Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Materiais Avanzados e Enxeñaría Química, Universidade de Ciencia e Tecnoloxía (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Materiais Avanzados e Enxeñaría Química, Universidade de Ciencia e Tecnoloxía (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Materiais Avanzados e Enxeñaría Química, Universidade de Ciencia e Tecnoloxía (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Materiais Avanzados e Enxeñaría Química, Universidade de Ciencia e Tecnoloxía (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Materiais Avanzados e Enxeñaría Química, Universidade de Ciencia e Tecnoloxía (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Centro de Investigación Química do Instituto de Tecnoloxía Química de Corea (KRICT), Ulsan, 44429, República de Corea
Materiais Avanzados e Enxeñaría Química, Universidade de Ciencia e Tecnoloxía (UST), Daejeon, 34113 República de Corea
Usa a seguinte ligazón para compartir a versión de texto completo deste artigo cos teus amigos e colegas.Aprender máis.
Debido á pandemia de coronavirus e aos problemas relacionados coas partículas (PM) no aire, a demanda de máscaras creceu exponencialmente.Non obstante, os filtros de máscara tradicionais baseados na electricidade estática e na nanopeneira son todos desbotables, non degradables ou reciclables, o que provocará graves problemas de residuos.Ademais, o primeiro perderá a súa función en condicións de humidade, mentres que o segundo funcionará cunha importante caída de presión do aire e producirase unha obstrución dos poros relativamente rápida.Aquí, desenvolveuse un filtro de máscara de fibra biodegradable, a proba de humidade, altamente transpirable e de alto rendemento.En resumo, dúas fibras ultrafinas biodegradables e alfombras de nanofibras están integradas no filtro de membrana Janus, e despois recubertas con nanobigotes de quitosano cargados catiónicamente.Este filtro é tan eficiente como o filtro comercial N95 e pode eliminar o 98,3% de 2,5 µm PM.As nanofibras filtran fisicamente partículas finas e as fibras ultrafinas proporcionan unha diferenza de presión baixa de 59 Pa, que é adecuada para a respiración humana.Ao contrario do forte descenso do rendemento dos filtros N95 comerciais cando se exponen á humidade, a perda de rendemento deste filtro é insignificante, polo que se pode usar varias veces porque o dipolo permanente do quitosano adsorbe PM ultrafina (por exemplo, nitróxeno).E óxidos de xofre).É importante que este filtro se descompoña completamente no chan compostado en 4 semanas.
A actual pandemia de coronavirus (COVID-19) sen precedentes está impulsando unha enorme demanda de máscaras.[1] A Organización Mundial da Saúde (OMS) estima que se necesitan 89 millóns de máscaras médicas cada mes este ano.[1] Non só os profesionais sanitarios necesitan máscaras N95 de alta eficiencia, senón que as máscaras de uso xeral para todos os individuos tamén se converteron nun equipamento diario indispensable para a prevención desta enfermidade infecciosa respiratoria.[1] Ademais, os ministerios relevantes recomendan encarecidamente o uso de máscaras desbotables todos os días, [1] isto provocou problemas ambientais relacionados con grandes cantidades de residuos de máscaras.
Dado que as partículas (PM) son actualmente o problema de contaminación do aire máis problemático, as máscaras convertéronse na contramedida máis eficaz dispoñible para os individuos.As PM divídense en PM2,5 e PM10 segundo o tamaño das partículas (2,5 e 10 μm respectivamente), o que afecta seriamente o medio natural [2] e a calidade da vida humana de varias maneiras.[2] Cada ano, o PM causa 4,2 millóns de mortes e 103,1 millóns de anos de vida axustados por discapacidade.[2] O PM2,5 supón unha ameaza especialmente grave para a saúde e está designado oficialmente como canceríxeno do grupo I.[2] Polo tanto, é oportuno e importante investigar e desenvolver un filtro de máscara eficiente en termos de permeabilidade ao aire e eliminación de PM.[3]
En xeral, os filtros de fibra tradicionais capturan PM de dúas formas diferentes: mediante cribado físico baseado en nanofibras e adsorción electrostática baseada en microfibras (Figura 1a).O uso de filtros baseados en nanofibras, especialmente esteras de nanofibras electrospun, demostrou ser unha estratexia eficaz para eliminar PM, que é o resultado da ampla dispoñibilidade de material e dunha estrutura de produto controlable.[3] A alfombra de nanofibras pode eliminar partículas do tamaño obxectivo, o cal é causado pola diferenza de tamaño entre as partículas e os poros.[3] Non obstante, as fibras a nanoescala necesitan ser densamente apiladas para formar poros extremadamente pequenos, que son prexudiciais para a respiración humana confortable debido á alta diferenza de presión asociada.Ademais, os pequenos buratos bloquearanse inevitablemente con relativa rapidez.
Por outra banda, a alfombra de fibra ultrafina fundida é cargada electrostáticamente por un campo eléctrico de alta enerxía e as partículas moi pequenas son capturadas pola adsorción electrostática.[4] Como exemplo representativo, o respirador N95 é un respirador de máscara facial que filtra partículas que cumpre os requisitos do Instituto Nacional de Seguridade e Saúde Laboral porque pode filtrar polo menos o 95% das partículas en suspensión no aire.Este tipo de filtro absorbe PM ultrafino, que adoita estar composto por substancias aniónicas como SO42− e NO3−, mediante unha forte atracción electrostática.Non obstante, a carga estática na superficie da alfombra de fibra disípase facilmente nun ambiente húmido, como se atopa na respiración humana húmida, [4] o que resulta nunha diminución da capacidade de adsorción.
Co fin de mellorar aínda máis o rendemento da filtración ou resolver o compromiso entre a eficiencia de eliminación e a caída de presión, os filtros baseados en nanofibras e microfibras combínanse con materiais de alta k, como materiais de carbono, estruturas metálicas orgánicas e nanopartículas de PTFE.[4] Porén, a incerta toxicidade biolóxica e a disipación de carga destes aditivos aínda son problemas inevitables.[4] En particular, estes dous tipos de filtros tradicionais adoitan ser non degradables, polo que eventualmente serán enterrados en vertedoiros ou incinerados despois do seu uso.Polo tanto, o desenvolvemento de filtros de máscara mellorados para resolver estes problemas de residuos e ao mesmo tempo capturar PM de forma satisfactoria e potente é unha importante necesidade actual.
Para resolver os problemas anteriores, fabricamos un filtro de membrana Janus integrado con alfombras de microfibra e nanofibras a base de poli(butileno succinato) (a base de PBS)[5].O filtro de membrana Janus está recuberto de nanobigotes de quitosano (CsWs) [5] (Figura 1b).Como todos sabemos, o PBS é un polímero biodegradable representativo, que pode producir fibras ultrafinas e nanofibras non tecidas mediante electrospinning.As fibras a nanoescala atrapan fisicamente PM, mentres que as nanofibras a microescala reducen a caída de presión e actúan como un marco CsW.O quitosano é un material de base biolóxica que ten boas propiedades biolóxicas, incluíndo biocompatibilidade, biodegradabilidade e toxicidade relativamente baixa, [5] que pode reducir a ansiedade asociada á inhalación accidental dos usuarios.[5] Ademais, o quitosano ten sitios catiónicos e grupos amida polares.[5] Mesmo en condicións húmidas, pode atraer partículas ultrafinas polares (como SO42- e NO3-).
Aquí, informamos dun filtro de máscara biodegradable, de alta eficiencia, a proba de humidade e de baixa presión baseado en materiais biodegradables facilmente dispoñibles.Debido á combinación de tamizado físico e adsorción electrostática, o filtro integrado de microfibra/nanofibra revestido de CsW ten unha alta eficiencia de eliminación de PM2.5 (ata o 98%) e, ao mesmo tempo, a caída de presión máxima no filtro máis groso é só É 59 Pa, apto para a respiración humana.En comparación coa significativa degradación do rendemento que presenta o filtro comercial N95, este filtro presenta unha perda insignificante da eficiencia de eliminación de PM (<1%) mesmo cando está totalmente húmido, debido á carga CsW permanente.Ademais, os nosos filtros son completamente biodegradables en solo compostado en 4 semanas.En comparación con outros estudos con conceptos similares, nos que a parte do filtro está composta de materiais biodegradables, ou mostra un rendemento limitado en potenciais aplicacións de biopolímeros non tecidos, [6] este filtro mostra directamente a Biodegradabilidade de características avanzadas (película S1, información de apoio).
Como compoñente do filtro de membrana Janus, preparáronse por primeira vez alfombras PBS de nanofibras e fibras superfinas.Polo tanto, solucións de PBS ao 11% e ao 12% foron electrospun para producir fibras nanométricas e micrmétricas, respectivamente, debido á súa diferenza de viscosidade.[7] A información detallada das características da solución e das condicións óptimas de electrospinning aparecen nas táboas S1 e S2, na información de apoio.Dado que a fibra as-spun aínda contén disolvente residual, engádese un baño de coagulación de auga adicional a un dispositivo de electrospinning típico, como se mostra na Figura 2a.Ademais, o baño de auga tamén pode usar o marco para recoller a alfombra de fibra de PBS pura coagulada, que é diferente da matriz sólida na configuración tradicional (Figura 2b).[7] Os diámetros medios de fibra das alfombras de microfibra e nanofibra son 2,25 e 0,51 µm, respectivamente, e os diámetros medios dos poros son de 13,1 e 3,5 µm, respectivamente (Figura 2c, d).Como o disolvente de cloroformo/etanol 9:1 se evapora rapidamente despois de ser liberado da boquilla, a diferenza de viscosidade entre as solucións de 11 e 12% en peso aumenta rapidamente (Figura S1, información de apoio).[7] Polo tanto, unha diferenza de concentración de só 1% en peso pode causar un cambio significativo no diámetro da fibra.
Antes de comprobar o rendemento do filtro (Figura S2, información de apoio), para comparar varios filtros de forma razoable, fabricáronse tecidos non tecidos electrospun de grosor estándar, porque o grosor é un factor importante que afecta á diferenza de presión e á eficiencia da filtración do rendemento do filtro.Dado que os non tecidos son brandos e porosos, é difícil determinar directamente o grosor dos non tecidos electrospun.O grosor do tecido é xeralmente proporcional á densidade superficial (peso por unidade de superficie, peso base).Polo tanto, neste estudo, usamos o peso base (gm-2) como unha medida efectiva de espesor.[8] O grosor contrólase cambiando o tempo de electrospinning, como se mostra na Figura 2e.A medida que o tempo de xiro aumenta de 1 minuto a 10 minutos, o grosor da alfombra de microfibra aumenta a 0,2, 2,0, 5,2 e 9,1 gm-2, respectivamente.Do mesmo xeito, o grosor da alfombra de nanofibra aumentou a 0,2, 1,0, 2,5 e 4,8 gm-2, respectivamente.As alfombras de microfibra e nanofibra desígnanse polos seus valores de espesor (gm-2) como: M0.2, M2.0, M5.2 e M9.1 e N0.2, N1.0, N2.5 e N4. 8.
A diferenza de presión do aire (ΔP) de toda a mostra é un indicador importante do rendemento do filtro.[9] Respirar a través dun filtro cunha caída de presión elevada é incómodo para o usuario.Naturalmente, obsérvase que a caída de presión aumenta a medida que aumenta o grosor do filtro, como se mostra na Figura S3, información de apoio.A alfombra de nanofibra (N4.8) mostra unha maior caída de presión que a alfombra de microfibra (M5.2) cun grosor comparable porque a alfombra de nanofibra ten poros máis pequenos.A medida que o aire atravesa o filtro a unha velocidade entre 0,5 e 13,2 ms-1, a caída de presión dos dous tipos diferentes de filtros aumenta gradualmente de 101 Pa a 102 Pa. O grosor debe optimizarse para equilibrar a caída de presión e a eliminación de PM. eficiencia;unha velocidade do aire de 1,0 ms-1 é razoable porque o tempo que tarda os humanos en respirar pola boca é duns 1,3 ms-1.[10] Neste sentido, a caída de presión de M5.2 e N4.8 é aceptable a unha velocidade do aire de 1,0 ms-1 (menos de 50 Pa) (Figura S4, información de apoio).Teña en conta que a caída de presión das máscaras N95 e as máscaras de filtro coreano estándar (KF94) similares son de 50 a 70 Pa, respectivamente.O procesamento adicional de CsW e a integración de filtros micro/nano poden aumentar a resistencia do aire;polo tanto, para proporcionar unha marxe de caída de presión, analizamos N2.5 e M2.0 antes de analizar M5.2 e N4.8.
A unha velocidade de aire obxectivo de 1,0 ms-1, estudouse a eficiencia de eliminación de PM1,0, PM2,5 e PM10 de microfibras e nanofibras de PBS sen carga estática (Figura S5, información de apoio).Obsérvase que a eficiencia de eliminación de PM xeralmente aumenta co aumento do grosor e do tamaño das PM.A eficiencia de eliminación de N2.5 é mellor que M2.0 debido aos seus poros máis pequenos.As eficiencias de eliminación de M2.0 para PM1.0, PM2.5 e PM10 foron do 55,5%, 64,6% e 78,8%, respectivamente, mentres que os valores similares de N2,5 foron do 71,9%, 80,1% e 89,6% (Figura). 2f).Observamos que a maior diferenza de eficiencia entre M2.0 e N2.5 é PM1.0, o que indica que o tamizado físico da malla de microfibra é efectivo para PM a nivel de micras, pero non é efectivo para PM de nivel nano (Figura S6, información de apoio)., M2.0 e N2.5 mostran unha baixa capacidade de captura de PM de menos do 90%.Ademais, o N2.5 pode ser máis susceptible ao po que o M2.0, porque as partículas de po poden bloquear facilmente os poros máis pequenos do N2.5.En ausencia de carga estática, o tamizado físico está limitado na súa capacidade para acadar a caída de presión necesaria e a eficiencia de eliminación ao mesmo tempo debido á relación de compensación entre eles.
A adsorción electrostática é o método máis utilizado para capturar PM dunha forma eficiente.[11] Xeralmente, a carga estática aplícase á forza ao filtro non tecido a través dun campo eléctrico de alta enerxía;porén, esta carga estática disípase facilmente en condicións húmidas, o que provoca a perda da capacidade de captura de PM.[4] Como material de base biolóxica para a filtración electrostática, introducimos CsW de 200 nm de longo e 40 nm de ancho;debido aos seus grupos de amonio e grupos amida polares, estes nanobigotes conteñen cargas catiónicas permanentes.A carga positiva dispoñible na superficie de CsW está representada polo seu potencial zeta (ZP);CsW está disperso en auga cun pH de 4,8, e a súa ZP é de +49,8 mV (Figura S7, información de apoio).
As microfibras (ChMs) e as nanofibras (ChNs) de PBS revestidas de CsW preparáronse mediante un simple revestimento por inmersión en dispersión de auga de CsW ao 0,2% en peso, que é a concentración adecuada para unir a máxima cantidade de CsW á superficie das fibras de PBS, como se mostra no figura Amosada na Figura 3a e na Figura S8, información de apoio.A imaxe de espectroscopia de raios X de dispersión de enerxía de nitróxeno (EDS) mostra que a superficie da fibra PBS está recuberta uniformemente de partículas CsW, o que tamén é evidente na imaxe do microscopio electrónico de varrido (SEM) (Figura 3b; Figura S9, información de apoio) .Ademais, este método de revestimento permite aos nanomateriais cargados envolver finamente a superficie da fibra, maximizando así a capacidade de eliminación de PM electrostática (Figura S10, información de apoio).
Estudouse a eficiencia de eliminación de PM de ChM e ChN (Figura 3c).M2.0 e N2.5 foron recubertos con CsW para producir ChM2.0 e ChN2.5, respectivamente.As eficiencias de eliminación de ChM2.0 para PM1.0, PM2.5 e PM10 foron do 70,1%, 78,8% e 86,3%, respectivamente, mentres que os valores similares de ChN2,5 foron do 77,0%, 87,7% e 94,6% respectivamente.O revestimento CsW mellora moito a eficiencia de eliminación de M2.0 e N2.5, e o efecto observado para PM lixeiramente menor é máis significativo.En particular, os nanobigotes de quitosano aumentaron a eficiencia de eliminación de PM0.5 e PM1.0 de M2.0 nun 15% e 13%, respectivamente (Figura S11, información de apoio).Aínda que M2.0 é difícil excluír o PM1.0 máis pequeno debido ao seu espazo de fibrila relativamente amplo (Figura 2c), ChM2.0 adsorbe PM1.0 porque os catións e amidas en CsWs pasan a través do ión-ión, acoplando a interacción polo-ión. , e interacción dipolo-dipolo co po.Debido ao seu revestimento CsW, a eficiencia de eliminación de PM de ChM2.0 e ChN2.5 é tan alta como a dos M5.2 e N4.8 máis grosos (táboa S3, información complementaria).
Curiosamente, aínda que a eficiencia de eliminación de PM mellora moito, o revestimento CsW apenas afecta á caída de presión.A caída de presión de ChM2.0 e ChN2.5 aumentou lixeiramente ata 15 e 23 Pa, case a metade do aumento observado para M5.2 e N4.8 (Figura 3d; Táboa S3, información de apoio).Polo tanto, o revestimento con materiais de base biolóxica é un método axeitado para cumprir os requisitos de rendemento de dous filtros básicos;é dicir, a eficiencia de eliminación de PM e a diferenza de presión do aire, que son mutuamente excluíntes.Non obstante, a eficacia de eliminación de PM1.0 e PM2.5 de ChM2.0 e ChN2.5 é inferior ao 90 %;obviamente, este rendemento debe mellorarse.
Un sistema de filtración integrado composto por múltiples membranas con diámetros de fibra e tamaños de poros que cambian gradualmente pode resolver os problemas anteriores [12].O filtro de aire integrado ten as vantaxes de dúas nanofibras diferentes e redes de fibra superfina.Neste sentido, ChM e ChN simplemente apiláronse para producir filtros integrados (Int-MN).Por exemplo, o Int-MN4.5 prepárase usando ChM2.0 e ChN2.5, e o seu rendemento compárase con ChN4.8 e ChM5.2 que teñen densidades de superficie similares (é dicir, grosor).No experimento de eficiencia de eliminación de PM, o lado de fibra ultrafina de Int-MN4.5 quedou exposto na sala poeirenta porque o lado de fibra ultrafina era máis resistente á obstrución que o lado da nanofibra.Como se mostra na Figura 4a, o Int-MN4.5 mostra unha mellor eficiencia de eliminación de PM e diferenza de presión que dous filtros dun só compoñente, cunha caída de presión de 37 Pa, que é similar a ChM5.2 e moito menor que ChM5.2 ChN4.8. Ademais, a eficiencia de eliminación de PM1.0 de Int-MN4.5 é do 91% (Figura 4b).Por outra banda, ChM5.2 non mostrou unha eficiencia de eliminación de PM1.0 tan alta porque os seus poros son máis grandes que os de Int-MN4.5.
Hora de publicación: 03-nov-2021
