Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korea Vabariik
Korea Keemiatehnoloogia Instituudi (KRICT) biopõhise keemia uurimiskeskus, Ulsan, 44429, Korea Vabariik
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korea Vabariik
Kasutage allolevat linki, et jagada selle artikli täisteksti oma sõprade ja kolleegidega.rohkem teada saada.
Koroonaviiruse pandeemia ja õhus leiduvate tahkete osakeste (PM) probleemide tõttu on nõudlus maskide järele hüppeliselt kasvanud.Traditsioonilised staatilisel elektril ja nanosõelal põhinevad maskifiltrid on aga kõik ühekordselt kasutatavad, mittelagunevad või taaskasutatavad, mis põhjustab tõsiseid jäätmeprobleeme.Lisaks kaotab esimene niisketes tingimustes oma funktsiooni, teine aga töötab olulise õhurõhu langusega ja tekib suhteliselt kiire pooride ummistus.Siin on välja töötatud biolagunev, niiskuskindel, hästi hingav ja suure jõudlusega kiudmaski filter.Lühidalt öeldes on kaks biolagunevat ülipeent kiudu ja nanokiudmatti integreeritud Januse membraanfiltrisse ning seejärel kaetud katiooniliselt laetud kitosaani nanovurridega.See filter on sama tõhus kui kaubanduslik N95 filter ja suudab eemaldada 98,3% 2,5 µm PM-st.Nanokiud sõeluvad füüsiliselt peenosakesi ja ülipeened kiud tagavad madala rõhuerinevuse 59 Pa, mis sobib inimese hingamiseks.Vastupidiselt kaubanduslike N95 filtrite jõudluse järsule langusele niiskusega kokkupuutel on selle filtri jõudluse kaotus tühine, mistõttu saab seda kasutada mitu korda, kuna kitosaani püsidipool adsorbeerib ülipeeneid osakesi (näiteks lämmastikku).Ja vääveloksiidid).On oluline, et see filter laguneks täielikult kompostitud pinnases 4 nädala jooksul.
Praegune enneolematu koroonaviiruse pandeemia (COVID-19) põhjustab tohutut nõudlust maskide järele.[1] Maailma Terviseorganisatsiooni (WHO) hinnangul kulub sel aastal igal kuul 89 miljonit meditsiinilist maski.[1] Tervishoiutöötajad ei vaja mitte ainult tõhusaid N95 maske, vaid ka kõigile inimestele mõeldud üldkasutatavad maskid on muutunud selle hingamisteede nakkushaiguse ennetamiseks asendamatuks igapäevaseks varustuseks.[1] Lisaks soovitavad asjaomased ministeeriumid tungivalt kasutada iga päev ühekordseid maske, [1] see on toonud kaasa keskkonnaprobleeme, mis on seotud suurte koguste maskijäätmetega.
Kuna tahked osakesed (PM) on praegu kõige problemaatilisem õhusaasteprobleem, on maskidest saanud kõige tõhusam vastumeede üksikisikute jaoks.PM jagatakse osakeste suuruse järgi PM2,5 ja PM10 (vastavalt 2,5 ja 10 μm), mis mõjutab mitmel viisil tõsiselt looduskeskkonda [2] ja inimelu kvaliteeti.[2] Igal aastal põhjustab PM 4,2 miljonit surmajuhtumit ja 103,1 miljonit puudega korrigeeritud eluaastat.[2] PM2,5 kujutab endast eriti tõsist ohtu tervisele ja on ametlikult nimetatud I rühma kantserogeeniks.[2] Seetõttu on õigeaegne ja oluline uurida ja välja töötada tõhus maskifilter õhu läbilaskvuse ja tahkete osakeste eemaldamise seisukohast.[3]
Üldiselt püüavad traditsioonilised kiudfiltrid PM-i kahel erineval viisil: nanokiududel põhineva füüsilise sõelumise ja mikrokiududel põhineva elektrostaatilise adsorptsiooni kaudu (joonis 1a).Nanofiiberpõhiste filtrite, eriti elektrokedratud nanokiudmattide kasutamine on osutunud tõhusaks strateegiaks tahkete osakeste eemaldamiseks, mis on materjalide ulatusliku kättesaadavuse ja kontrollitava tootestruktuuri tulemus.[3] Nanokiudmatt suudab eemaldada sihtsuuruses osakesed, mis on põhjustatud osakeste ja pooride suuruse erinevusest.[3] Nanomastaabis kiud tuleb aga tihedalt laduda, et moodustuksid üliväikesed poorid, mis kaasneva suure rõhuerinevuse tõttu kahjustavad inimese mugavat hingamist.Lisaks blokeeruvad väikesed augud paratamatult suhteliselt kiiresti.
Teisest küljest on sulapuhutud ülipeen kiudmatt elektrostaatiliselt laetud suure energiaga elektrivälja toimel ja väga väikesed osakesed püütakse kinni elektrostaatilise adsorptsiooni abil.[4] Tüüpilise näitena on respiraator N95 osakesi filtreeriv näomaski respiraator, mis vastab riikliku tööohutuse ja töötervishoiu instituudi nõuetele, kuna suudab filtreerida vähemalt 95% õhus leiduvatest osakestest.Seda tüüpi filter neelab tugeva elektrostaatilise külgetõmbe kaudu ülipeeneid osakesi, mis tavaliselt koosnevad anioonsetest ainetest, nagu SO42− ja NO3−.Kiudmati pinnal olev staatiline laeng hajub aga kergesti niiskes keskkonnas, näiteks inimese niiskes hingamises, [4] mille tulemusena väheneb adsorptsioonivõime.
Filtreerimise tõhususe edasiseks parandamiseks või eemaldamise tõhususe ja rõhulanguse vahelise kompromissi lahendamiseks kombineeritakse nanokiududel ja mikrokiududel põhinevaid filtreid kõrge k-tasemega materjalidega, nagu süsinikmaterjalid, metallist orgaanilised karkassid ja PTFE nanoosakesed.[4] Siiski on nende lisaainete ebakindel bioloogiline toksilisus ja laengu hajumine endiselt vältimatud probleemid.[4] Eelkõige on need kahte tüüpi traditsioonilised filtrid tavaliselt mittelagunevad, nii et need maetakse pärast kasutamist lõpuks prügilasse või põletatakse.Seetõttu on praegu oluline vajadus täiustatud maskifiltrite väljatöötamine nende jäätmeprobleemide lahendamiseks ja samal ajal PM-i rahuldaval ja võimsal hõivamiseks.
Ülaltoodud probleemide lahendamiseks oleme valmistanud Januse membraanfiltri, mis on integreeritud polü(butüleensuktsinaadi)põhiste (PBS-põhiste)[5] mikrokiud- ja nanokiudmattidega.Januse membraanfilter on kaetud kitosaani nanovurridega (CsW) [5] (joonis 1b).Nagu me kõik teame, on PBS tüüpiline biolagunev polümeer, mis suudab elektriketramise teel toota ülipeeneid kiud- ja nanokiust lausriide.Nanomastaabis kiud püüavad PM füüsiliselt kinni, samas kui mikromastaabis nanokiud vähendavad rõhulangust ja toimivad CsW raamistikuna.Kitosaan on biopõhine materjal, millel on tõestatult head bioloogilised omadused, sealhulgas biosobivus, biolagunevus ja suhteliselt madal toksilisus, [5] mis võib vähendada kasutajate juhusliku sissehingamisega seotud ärevust.[5] Lisaks on kitosaanis katioonseid kohti ja polaarseid amiidrühmi.[5] Isegi niisketes tingimustes võib see ligi tõmmata polaarseid ülipeeneid osakesi (nagu SO42- ja NO3-).
Siin kirjeldame biolagunevat, kõrge efektiivsusega, niiskuskindlat ja madala rõhuga tilkmaski filtrit, mis põhineb kergesti kättesaadavatel biolagunevatel materjalidel.Tänu füüsilise sõelumise ja elektrostaatilise adsorptsiooni kombinatsioonile on CsW-kattega mikrokiud/nanokiud integreeritud filtril kõrge PM2,5 eemaldamise efektiivsus (kuni 98%) ning samal ajal on maksimaalne rõhulang paksemal filtril ainult See on 59 Pa, sobib inimese hingamiseks.Võrreldes N95 kaubandusliku filtriga esineva olulise jõudluse halvenemisega on sellel filtril osakeste eemaldamise efektiivsuse kadu tühine (<1%) isegi siis, kui see on täielikult märjaks, püsiva CsW laengu tõttu.Lisaks on meie filtrid kompostitud pinnases täielikult biolagunevad 4 nädala jooksul.Võrreldes teiste sarnaste kontseptsioonidega uuringutega, milles filtriosa koosneb biolagunevatest materjalidest või millel on potentsiaalsete biopolümeersete lausriide rakenduste puhul piiratud jõudlus, [6] näitab see filter otseselt täiustatud funktsioonide biolagunevust (film S1, toetav teave).
Januse membraanfiltri komponendina valmistati esmalt nanokiust ja ülipeenest kiust PBS matid.Seetõttu tsentrifuugiti 11% ja 12% PBS lahuseid vastavalt nanomeetri ja mikromeetri kiudude tootmiseks nende viskoossuse erinevuse tõttu.[7] Üksikasjalik teave lahuse omaduste ja optimaalsete elektriketrustingimuste kohta on toodud lisateabe tabelites S1 ja S2.Kuna kedratud kiud sisaldab endiselt lahusti jääke, lisatakse tüüpilisele elektriketrusseadmele täiendav veekoagulatsioonivann, nagu on näidatud joonisel 2a.Lisaks saab veevannis kasutada raami ka koaguleeritud puhta PBS-kiudmati kogumiseks, mis erineb traditsioonilises seadistuses tahkest maatriksist (joonis 2b).[7] Mikrokiud- ja nanokiudmattide keskmine kiu läbimõõt on vastavalt 2,25 ja 0,51 µm ning pooride keskmine läbimõõt on vastavalt 13,1 ja 3,5 µm (joonis 2c, d).Kuna 9:1 kloroformi/etanooli lahusti aurustub pärast düüsist vabanemist kiiresti, suureneb viskoossuse erinevus 11–12 massiprotsendi lahuste vahel kiiresti (joonis S1, lisateave).[7] Seetõttu võib ainult 1 massiprotsenti suurune kontsentratsiooni erinevus põhjustada olulise muutuse kiu läbimõõdus.
Enne filtri jõudluse kontrollimist (joonis S2, lisateave) valmistati erinevate filtrite mõistlikuks võrdlemiseks standardpaksusega elektrokedratud lausriie, kuna paksus on oluline tegur, mis mõjutab filtri jõudluse rõhuerinevust ja filtreerimise efektiivsust.Kuna lausriie on pehme ja poorne, on elektrokedratud lausriide paksust raske otseselt määrata.Kanga paksus on üldjuhul võrdeline pinnatihedusega (pinnaühiku kaal, ruutmass).Seetõttu kasutame selles uuringus tõhusa paksuse mõõdikuna ruutmassi (gm-2).[8] Paksust reguleeritakse elektriketramisaja muutmisega, nagu on näidatud joonisel 2e.Kui ketrusaeg pikeneb 1 minutilt 10 minutile, suureneb mikrokiudmati paksus vastavalt 0,2, 2,0, 5,2 ja 9,1 gm-2.Samamoodi suurendati nanokiudmati paksust vastavalt 0,2, 1,0, 2,5 ja 4,8 gm-2-ni.Mikrokiud- ja nanokiudmatte tähistatakse nende paksuse väärtuste (gm-2) järgi: M0,2, M2,0, M5,2 ja M9,1 ning N0,2, N1,0, N2,5 ja N4. 8.
Kogu proovi õhurõhu erinevus (ΔP) on filtri jõudluse oluline näitaja.[9] Hingamine läbi suure rõhulangusega filtri on kasutajale ebamugav.Loomulikult on täheldatud, et rõhulang suureneb filtri paksuse kasvades, nagu on näidatud toetava teabe joonisel S3.Nanokiudmatil (N4.8) on võrreldava paksuse juures suurem rõhulang kui mikrokiudmatil (M5.2), kuna nanokiudmatil on väiksemad poorid.Kui õhk läbib filtrit kiirusega 0,5–13,2 ms-1, suureneb kahe erinevat tüüpi filtri rõhulang järk-järgult 101 Pa-lt 102 Pa-le. Paksus tuleks optimeerida, et tasakaalustada rõhukadu ja tahkete osakeste eemaldamist. tõhusus;õhu kiirus 1,0 ms-1 on mõistlik, sest aeg, mis inimesel kulub suu kaudu hingamiseks, on umbes 1,3 ms-1.[10] Sellega seoses on M5.2 ja N4.8 rõhulang vastuvõetav õhukiirusel 1,0 ms-1 (alla 50 Pa) (joonis S4, lisateave).Pange tähele, et N95 ja sarnaste Korea filtristandardiga (KF94) maskide rõhulang on vastavalt 50 kuni 70 Pa.Täiendav CsW töötlemine ja mikro-/nanofiltri integreerimine võib suurendada õhutakistust;seetõttu analüüsisime rõhulanguse varu saamiseks N2,5 ja M2,0 enne M5,2 ja N4,8 analüüsimist.
Sihtõhu kiirusel 1,0 ms-1 uuriti PBS-mikrokiud- ja nanokiudmattide PM1,0, PM2,5 ja PM10 eemaldamise efektiivsust ilma staatilise laenguta (joonis S5, toetav teave).Täheldatakse, et PM eemaldamise efektiivsus suureneb üldiselt paksuse ja PM suuruse suurenemisega.N2.5 eemaldamise efektiivsus on selle väiksemate pooride tõttu parem kui M2.0.M2,0 eemaldamise efektiivsus PM1,0, PM2,5 ja PM10 puhul oli vastavalt 55,5%, 64,6% ja 78,8%, samas kui N2,5 sarnased väärtused olid 71,9%, 80,1% ja 89,6% (joonis). 2f).Märkasime, et suurim erinevus efektiivsuses M2.0 ja N2.5 vahel on PM1.0, mis näitab, et mikrokiudvõrgu füüsiline sõelumine on efektiivne mikronitasemel tahkete osakeste puhul, kuid ei ole efektiivne nanotaseme PM puhul (joonis S6, toetav teave)., M2.0 ja N2.5 mõlemad näitavad madalat PM püüdmisvõimet alla 90%.Lisaks võib N2.5 olla tolmule vastuvõtlikum kui M2.0, sest tolmuosakesed võivad kergesti blokeerida N2.5 väiksemaid poore.Staatilise laengu puudumisel on füüsilise sõelumise võime samaaegselt saavutada vajalik rõhulang ja eemaldamise efektiivsus piiratud, kuna nende vahel on kompromiss.
Elektrostaatiline adsorptsioon on kõige laialdasemalt kasutatav meetod PM tõhusaks püüdmiseks.[11] Üldiselt rakendatakse mittekootud filtrile staatiline laeng sunniviisiliselt läbi suure energiaga elektrivälja;see staatiline laeng hajub aga niisketes tingimustes kergesti, mille tulemuseks on tahkete osakeste püüdmise võime kadu.[4] Elektrostaatilise filtreerimise biopõhise materjalina võtsime kasutusele 200 nm pikkuse ja 40 nm laiuse CsW;ammooniumrühmade ja polaarsete amiidrühmade tõttu sisaldavad need nanovurrud püsivaid katioonseid laenguid.Olemasolev positiivne laeng CsW pinnal on esindatud selle zeta potentsiaaliga (ZP);CsW on dispergeeritud vees, mille pH on 4,8, ja nende ZP on +49,8 mV (joonis S7, toetav teave).
CsW-ga kaetud PBS-mikrokiud (ChM-id) ja nanokiud (ChN-id) valmistati lihtsa kastmisega katmisega 0,2 massiprotsendilises CsW-vesidispersioonis, mis on sobiv kontsentratsioon maksimaalse CsW-koguse kinnitamiseks PBS-kiudude pinnale, nagu on näidatud joonisel joonis Joonistel 3a ja joonistel S8 näidatud tugiteave.Lämmastikuenergiat hajutava röntgenspektroskoopia (EDS) pilt näitab, et PBS-kiu pind on ühtlaselt kaetud CsW osakestega, mis ilmneb ka skaneeriva elektronmikroskoobi (SEM) pildil (joonis 3b; joonis S9, toetav teave) .Lisaks võimaldab see katmismeetod laetud nanomaterjalidel kiu pinda peeneks mähkida, maksimeerides seeläbi elektrostaatilist tahkete osakeste eemaldamise võimet (joonis S10, lisateave).
Uuriti ChM ja ChN PM eemaldamise efektiivsust (joonis 3c).M2.0 ja N2.5 kaeti CsW-ga, et saada vastavalt ChM2.0 ja ChN2.5.ChM2.0 eemaldamise efektiivsus PM1.0, PM2.5 ja PM10 puhul oli vastavalt 70,1%, 78,8% ja 86,3%, samas kui ChN2.5 sarnased väärtused olid vastavalt 77,0%, 87,7% ja 94,6%.CsW kate parandab oluliselt M2.0 ja N2.5 eemaldamise efektiivsust ning veidi väiksemate osakeste puhul on täheldatud mõju märkimisväärsem.Eelkõige suurendasid kitosaani nanovurrud M2.0 PM0.5 ja PM1.0 eemaldamise efektiivsust vastavalt 15% ja 13% (joonis S11, lisateave).Kuigi M2.0 on raske välistada väiksemat PM1.0 selle suhteliselt laia fibrillide vahe tõttu (joonis 2c), adsorbeerib ChM2.0 PM1.0, kuna CsW-des olevad katioonid ja amiidid läbivad ioon-iooni, sidudes pooluse-iooni interaktsiooni ja dipool-dipool interaktsiooni tolmuga.Tänu CsW-kattele on ChM2.0 ja ChN2.5 tahkete osakeste eemaldamise efektiivsus sama kõrge kui paksematel M5.2 ja N4.8 (tabel S3, lisateave).
Huvitav on see, et kuigi tahkete osakeste eemaldamise efektiivsus on oluliselt paranenud, ei mõjuta CsW kate rõhulangust peaaegu.ChM2.0 ja ChN2.5 rõhulangus suurenes veidi 15 ja 23 Pa-ni, mis on peaaegu pool M5.2 ja N4.8 puhul täheldatud tõusust (joonis 3d; tabel S3, lisateave).Seetõttu on biopõhiste materjalidega katmine sobiv meetod kahe põhifiltri jõudlusnõuete täitmiseks;ehk tahkete osakeste eemaldamise efektiivsus ja õhurõhu erinevus, mis on üksteist välistavad.Siiski on ChM2.0 ja ChN2.5 PM1.0 ja PM2.5 eemaldamise efektiivsus mõlemad alla 90%;ilmselgelt tuleb seda jõudlust parandada.
Integreeritud filtreerimissüsteem, mis koosneb mitmest membraanist järk-järgult muutuva kiudude läbimõõdu ja pooride suurusega, võib lahendada ülaltoodud probleemid [12].Integreeritud õhufiltril on kahe erineva nanokiu ja ülipeene kiudvõrgu eelised.Sellega seoses on ChM ja ChN integreeritud filtrite (Int-MN) tootmiseks lihtsalt virnastatud.Näiteks Int-MN4.5 valmistatakse ChM2.0 ja ChN2.5 abil ning selle jõudlust võrreldakse ChN4.8 ja ChM5.2-ga, millel on sarnane pindala tihedus (st paksus).PM eemaldamise efektiivsuse katses paljastati Int-MN4.5 ülipeen kiu pool tolmuses ruumis, kuna ülipeen kiu pool oli ummistumise suhtes vastupidavam kui nanokiu pool.Nagu on näidatud joonisel 4a, näitab Int-MN4.5 paremat tahkete osakeste eemaldamise efektiivsust ja rõhuerinevust kui kahel ühekomponendilisel filtril, rõhulangusega 37 Pa, mis on sarnane ChM5.2-ga ja palju väiksem kui ChM5.2 ChN4.8. Lisaks on Int-MN4.5 PM1.0 eemaldamise efektiivsus 91% (joonis 4b).Teisest küljest ei näidanud ChM5.2 nii kõrget PM1.0 eemaldamise efektiivsust, kuna selle poorid on suuremad kui Int-MN4.5 poorid.
Postitusaeg: nov-03-2021
