρωμένα φίλτρα (Int-MNs).Για παράδειγμα, το Int-MN4.5 παρασκευάζεται χρησιμοποιώντας ChM2.0 και ChN2.5 και η απόδοσή του συγκρίνεται με τα ChN4.8 και ChM5.2 που έχουν παρόμοιες τοπικές πυκνότητες (δηλ. πάχος).Στο πείραμα απόδοσης αφαίρεσης PM, η πλευρά της εξαιρετικά λεπτής ίνας του Int-MN4.5 εκτέθηκε στο δωμάτιο με σκόνη επειδή η πλευρά της εξαιρετικά λεπτής ίνας ήταν πιο ανθεκτική στο φράξιμο από την πλευρά της νανοΐνας.Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4α, το Int-MN4.5 δείχνει καλύτερη απόδοση αφαίρεσης PM και διαφορά πίεσης από δύο φίλτρα ενός συστατικού, με πτώση πίεσης 37 Pa, που είναι παρόμοια με το ChM5.2 και πολύ χαμηλότερη από το ChM5.2 ChN4.8. Επιπλέον, η απόδοση αφαίρεσης PM1.0 του Int-MN4.5 είναι 91% (Εικόνα 4β).Από την άλλη, το ChM5.2 δεν έδειξε τόσο υψηλή απόδοση αφαίρεσης PM1.0 επειδή οι πόροι του είναι μεγαλύτεροι από εκείνους του Int-MN4.5.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-03-2021
