Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i kemijsko inženjerstvo, Sveučilište znanosti i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i kemijsko inženjerstvo, Sveučilište znanosti i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i kemijsko inženjerstvo, Sveučilište znanosti i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i kemijsko inženjerstvo, Sveučilište znanosti i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i kemijsko inženjerstvo, Sveučilište znanosti i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski institut za kemijsku tehnologiju (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Napredni materijali i kemijsko inženjerstvo, Sveučilište znanosti i tehnologije (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Upotrijebite donju poveznicu kako biste podijelili potpuni tekst ovog članka sa svojim prijateljima i kolegama.Saznajte više.
Zbog pandemije koronavirusa i problema povezanih s česticama (PM) u zraku, potražnja za maskama eksponencijalno je porasla.Međutim, svi tradicionalni filtri za maske temeljeni na statičkom elektricitetu i nano situ su jednokratni, nerazgradivi ili reciklirajući, što će uzrokovati ozbiljne probleme s otpadom.Osim toga, prvi će izgubiti svoju funkciju u vlažnim uvjetima, dok će drugi raditi uz značajan pad tlaka zraka i doći će do relativno brzog začepljenja pora.Ovdje je razvijen biorazgradivi filter maske od vlakana otporan na vlagu, vrlo prozračan i visokoučinkovit.Ukratko, dva biorazgradiva ultrafina vlakna i prostirka od nanovlakana integrirana su u Janus membranski filtar, a zatim obložena kationski nabijenim kitozanskim nanovlaknima.Ovaj je filtar jednako učinkovit kao komercijalni filtar N95 i može ukloniti 98,3% čestica veličine 2,5 µm.Nanovlakna fizički filtriraju fine čestice, a ultrafina vlakna daju nisku razliku tlaka od 59 Pa, što je primjereno ljudskom disanju.Za razliku od naglog pada učinkovitosti komercijalnih N95 filtara kada su izloženi vlazi, gubitak učinkovitosti ovog filtra je zanemariv, tako da se može koristiti više puta jer trajni dipol kitozana adsorbira ultrafine PM (na primjer, dušik).I sumporni oksidi).Važno je da se ovaj filter potpuno razgradi u kompostiranom tlu unutar 4 tjedna.
Trenutna pandemija koronavirusa bez presedana (COVID-19) potiče veliku potražnju za maskama.[1] Svjetska zdravstvena organizacija (WHO) procjenjuje da je ove godine svakog mjeseca potrebno 89 milijuna medicinskih maski.[1] Ne samo da zdravstveni djelatnici trebaju visokoučinkovite maske N95, već su i maske opće namjene za sve pojedince postale nezamjenjiva dnevna oprema za prevenciju ove respiratorne zarazne bolesti.[1] Osim toga, nadležna ministarstva snažno preporučuju svakodnevnu upotrebu jednokratnih maski, [1] što je dovelo do ekoloških problema povezanih s velikim količinama otpada od maski.
Budući da su čestice (PM) trenutno najproblematičniji problem onečišćenja zraka, maske su postale najučinkovitija protumjera dostupna pojedincima.PM se dijeli na PM2,5 i PM10 prema veličini čestica (2,5 odnosno 10 μm), što ozbiljno utječe na prirodni okoliš [2] i kvalitetu ljudskog života na razne načine.[2] Svake godine PM uzrokuje 4,2 milijuna smrti i 103,1 milijun godina života prilagođenih invalidnosti.[2] PM2.5 predstavlja posebno ozbiljnu prijetnju zdravlju i službeno je označen kao karcinogen skupine I.[2] Stoga je pravodobno i važno istražiti i razviti učinkovit filtar maske u smislu propusnosti zraka i uklanjanja čestica.[3]
Općenito govoreći, tradicionalni vlaknasti filtri hvataju PM na dva različita načina: fizičkim prosijavanjem na temelju nanovlakana i elektrostatskom adsorpcijom na temelju mikrovlakana (Slika 1a).Korištenje filtara na bazi nanovlakana, posebno elektropredenih prostirki od nanovlakana, pokazalo se učinkovitom strategijom za uklanjanje PM, što je rezultat opsežne dostupnosti materijala i strukture proizvoda koja se može kontrolirati.[3] Podloga od nanovlakana može ukloniti čestice ciljane veličine, što je uzrokovano razlikom u veličini između čestica i pora.[3] Međutim, vlakna nanorazmjera moraju biti gusto naslagana kako bi oblikovala iznimno male pore, koje su štetne za udobno ljudsko disanje zbog povezane visoke razlike tlaka.Osim toga, male rupe će neizbježno relativno brzo biti blokirane.
S druge strane, meltblown ultrafina vlaknasta prostirka je elektrostatički nabijena električnim poljem visoke energije, a vrlo male čestice se hvataju elektrostatičkom adsorpcijom.[4] Kao reprezentativni primjer, respirator N95 je respirator s maskom za lice s filtriranjem čestica koji ispunjava zahtjeve Nacionalnog instituta za sigurnost i zdravlje na radu jer može filtrirati najmanje 95% čestica u zraku.Ova vrsta filtera apsorbira ultrafine čestice, koje se obično sastoje od anionskih tvari kao što su SO42− i NO3−, putem snažnog elektrostatskog privlačenja.Međutim, statički naboj na površini vlaknaste prostirke lako se raspršuje u vlažnom okruženju, kao što se nalazi u vlažnom ljudskom disanju, [4] što rezultira smanjenjem adsorpcijskog kapaciteta.
Kako bi se dodatno poboljšala učinkovitost filtracije ili riješio kompromis između učinkovitosti uklanjanja i pada tlaka, filtri koji se temelje na nanovlaknima i mikrovlaknima kombiniraju se s materijalima s visokim k-om, kao što su ugljični materijali, metalni organski okviri i PTFE nanočestice.[4] Međutim, nesigurna biološka toksičnost i rasipanje naboja ovih aditiva još uvijek su neizbježni problemi.[4] Konkretno, ove dvije vrste tradicionalnih filtara obično nisu razgradivi, pa će na kraju biti zakopani na odlagalištima ili spaljeni nakon upotrebe.Stoga je razvoj poboljšanih filtara maske za rješavanje ovih problema s otpadom i istovremeno hvatanje PM na zadovoljavajući i snažan način važna trenutačna potreba.
Kako bismo riješili gore navedene probleme, proizveli smo Janus membranski filtar integriran s podlogama od mikrovlakana i nanovlakana na bazi poli(butilen sukcinata) (na bazi PBS) [5].Janus membranski filtar presvučen je kitozanskim nano brkovima (CsWs) [5] (Slika 1b).Kao što svi znamo, PBS je reprezentativni biorazgradivi polimer, koji može proizvesti ultrafina vlakna i netkana vlakna elektropredenjem.Nano vlakna fizički hvataju PM, dok nano vlakna mikro razmjera smanjuju pad tlaka i djeluju kao CsW okvir.Hitozan je materijal na biološkoj bazi za koji je dokazano da ima dobra biološka svojstva, uključujući biokompatibilnost, biorazgradivost i relativno nisku toksičnost, [5] što može smanjiti tjeskobu povezanu sa slučajnim udisanjem kod korisnika.[5] Osim toga, kitozan ima kationska mjesta i polarne amidne skupine.[5] Čak i pod vlažnim uvjetima, može privući polarne ultrafine čestice (kao što su SO42- i NO3-).
Ovdje izvješćujemo o biorazgradivom, visokoučinkovitom, otpornom na vlagu i niskotlačnom filtru maske koji se temelji na lako dostupnim biorazgradivim materijalima.Zbog kombinacije fizičkog prosijavanja i elektrostatičke adsorpcije, integrirani filtar od mikrovlakana/nanovlakana obložen CsW-om ima visoku učinkovitost uklanjanja PM2,5 (do 98%), a u isto vrijeme maksimalni pad tlaka na najdebljem filtru je samo To je 59 Pa, pogodno za ljudsko disanje.U usporedbi sa značajnim smanjenjem performansi koje pokazuje komercijalni filtar N95, ovaj filtar pokazuje zanemariv gubitak učinkovitosti uklanjanja čestica (<1%) čak i kada je potpuno mokar, zbog trajnog CsW punjenja.Osim toga, naši filtri su potpuno biorazgradivi u kompostiranom tlu unutar 4 tjedna.U usporedbi s drugim studijama sa sličnim konceptima, u kojima je dio filtra sastavljen od biorazgradivih materijala ili pokazuje ograničene performanse u potencijalnim primjenama biopolimernog netkanog materijala, [6] ovaj filtar izravno pokazuje biorazgradljivost naprednih značajki (film S1, popratne informacije).
Kao sastavni dio Janusovog membranskog filtra prvo su pripremljene nanovlakna i PBS podloge od superfinih vlakana.Stoga su 11% i 12% PBS otopine elektropredene za proizvodnju nanometarskih i mikrometarskih vlakana, zbog njihove razlike u viskoznosti.[7] Detaljne informacije o karakteristikama otopine i optimalnim uvjetima elektropredenja navedene su u tablicama S1 i S2, u popratnim informacijama.Budući da vlakno koje je ispredeno još uvijek sadrži zaostalo otapalo, tipičnom uređaju za elektropredenje dodaje se dodatna vodena koagulacijska kupka, kao što je prikazano na slici 2a.Osim toga, vodena kupelj također može koristiti okvir za skupljanje koagulirane čiste PBS vlaknaste podloge, koja se razlikuje od čvrste matrice u tradicionalnom okruženju (Slika 2b).[7] Prosječni promjeri vlakana prostirki od mikrovlakana i nanovlakana su 2,25 odnosno 0,51 µm, a prosječni promjeri pora su 13,1 odnosno 3,5 µm (Slika 2c, d).Budući da 9:1 otapalo kloroform/etanol brzo isparava nakon ispuštanja iz mlaznice, razlika u viskoznosti između 11 i 12 wt% otopina brzo se povećava (Slika S1, popratne informacije).[7] Stoga razlika u koncentraciji od samo 1 wt% može uzrokovati značajnu promjenu promjera vlakana.
Prije provjere učinka filtra (Slika S2, popratne informacije), kako bi se razumno usporedili različiti filtri, proizvedeni su elektropredeni netkani materijali standardne debljine, jer je debljina važan čimbenik koji utječe na razliku tlaka i učinkovitost filtracije učinka filtra.Budući da su netkani materijali mekani i porozni, teško je izravno odrediti debljinu elektropredenog netkanog materijala.Debljina tkanine općenito je proporcionalna površinskoj gustoći (težina po jedinici površine, osnovna težina).Stoga u ovoj studiji koristimo osnovnu težinu (gm-2) kao učinkovitu mjeru debljine.[8] Debljina se kontrolira promjenom vremena elektropredenja, kao što je prikazano na slici 2e.Kako se vrijeme okretanja povećava s 1 minute na 10 minuta, debljina prostirke od mikrovlakana povećava se na 0,2, 2,0, 5,2 i 9,1 gm-2.Na isti način, debljina prostirke od nanovlakana je povećana na 0,2, 1,0, 2,5, odnosno 4,8 gm-2.Podloge od mikrovlakana i nanovlakana označavaju se prema vrijednostima debljine (gm-2) kao: M0.2, M2.0, M5.2 i M9.1, te N0.2, N1.0, N2.5 i N4. 8.
Razlika tlaka zraka (ΔP) cijelog uzorka važan je pokazatelj učinkovitosti filtra.[9] Disanje kroz filtar s visokim padom tlaka je neugodno za korisnika.Naravno, uočeno je da se pad tlaka povećava kako se povećava debljina filtra, kao što je prikazano na slici S3, pratećim informacijama.Podloga od nanovlakana (N4.8) pokazuje veći pad tlaka od podloge od mikrovlakana (M5.2) pri usporedivoj debljini jer podloga od nanovlakana ima manje pore.Kako zrak prolazi kroz filtar brzinom između 0,5 i 13,2 ms-1, pad tlaka dviju različitih vrsta filtara postupno se povećava sa 101 Pa na 102 Pa. Debljinu treba optimizirati kako bi se uravnotežio pad tlaka i uklanjanje čestica učinkovitost;brzina zraka od 1,0 ms-1 je razumna jer je vrijeme koje je ljudima potrebno da dišu na usta oko 1,3 ms-1.[10] U tom smislu, pad tlaka za M5.2 i N4.8 prihvatljiv je pri brzini zraka od 1,0 ms-1 (manje od 50 Pa) (Slika S4, popratne informacije).Imajte na umu da je pad tlaka maski N95 i sličnih korejskih standardnih filtera (KF94) 50 do 70 Pa.Daljnja CsW obrada i integracija mikro/nano filtera mogu povećati otpor zraka;stoga, kako bismo osigurali marginu pada tlaka, analizirali smo N2.5 i M2.0 prije analize M5.2 i N4.8.
Pri ciljanoj brzini zraka od 1,0 ms-1, proučavana je učinkovitost uklanjanja čestica PM1.0, PM2.5 i PM10 iz PBS prostirača od mikrovlakana i nanovlakana bez statičkog naboja (Slika S5, popratne informacije).Uočeno je da se učinkovitost uklanjanja čestica općenito povećava s povećanjem debljine i veličine čestica.Učinkovitost uklanjanja N2.5 bolja je od M2.0 zbog manjih pora.Učinkovitost uklanjanja M2.0 za PM1.0, PM2.5 i PM10 bila je 55,5%, 64,6% odnosno 78,8%, dok su slične vrijednosti N2.5 bile 71,9%, 80,1% i 89,6% (Slika 2f).Primijetili smo da je najveća razlika u učinkovitosti između M2.0 i N2.5 PM1.0, što ukazuje na to da je fizičko prosijavanje mreže od mikrovlakana učinkovito za PM mikronske razine, ali nije učinkovito za PM nano razine (slika S6, popratne informacije)., M2.0 i N2.5 oba pokazuju nisku sposobnost hvatanja PM manju od 90%.Osim toga, N2.5 može biti osjetljiviji na prašinu od M2.0, jer čestice prašine mogu lako blokirati manje pore N2.5.U nedostatku statičkog naboja, sposobnost fizičkog prosijavanja je ograničena u pogledu postizanja potrebnog pada tlaka i učinkovitosti uklanjanja u isto vrijeme zbog odnosa između njih.
Elektrostatska adsorpcija najčešće je korištena metoda za učinkovito hvatanje čestica čestica.[11] Općenito, statički naboj se prisilno primjenjuje na netkani filtar kroz visokoenergetsko električno polje;međutim, ovaj se statički naboj lako raspršuje u vlažnim uvjetima, što dovodi do gubitka sposobnosti hvatanja čestica.[4] Kao materijal na biološkoj osnovi za elektrostatsku filtraciju, uveli smo CsW duljine 200 nm i širine 40 nm;zbog svojih amonijevih skupina i polarnih amidnih skupina, ovi nanobrkovi sadrže trajne kationske naboje.Dostupni pozitivni naboj na površini CsW predstavljen je njegovim zeta potencijalom (ZP);CsW je raspršen u vodi s pH od 4,8, a utvrđeno je da je njihov ZP +49,8 mV (Slika S7, popratne informacije).
PBS mikrovlakna (ChMs) i nanovlakna (ChNs) obložena CsW-om pripremljena su jednostavnim premazivanjem umakanjem u 0,2 wt% CsW vodene disperzije, što je odgovarajuća koncentracija za pričvršćivanje maksimalne količine CsW-a na površinu PBS vlakana, kao što je prikazano u slika Prikazana na slici 3a i slici S8, popratne informacije.Slika rendgenske spektroskopije s disperzijom energije dušika (EDS) pokazuje da je površina PBS vlakna ravnomjerno obložena česticama CsW, što je vidljivo i na slici snimljenoj skenirajućim elektronskim mikroskopom (SEM) (Slika 3b; Slika S9, popratne informacije) .Osim toga, ova metoda premazivanja omogućuje nabijenim nanomaterijalima da fino omotaju površinu vlakana, čime se maksimizira sposobnost uklanjanja elektrostatskih čestica (Slika S10, popratne informacije).
Proučavana je učinkovitost uklanjanja čestica ChM i ChN (Slika 3c).M2.0 i N2.5 obloženi su s CsW da bi se proizveo ChM2.0, odnosno ChN2.5.Učinkovitost uklanjanja ChM2.0 za PM1.0, PM2.5 i PM10 bila je 70,1%, 78,8% odnosno 86,3%, dok su slične vrijednosti ChN2.5 bile 77,0%, 87,7% odnosno 94,6%.CsW premaz uvelike poboljšava učinkovitost uklanjanja M2.0 i N2.5, a učinak opažen za nešto manje čestice je značajniji.Konkretno, nanobrkovi hitozana povećali su učinkovitost uklanjanja PM0.5 i PM1.0 M2.0 za 15% odnosno 13% (Slika S11, popratne informacije).Iako je M2.0 teško isključiti manji PM1.0 zbog njegovog relativno širokog razmaka između vlakana (Slika 2c), ChM2.0 adsorbira PM1.0 jer kationi i amidi u CsW prolaze kroz ion-ion, spajajući interakciju pol-iona , i dipol-dipol interakcija s prašinom.Zbog CsW premaza, učinkovitost uklanjanja čestica ChM2.0 i ChN2.5 jednako je visoka kao kod debljih M5.2 i N4.8 (Tablica S3, popratne informacije).
Zanimljivo, iako je učinkovitost uklanjanja čestica znatno poboljšana, CsW premaz gotovo ne utječe na pad tlaka.Pad tlaka ChM2.0 i ChN2.5 blago se povećao na 15 i 23 Pa, što je gotovo polovica povećanja uočenog za M5.2 i N4.8 (Slika 3d; Tablica S3, popratne informacije).Stoga je premazivanje materijalima na biološkoj osnovi prikladna metoda za ispunjavanje zahtjeva za rad dva osnovna filtera;odnosno učinkovitost uklanjanja čestica i razlika tlaka zraka, koje se međusobno isključuju.Međutim, učinkovitost uklanjanja PM1.0 i PM2.5 za ChM2.0 i ChN2.5 niža je od 90%;očito, ovu izvedbu treba poboljšati.
Integrirani sustav filtracije sastavljen od višestrukih membrana s postupno promjenjivim promjerima vlakana i veličinama pora može riješiti gore navedene probleme [12].Integrirani filtar za zrak ima prednosti dvaju različitih nanovlakana i mreže od superfinih vlakana.U tom smislu, ChM i ChN se jednostavno slažu kako bi se proizveli integrirani filtri (Int-MN).Na primjer, Int-MN4.5 priprema se korištenjem ChM2.0 i ChN2.5, a njegova se učinkovitost uspoređuje s ChN4.8 i ChM5.2 koji imaju sličnu površinsku gustoću (tj. debljinu).U eksperimentu učinkovitosti uklanjanja čestica, strana ultrafinih vlakana Int-MN4.5 bila je izložena u prašnjavoj prostoriji jer je strana ultrafinih vlakana bila otpornija na začepljenje od strane nanovlakana.Kao što je prikazano na slici 4a, Int-MN4.5 pokazuje bolju učinkovitost uklanjanja čestica i razliku tlaka od dva jednokomponentna filtra, s padom tlaka od 37 Pa, što je slično ChM5.2 i puno niže od ChM5.2 ChN4.8. Osim toga, učinkovitost uklanjanja PM1.0 Int-MN4.5 je 91% (Slika 4b).S druge strane, ChM5.2 nije pokazao tako visoku učinkovitost uklanjanja PM1.0 jer su njegove pore veće od pora Int-MN4.5.
Vrijeme objave: 3. studenog 2021
