Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Bahan Lanjutan dan Teknik Kimia, Universitas Sains dan Teknologi (UST), Daejeon, 34113 Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Bahan Lanjutan dan Teknik Kimia, Universitas Sains dan Teknologi (UST), Daejeon, 34113 Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Bahan Lanjutan dan Teknik Kimia, Universitas Sains dan Teknologi (UST), Daejeon, 34113 Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Bahan Lanjutan dan Teknik Kimia, Universitas Sains dan Teknologi (UST), Daejeon, 34113 Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Bahan Lanjutan dan Teknik Kimia, Universitas Sains dan Teknologi (UST), Daejeon, 34113 Republik Korea
Institut Teknologi Kimia Korea (KRICT) Pusat Penelitian Kimia Biobased, Ulsan, 44429, Republik Korea
Bahan Lanjutan dan Teknik Kimia, Universitas Sains dan Teknologi (UST), Daejeon, 34113 Republik Korea
Gunakan tautan di bawah untuk membagikan versi teks lengkap artikel ini dengan teman dan kolega Anda.Belajarlah lagi.
Karena pandemi virus corona dan masalah terkait partikel (PM) di udara, permintaan masker meningkat secara eksponensial.Namun, filter masker tradisional berbasis listrik statis dan saringan nano semuanya dapat dibuang, tidak dapat terurai atau didaur ulang, yang akan menyebabkan masalah limbah yang serius.Selain itu, yang pertama akan kehilangan fungsinya dalam kondisi lembab, sedangkan yang terakhir akan beroperasi dengan penurunan tekanan udara yang signifikan dan akan terjadi penyumbatan pori yang relatif cepat.Di sini, filter masker serat yang dapat terurai secara hayati, tahan lembab, sangat bernapas, dan berkinerja tinggi telah dikembangkan.Singkatnya, dua serat ultrafine biodegradable dan tikar nanofiber diintegrasikan ke dalam filter membran Janus, dan kemudian dilapisi dengan nanowhisker kitosan bermuatan kationik.Filter ini seefisien filter N95 komersial dan dapat menghilangkan 98,3% dari 2,5 µm PM.Serat nano secara fisik menyaring partikel halus, dan serat ultra halus memberikan perbedaan tekanan rendah sebesar 59 Pa, yang cocok untuk pernapasan manusia.Berlawanan dengan penurunan tajam dalam kinerja filter N95 komersial saat terkena uap air, penurunan kinerja filter ini dapat diabaikan, sehingga dapat digunakan berkali-kali karena dipol permanen kitosan menyerap PM ultrahalus (misalnya, nitrogen).dan sulfur oksida).Penting agar filter ini benar-benar terurai di tanah kompos dalam waktu 4 minggu.
Pandemi virus korona yang belum pernah terjadi sebelumnya (COVID-19) saat ini mendorong permintaan besar akan masker.[1] Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) memperkirakan bahwa 89 juta masker medis dibutuhkan setiap bulan tahun ini.[1] Tidak hanya profesional kesehatan yang membutuhkan masker N95 dengan efisiensi tinggi, tetapi masker serba guna untuk semua individu juga telah menjadi perlengkapan sehari-hari yang sangat diperlukan untuk pencegahan penyakit menular pernapasan ini.[1] Selain itu, kementerian terkait sangat menganjurkan penggunaan masker sekali pakai setiap hari, [1] hal ini menyebabkan masalah lingkungan terkait banyaknya limbah masker.
Karena partikel (PM) saat ini merupakan masalah polusi udara yang paling bermasalah, masker telah menjadi penanggulangan paling efektif yang tersedia bagi individu.PM dibagi menjadi PM2.5 dan PM10 menurut ukuran partikel (masing-masing 2,5 dan 10μm), yang secara serius mempengaruhi lingkungan alam [2] dan kualitas hidup manusia dalam berbagai cara.[2] Setiap tahun, PM menyebabkan 4,2 juta kematian dan 103,1 juta tahun hidup yang disesuaikan dengan kecacatan.[2] PM2.5 menimbulkan ancaman yang sangat serius bagi kesehatan dan secara resmi ditetapkan sebagai karsinogen kelompok I.[2] Oleh karena itu, penelitian dan pengembangan filter masker yang efisien dalam hal permeabilitas udara dan penghilangan PM merupakan hal yang tepat waktu dan penting.[3]
Secara umum, filter serat tradisional menangkap PM dengan dua cara berbeda: melalui pengayakan fisik berdasarkan serat nano dan adsorpsi elektrostatik berdasarkan serat mikro (Gambar 1a).Penggunaan filter berbasis nanofiber, terutama matras nanofiber elektrospun, telah terbukti menjadi strategi yang efektif untuk menghilangkan PM, yang merupakan hasil dari ketersediaan material yang luas dan struktur produk yang dapat dikontrol.[3] Matras nanofiber dapat menghilangkan partikel dengan ukuran target, yang disebabkan oleh perbedaan ukuran antara partikel dan pori-pori.[3] Namun, serat berskala nano perlu ditumpuk rapat untuk membentuk pori-pori yang sangat kecil, yang berbahaya bagi kenyamanan pernapasan manusia karena perbedaan tekanan yang tinggi.Selain itu, lubang kecil pasti akan tersumbat dengan relatif cepat.
Di sisi lain, matras serat ultrahalus yang meleleh bermuatan elektrostatis oleh medan listrik berenergi tinggi, dan partikel yang sangat kecil ditangkap oleh adsorpsi elektrostatis.[4] Sebagai contoh representatif, respirator N95 adalah respirator masker penyaring partikel yang memenuhi persyaratan Institut Nasional Keselamatan dan Kesehatan Kerja karena dapat menyaring setidaknya 95% partikel di udara.Jenis filter ini menyerap ultrafine PM, yang biasanya terdiri dari zat anionik seperti SO42− dan NO3−, melalui tarikan elektrostatik yang kuat.Namun, muatan statis pada permukaan tikar serat mudah hilang di lingkungan yang lembab, seperti yang ditemukan pada pernapasan manusia yang lembab, [4] mengakibatkan penurunan kapasitas adsorpsi.
Untuk lebih meningkatkan kinerja filtrasi atau menyelesaikan trade-off antara efisiensi penyisihan dan penurunan tekanan, filter berdasarkan serat nano dan serat mikro digabungkan dengan bahan berk tinggi, seperti bahan karbon, kerangka organik logam, dan partikel nano PTFE.[4] Namun, toksisitas biologis yang tidak pasti dan disipasi muatan dari aditif ini masih merupakan masalah yang tidak dapat dihindari.[4] Secara khusus, kedua jenis filter tradisional ini biasanya tidak dapat terurai, sehingga pada akhirnya akan terkubur di tempat pembuangan sampah atau dibakar setelah digunakan.Oleh karena itu, pengembangan filter masker yang ditingkatkan untuk mengatasi masalah limbah ini dan pada saat yang sama menangkap PM dengan cara yang memuaskan dan kuat merupakan kebutuhan penting saat ini.
Untuk mengatasi masalah di atas, kami telah memproduksi filter membran Janus yang terintegrasi dengan serat mikro berbasis poli(butilena suksinat) (berbasis PBS)[5] dan serat nano.Filter membran Janus dilapisi dengan kitosan nano whisk (CsWs) [5] (Gambar 1b).Seperti yang kita semua tahu, PBS adalah perwakilan polimer biodegradable, yang dapat menghasilkan serat ultrahalus dan bukan tenunan nanofiber melalui electrospinning.Serat skala nano secara fisik menjebak PM, sementara serat nano skala mikro mengurangi penurunan tekanan dan bertindak sebagai kerangka kerja CsW.Kitosan merupakan bahan berbasis bio yang telah terbukti memiliki sifat biologis yang baik, antara lain biokompatibilitas, biodegradabilitas dan toksisitas yang relatif rendah, [5] yang dapat mengurangi kecemasan terkait dengan pengguna yang tidak sengaja terhirup.[5] Selain itu, kitosan memiliki situs kationik dan gugus amida polar.[5] Bahkan dalam kondisi lembab, ia dapat menarik partikel ultrafine polar (seperti SO42- dan NO3-).
Di sini, kami melaporkan filter drop mask yang dapat terurai secara hayati, berefisiensi tinggi, tahan lembab, dan bertekanan rendah berdasarkan bahan yang dapat terurai secara hayati yang tersedia.Karena kombinasi pengayakan fisik dan adsorpsi elektrostatis, filter terintegrasi mikrofiber/nanofiber berlapis CsW memiliki efisiensi penghilangan PM2.5 yang tinggi (hingga 98%), dan pada saat yang sama, penurunan tekanan maksimum pada filter paling tebal adalah hanya 59 Pa, cocok untuk pernapasan manusia.Dibandingkan dengan penurunan kinerja signifikan yang ditunjukkan oleh filter komersial N95, filter ini menunjukkan hilangnya efisiensi penyisihan PM yang dapat diabaikan (<1%) bahkan saat basah sepenuhnya, karena muatan CsW permanen.Selain itu, filter kami sepenuhnya dapat terurai secara hayati di tanah kompos dalam waktu 4 minggu.Dibandingkan dengan penelitian lain dengan konsep serupa, di mana bagian filter terdiri dari bahan biodegradable, atau menunjukkan kinerja terbatas dalam aplikasi nonwoven biopolimer potensial, [6] filter ini langsung menunjukkan Biodegradabilitas fitur lanjutan (film S1, informasi pendukung).
Sebagai komponen filter membran Janus, tikar PBS serat nano dan serat prima pertama kali disiapkan.Oleh karena itu, larutan PBS 11% dan 12% dielektrospun untuk menghasilkan serat nanometer dan mikrometer, karena perbedaan viskositasnya.[7] Informasi rinci tentang karakteristik larutan dan kondisi elektrospinning optimal tercantum dalam Tabel S1 dan S2, dalam informasi pendukung.Karena serat as-spun masih mengandung sisa pelarut, rendaman koagulasi air tambahan ditambahkan ke perangkat electrospinning tipikal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a.Selain itu, penangas air juga dapat menggunakan bingkai untuk mengumpulkan tikar serat PBS murni yang terkoagulasi, yang berbeda dari matriks padat pada pengaturan tradisional (Gambar 2b).[7] Rata-rata diameter serat dari microfiber dan nanofiber mat masing-masing adalah 2,25 dan 0,51 µm, dan rata-rata diameter pori masing-masing adalah 13,1 dan 3,5 µm (Gambar 2c, d).Karena pelarut kloroform/etanol 9:1 menguap dengan cepat setelah dilepaskan dari nosel, perbedaan viskositas antara larutan 11 dan 12% berat meningkat dengan cepat (Gambar S1, informasi pendukung).[7] Oleh karena itu, perbedaan konsentrasi hanya 1% berat dapat menyebabkan perubahan diameter serat yang signifikan.
Sebelum memeriksa kinerja filter (Gambar S2, informasi pendukung), untuk membandingkan berbagai filter secara wajar, dibuat tenunan elektrospun dengan ketebalan standar, karena ketebalan merupakan faktor penting yang memengaruhi perbedaan tekanan dan efisiensi filtrasi kinerja filter.Karena bukan tenunan lunak dan berpori, sulit untuk secara langsung menentukan ketebalan bukan tenunan electrospun.Ketebalan kain umumnya sebanding dengan kerapatan permukaan (berat per satuan luas, berat dasar).Oleh karena itu, dalam penelitian ini, kami menggunakan berat dasar (gm-2) sebagai ukuran ketebalan yang efektif.[8] Ketebalan dikontrol dengan mengubah waktu electrospinning, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2e.Saat waktu pemintalan meningkat dari 1 menit menjadi 10 menit, ketebalan alas serat mikro meningkat menjadi 0,2, 2,0, 5,2, dan 9,1 gm-2.Dengan cara yang sama, ketebalan matras nanofiber ditingkatkan menjadi 0,2, 1,0, 2,5, dan 4,8 gm-2.Tikar microfiber dan nanofiber ditentukan oleh nilai ketebalannya (gm-2) sebagai: M0.2, M2.0, M5.2 dan M9.1, dan N0.2, N1.0, N2.5 dan N4. 8.
Perbedaan tekanan udara (ΔP) dari seluruh sampel merupakan indikator penting kinerja filter.[9] Bernapas melalui filter dengan penurunan tekanan tinggi tidak nyaman bagi pengguna.Secara alami, diamati bahwa penurunan tekanan meningkat dengan meningkatnya ketebalan filter, seperti yang ditunjukkan pada Gambar S3, informasi pendukung.Matras nanofiber (N4.8) menunjukkan penurunan tekanan yang lebih tinggi daripada matras microfiber (M5.2) pada ketebalan yang sebanding karena matras nanofiber memiliki pori-pori yang lebih kecil.Saat udara melewati filter dengan kecepatan antara 0,5 dan 13,2 ms-1, penurunan tekanan dari dua jenis filter yang berbeda secara bertahap meningkat dari 101 Pa menjadi 102 Pa. Ketebalan harus dioptimalkan untuk menyeimbangkan penurunan tekanan dan penghilangan PM efisiensi;kecepatan udara 1,0 ms-1 adalah wajar karena waktu yang dibutuhkan manusia untuk bernapas melalui mulut sekitar 1,3 ms-1.[10] Dalam hal ini, penurunan tekanan M5.2 dan N4.8 dapat diterima pada kecepatan udara 1,0 ms-1 (kurang dari 50 Pa) (Gambar S4, informasi pendukung).Harap dicatat bahwa penurunan tekanan masker N95 dan standar filter Korea serupa (KF94) masing-masing adalah 50 hingga 70 Pa.Pemrosesan CsW lebih lanjut dan integrasi filter mikro/nano dapat meningkatkan hambatan udara;oleh karena itu, untuk memberikan margin penurunan tekanan, kami menganalisis N2.5 dan M2.0 sebelum menganalisis M5.2 dan N4.8.
Pada kecepatan udara target 1,0 ms-1, efisiensi penyisihan PM1.0, PM2.5, dan PM10 dari tikar microfiber dan nanofiber PBS dipelajari tanpa muatan statis (Gambar S5, informasi pendukung).Terlihat bahwa efisiensi penyisihan PM umumnya meningkat dengan bertambahnya ketebalan dan ukuran PM.Efisiensi penyisihan N2.5 lebih baik daripada M2.0 karena pori-porinya yang lebih kecil.Efisiensi penyisihan M2.0 untuk PM1.0, PM2.5 dan PM10 masing-masing adalah 55,5%, 64,6% dan 78,8%, sedangkan nilai N2.5 yang serupa adalah 71,9%, 80,1% dan 89,6% (Gambar 2f).Kami melihat bahwa perbedaan terbesar dalam efisiensi antara M2.0 dan N2.5 adalah PM1.0, yang menunjukkan bahwa pengayakan fisik jaring mikrofiber efektif untuk PM tingkat mikron, tetapi tidak efektif untuk PM tingkat nano (Gambar S6, informasi pendukung)., M2.0 dan N2.5 keduanya menunjukkan kemampuan menangkap PM yang rendah yaitu kurang dari 90%.Selain itu, N2.5 mungkin lebih rentan terhadap debu dibandingkan M2.0, karena partikel debu dapat dengan mudah menyumbat pori-pori N2.5 yang lebih kecil.Dengan tidak adanya muatan statis, pengayakan fisik terbatas kemampuannya untuk mencapai penurunan tekanan yang diperlukan dan efisiensi penghilangan pada saat yang sama karena hubungan timbal balik di antara keduanya.
Adsorpsi elektrostatik adalah metode yang paling banyak digunakan untuk menangkap PM dengan cara yang efisien.[11] Umumnya, muatan statis diterapkan secara paksa ke filter non-anyaman melalui medan listrik berenergi tinggi;namun, muatan statis ini mudah hilang dalam kondisi lembap, mengakibatkan hilangnya kemampuan menangkap PM.[4] Sebagai bahan berbasis bio untuk filtrasi elektrostatik, kami memperkenalkan CsW dengan panjang 200 nm dan lebar 40 nm;karena gugus amonium dan gugus amida polarnya, nanowhisker ini mengandung muatan kationik permanen.Muatan positif yang tersedia pada permukaan CsW diwakili oleh potensial zeta (ZP);CsW terdispersi dalam air dengan pH 4,8, dan ZP-nya ditemukan +49,8 mV (Gambar S7, informasi pendukung).
Serat mikro PBS (ChMs) dan serat nano (ChNs) berlapis CsW dibuat dengan pelapisan celup sederhana dalam dispersi air CsW 0,2% berat, yang merupakan konsentrasi yang tepat untuk menempelkan jumlah maksimum CsWs ke permukaan serat PBS, seperti yang ditunjukkan pada gambar Ditunjukkan pada Gambar 3a dan Gambar S8, informasi pendukung.Gambar spektroskopi sinar-X (EDS) dispersif energi nitrogen menunjukkan bahwa permukaan serat PBS dilapisi secara seragam dengan partikel CsW, yang juga terlihat pada gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) (Gambar 3b; Gambar S9, informasi pendukung) .Selain itu, metode pelapisan ini memungkinkan bahan nano bermuatan untuk membungkus permukaan serat dengan halus, sehingga memaksimalkan kemampuan penghilangan PM elektrostatik (Gambar S10, informasi pendukung).
Efisiensi penghilangan PM dari ChM dan ChN dipelajari (Gambar 3c).M2.0 dan N2.5 dilapisi dengan CsW untuk menghasilkan ChM2.0 dan ChN2.5.Efisiensi penghilangan ChM2.0 untuk PM1.0, PM2.5 dan PM10 masing-masing adalah 70,1%, 78,8% dan 86,3%, sedangkan nilai ChN2.5 yang serupa masing-masing adalah 77,0%, 87,7% dan 94,6%.Lapisan CsW sangat meningkatkan efisiensi penghilangan M2.0 dan N2.5, dan efek yang diamati untuk PM yang sedikit lebih kecil menjadi lebih signifikan.Secara khusus, nanowhisker kitosan meningkatkan efisiensi penghilangan PM0.5 dan PM1.0 M2.0 masing-masing sebesar 15% dan 13% (Gambar S11, informasi pendukung).Meskipun M2.0 sulit untuk mengecualikan PM1.0 yang lebih kecil karena jarak fibrilnya yang relatif lebar (Gambar 2c), ChM2.0 menyerap PM1.0 karena kation dan amida dalam CsW melewati ion-ion, menggabungkan interaksi Pole-ion , dan interaksi dipol-dipol dengan debu.Karena lapisan CsW-nya, efisiensi penyisihan PM ChM2.0 dan ChN2.5 setinggi M5.2 dan N4.8 yang lebih tebal (Tabel S3, informasi pendukung).
Menariknya, meskipun efisiensi penghilangan PM sangat meningkat, lapisan CsW hampir tidak mempengaruhi penurunan tekanan.Penurunan tekanan ChM2.0 dan ChN2.5 sedikit meningkat menjadi 15 dan 23 Pa, hampir setengah dari peningkatan yang diamati untuk M5.2 dan N4.8 (Gambar 3d; Tabel S3, informasi pendukung).Oleh karena itu, pelapisan dengan bahan berbasis bio merupakan metode yang cocok untuk memenuhi persyaratan kinerja dua filter dasar;yaitu, efisiensi penghilangan PM dan perbedaan tekanan udara, yang saling eksklusif.Namun, efisiensi penyisihan PM1.0 dan PM2.5 dari ChM2.0 dan ChN2.5 keduanya lebih rendah dari 90%;tentunya kinerja ini perlu ditingkatkan.
Sistem filtrasi terintegrasi yang terdiri dari beberapa membran dengan diameter serat dan ukuran pori yang berubah secara bertahap dapat mengatasi masalah di atas [12].Filter udara terintegrasi memiliki keunggulan dua serat nano dan jaring serat prima yang berbeda.Dalam hal ini, ChM dan ChN hanya ditumpuk untuk menghasilkan filter terintegrasi (Int-MNs).Misalnya, Int-MN4.5 dibuat menggunakan ChM2.0 dan ChN2.5, dan kinerjanya dibandingkan dengan ChN4.8 dan ChM5.2 yang memiliki densitas areal yang sama (yakni ketebalan).Dalam percobaan efisiensi penyisihan PM, sisi serat ultrahalus Int-MN4.5 terekspos di ruangan berdebu karena sisi serat ultrahalus lebih tahan terhadap penyumbatan daripada sisi serat nano.Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, Int-MN4.5 menunjukkan efisiensi penyisihan PM dan perbedaan tekanan yang lebih baik daripada dua filter komponen tunggal, dengan penurunan tekanan sebesar 37 Pa, yang mirip dengan ChM5.2 dan jauh lebih rendah daripada ChM5.2 ChN4.8. Selain itu, efisiensi penyisihan PM1.0 dari Int-MN4.5 adalah 91% (Gambar 4b).Di sisi lain, ChM5.2 tidak menunjukkan efisiensi penyisihan PM1.0 yang tinggi karena pori-porinya lebih besar daripada Int-MN4.5.
Waktu posting: Nov-03-2021
