Centro di ricerca sulla chimica biobased del Korea Institute of Chemical Technology (KRICT), Ulsan, 44429, Repubblica di Corea
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Materiali avanzati e ingegneria chimica, Università della scienza e della tecnologia (UST), Daejeon, 34113 Repubblica di Corea
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A causa della pandemia di coronavirus e dei problemi legati al particolato (PM) nell'aria, la domanda di mascherine è cresciuta in modo esponenziale.Tuttavia, i tradizionali filtri per maschere basati sull'elettricità statica e il nano setaccio sono tutti usa e getta, non degradabili o riciclabili, il che causerà seri problemi di rifiuti.Inoltre, il primo perderà la sua funzione in condizioni umide, mentre il secondo funzionerà con una significativa caduta di pressione dell'aria e si verificherà un'ostruzione dei pori relativamente rapida.Qui è stato sviluppato un filtro maschera in fibra biodegradabile, resistente all'umidità, altamente traspirante e ad alte prestazioni.In breve, due fibre ultrafini biodegradabili e tappetini in nanofibra sono integrati nel filtro a membrana Janus e quindi rivestiti con nanowhiskers di chitosano carichi di cationi.Questo filtro è efficiente quanto il filtro commerciale N95 e può rimuovere il 98,3% di PM da 2,5 µm.Le nanofibre schermano fisicamente le particelle fini e le fibre ultrafini forniscono una bassa differenza di pressione di 59 Pa, adatta alla respirazione umana.Contrariamente al netto calo delle prestazioni dei filtri N95 commerciali quando esposti all'umidità, la perdita di prestazioni di questo filtro è trascurabile, quindi può essere utilizzato più volte perché il dipolo permanente del chitosano adsorbe il particolato ultrafine (ad esempio l'azoto).e ossidi di zolfo).È importante che questo filtro si decomponga completamente nel terreno compostato entro 4 settimane.
L'attuale pandemia di coronavirus senza precedenti (COVID-19) sta determinando un'enorme domanda di mascherine.[1] L'Organizzazione mondiale della sanità (OMS) stima che quest'anno siano necessari 89 milioni di mascherine mediche ogni mese.[1] Non solo gli operatori sanitari hanno bisogno di mascherine N95 ad alta efficienza, ma anche le mascherine multiuso per tutti gli individui sono diventate attrezzature quotidiane indispensabili per la prevenzione di questa malattia infettiva respiratoria.[1] Inoltre, i ministeri competenti raccomandano vivamente l'uso quotidiano di mascherine usa e getta, [1] questo ha portato a problemi ambientali legati a grandi quantità di rifiuti di mascherine.
Poiché il particolato (PM) è attualmente il problema più problematico di inquinamento atmosferico, le maschere sono diventate la contromisura più efficace a disposizione delle persone.Il PM è suddiviso in PM2,5 e PM10 in base alla dimensione delle particelle (rispettivamente 2,5 e 10 μm), che influisce gravemente sull'ambiente naturale [2] e sulla qualità della vita umana in vari modi.[2] Ogni anno, il PM causa 4,2 milioni di morti e 103,1 milioni di anni di vita aggiustati per disabilità.[2] Il PM2.5 rappresenta una minaccia particolarmente grave per la salute ed è ufficialmente designato come cancerogeno di gruppo I.[2] Pertanto, è opportuno e importante ricercare e sviluppare un filtro maschera efficiente in termini di permeabilità all'aria e rimozione del particolato.[3]
In generale, i tradizionali filtri in fibra catturano il PM in due modi diversi: attraverso il setaccio fisico basato su nanofibre e l'adsorbimento elettrostatico basato su microfibre (Figura 1a).L'uso di filtri a base di nanofibre, in particolare tappetini in nanofibre elettrofilate, ha dimostrato di essere una strategia efficace per rimuovere il PM, che è il risultato di un'ampia disponibilità di materiale e di una struttura del prodotto controllabile.[3] Il tappetino in nanofibra può rimuovere particelle della dimensione desiderata, che è causata dalla differenza di dimensioni tra le particelle e i pori.[3] Tuttavia, le fibre su scala nanometrica devono essere densamente impilate per formare pori estremamente piccoli, che sono dannosi per una respirazione umana confortevole a causa dell'elevata differenza di pressione associata.Inoltre, i piccoli fori saranno inevitabilmente bloccati in tempi relativamente brevi.
D'altra parte, il tappetino in fibra ultrafine meltblown viene caricato elettrostaticamente da un campo elettrico ad alta energia e le particelle molto piccole vengono catturate dall'adsorbimento elettrostatico.[4] Come esempio rappresentativo, il respiratore N95 è un respiratore con maschera facciale filtrante che soddisfa i requisiti dell'Istituto nazionale per la sicurezza e la salute sul lavoro perché può filtrare almeno il 95% delle particelle sospese nell'aria.Questo tipo di filtro assorbe il PM ultrafine, solitamente composto da sostanze anioniche come SO42− e NO3−, attraverso una forte attrazione elettrostatica.Tuttavia, la carica statica sulla superficie del materassino in fibra viene facilmente dissipata in un ambiente umido, come quello che si trova nella respirazione umana umida, [4] con conseguente diminuzione della capacità di adsorbimento.
Per migliorare ulteriormente le prestazioni di filtrazione o risolvere il compromesso tra efficienza di rimozione e caduta di pressione, i filtri basati su nanofibre e microfibre sono combinati con materiali ad alta resistenza, come materiali di carbonio, strutture metalliche organiche e nanoparticelle di PTFE.[4] Tuttavia, l'incerta tossicità biologica e la dissipazione della carica di questi additivi sono ancora problemi inevitabili.[4] In particolare, questi due tipi di filtri tradizionali sono solitamente non degradabili, quindi alla fine saranno sepolti in discarica o inceneriti dopo l'uso.Pertanto, lo sviluppo di filtri maschera migliorati per risolvere questi problemi di rifiuti e allo stesso tempo catturare il PM in modo soddisfacente e potente è un'importante esigenza attuale.
Per risolvere i problemi di cui sopra, abbiamo prodotto un filtro a membrana Janus integrato con tappetini in microfibra e nanofibra a base di poli(butilene succinato) (a base di PBS)[5].Il filtro a membrana Janus è rivestito con nano baffi di chitosano (CsWs) [5] (Figura 1b).Come tutti sappiamo, il PBS è un polimero biodegradabile rappresentativo, in grado di produrre nontessuti in fibra ultrafine e nanofibra attraverso l'elettrofilatura.Le fibre su nanoscala intrappolano fisicamente il PM, mentre le nanofibre su microscala riducono la caduta di pressione e fungono da struttura CsW.Il chitosano è un materiale a base biologica che ha dimostrato di avere buone proprietà biologiche, tra cui biocompatibilità, biodegradabilità e tossicità relativamente bassa, [5] che possono ridurre l'ansia associata all'inalazione accidentale degli utenti.[5] Inoltre, il chitosano ha siti cationici e gruppi ammidici polari.[5] Anche in condizioni umide, può attrarre particelle polari ultrafini (come SO42- e NO3-).
Qui riportiamo un filtro per maschera anticaduta biodegradabile, ad alta efficienza, a prova di umidità e a bassa pressione basato su materiali biodegradabili facilmente disponibili.Grazie alla combinazione di setacciatura fisica e adsorbimento elettrostatico, il filtro integrato in microfibra/nanofibra con rivestimento CsW ha un'elevata efficienza di rimozione del PM2.5 (fino al 98%) e, allo stesso tempo, la caduta di pressione massima sul filtro più spesso è solo È 59 Pa, adatto alla respirazione umana.Rispetto al significativo degrado delle prestazioni mostrato dal filtro commerciale N95, questo filtro presenta una perdita trascurabile dell'efficienza di rimozione del PM (<1%) anche quando è completamente bagnato, a causa della carica permanente di CsW.Inoltre, i nostri filtri sono completamente biodegradabili nel terreno compostato entro 4 settimane.Rispetto ad altri studi con concetti simili, in cui la parte del filtro è composta da materiali biodegradabili, o mostra prestazioni limitate in potenziali applicazioni non tessute di biopolimeri, [6] questo filtro mostra direttamente la biodegradabilità delle caratteristiche avanzate (film S1, informazioni di supporto).
Come componente del filtro a membrana Janus, sono stati inizialmente preparati tappetini PBS in nanofibra e fibra superfine.Pertanto, le soluzioni PBS all'11% e al 12% sono state elettrofilate per produrre fibre nanometriche e micrometriche, rispettivamente, a causa della loro differenza di viscosità.[7] Le informazioni dettagliate sulle caratteristiche della soluzione e le condizioni ottimali di elettrofilatura sono elencate nelle tabelle S1 e S2, nelle informazioni di supporto.Poiché la fibra appena filata contiene ancora solvente residuo, un ulteriore bagno di coagulazione dell'acqua viene aggiunto a un tipico dispositivo di elettrofilatura, come mostrato nella Figura 2a.Inoltre, il bagno d'acqua può anche utilizzare il telaio per raccogliere il materassino in fibra PBS pura coagulata, che è diversa dalla matrice solida nell'impostazione tradizionale (Figura 2b).[7] I diametri medi delle fibre dei tappetini in microfibra e nanofibra sono rispettivamente di 2,25 e 0,51 µm e i diametri medi dei pori sono rispettivamente di 13,1 e 3,5 µm (Figura 2c, d).Poiché il solvente cloroformio/etanolo 9:1 evapora rapidamente dopo essere stato rilasciato dall'ugello, la differenza di viscosità tra le soluzioni 11 e 12% in peso aumenta rapidamente (Figura S1, informazioni di supporto).[7] Pertanto, una differenza di concentrazione di solo l'1% in peso può causare un cambiamento significativo nel diametro della fibra.
Prima di verificare le prestazioni del filtro (Figura S2, informazioni di supporto), al fine di confrontare ragionevolmente vari filtri, sono stati fabbricati non tessuti elettrofilati di spessore standard, poiché lo spessore è un fattore importante che influisce sulla differenza di pressione e sull'efficienza di filtrazione delle prestazioni del filtro.Poiché i non tessuti sono morbidi e porosi, è difficile determinare direttamente lo spessore dei non tessuti elettrofilati.Lo spessore del tessuto è generalmente proporzionale alla densità superficiale (peso per unità di area, grammatura).Pertanto, in questo studio, utilizziamo la grammatura (gm-2) come misura efficace dello spessore.[8] Lo spessore è controllato modificando il tempo di elettrofilatura, come mostrato nella Figura 2e.Man mano che il tempo di rotazione aumenta da 1 minuto a 10 minuti, lo spessore del tappetino in microfibra aumenta rispettivamente a 0,2, 2,0, 5,2 e 9,1 gm-2.Allo stesso modo, lo spessore del tappetino in nanofibra è stato aumentato rispettivamente a 0,2, 1,0, 2,5 e 4,8 gm-2.I tappetini in microfibra e nanofibra sono designati dai loro valori di spessore (gm-2) come: M0.2, M2.0, M5.2 e M9.1 e N0.2, N1.0, N2.5 e N4. 8.
La differenza di pressione dell'aria (ΔP) dell'intero campione è un indicatore importante delle prestazioni del filtro.[9] Respirare attraverso un filtro con un'elevata caduta di pressione è scomodo per l'utente.Naturalmente, si osserva che la caduta di pressione aumenta all'aumentare dello spessore del filtro, come mostrato nella Figura S3, a supporto delle informazioni.Il tappetino in nanofibra (N4.8) mostra una caduta di pressione maggiore rispetto al tappetino in microfibra (M5.2) a uno spessore comparabile perché il tappetino in nanofibra ha pori più piccoli.Quando l'aria passa attraverso il filtro a una velocità compresa tra 0,5 e 13,2 ms-1, la caduta di pressione dei due diversi tipi di filtri aumenta gradualmente da 101 Pa a 102 Pa. Lo spessore dovrebbe essere ottimizzato per bilanciare la caduta di pressione e la rimozione del particolato efficienza;una velocità dell'aria di 1,0 ms-1 è ragionevole perché il tempo impiegato dagli esseri umani per respirare attraverso la bocca è di circa 1,3 ms-1.[10] A questo proposito, la caduta di pressione di M5.2 e N4.8 è accettabile a una velocità dell'aria di 1,0 ms-1 (meno di 50 Pa) (Figura S4, informazioni di supporto).Si prega di notare che la caduta di pressione delle maschere N95 e di filtri standard coreani simili (KF94) è rispettivamente compresa tra 50 e 70 Pa.L'ulteriore elaborazione CsW e l'integrazione di micro/nanofiltri possono aumentare la resistenza dell'aria;pertanto, al fine di fornire un margine di caduta di pressione, abbiamo analizzato N2.5 e M2.0 prima di analizzare M5.2 e N4.8.
A una velocità dell'aria target di 1,0 ms-1, l'efficienza di rimozione di PM1.0, PM2.5 e PM10 di tappetini in microfibra e nanofibra PBS è stata studiata senza carica statica (Figura S5, informazioni di supporto).Si osserva che l'efficienza di rimozione del PM generalmente aumenta con l'aumentare dello spessore e della dimensione del PM.L'efficienza di rimozione di N2.5 è migliore di M2.0 grazie ai suoi pori più piccoli.Le efficienze di rimozione di M2.0 per PM1.0, PM2.5 e PM10 erano rispettivamente del 55,5%, 64,6% e 78,8%, mentre i valori simili di N2.5 erano 71,9%, 80,1% e 89,6% (Figura 2f).Abbiamo notato che la più grande differenza di efficienza tra M2.0 e N2.5 è PM1.0, che indica che la setacciatura fisica della rete in microfibra è efficace per PM a livello di micron, ma non è efficace per PM a livello nanometrico (Figura S6, informazioni di supporto)., M2.0 e N2.5 mostrano entrambi una bassa capacità di cattura di PM inferiore al 90%.Inoltre, N2.5 può essere più suscettibile alla polvere rispetto a M2.0, poiché le particelle di polvere possono facilmente ostruire i pori più piccoli di N2.5.In assenza di carica statica, la setacciatura fisica è limitata nella sua capacità di ottenere contemporaneamente la caduta di pressione richiesta e l'efficienza di rimozione a causa della relazione di compromesso tra di esse.
L'adsorbimento elettrostatico è il metodo più utilizzato per catturare il PM in modo efficiente.[11] Generalmente, la carica statica viene applicata forzatamente al filtro non tessuto attraverso un campo elettrico ad alta energia;tuttavia, questa carica statica viene facilmente dissipata in condizioni umide, con conseguente perdita della capacità di cattura del particolato.[4] Come materiale a base biologica per la filtrazione elettrostatica, abbiamo introdotto CsW lungo 200 nm e largo 40 nm;a causa dei loro gruppi ammonio e gruppi ammidici polari, questi nanobaffi contengono cariche cationiche permanenti.La carica positiva disponibile sulla superficie di CsW è rappresentata dal suo potenziale zeta (ZP);CsW è disperso in acqua con un pH di 4,8 e il loro ZP risulta essere +49,8 mV (Figura S7, informazioni di supporto).
Le microfibre PBS rivestite con CsW (ChMs) e le nanofibre (ChNs) sono state preparate mediante semplice rivestimento per immersione in una dispersione acquosa di CsW allo 0,2% in peso, che è la concentrazione appropriata per fissare la quantità massima di CsWs alla superficie delle fibre PBS, come mostrato nella figura Mostrato in Figura 3a e Figura S8, informazioni di supporto.L'immagine della spettroscopia a raggi X a dispersione di energia dell'azoto (EDS) mostra che la superficie della fibra PBS è uniformemente rivestita con particelle CsW, che è evidente anche nell'immagine del microscopio elettronico a scansione (SEM) (Figura 3b; Figura S9, informazioni di supporto) .Inoltre, questo metodo di rivestimento consente ai nanomateriali carichi di avvolgere finemente la superficie della fibra, massimizzando così la capacità di rimozione del PM elettrostatico (Figura S10, informazioni di supporto).
È stata studiata l'efficienza di rimozione del PM di ChM e ChN (Figura 3c).M2.0 e N2.5 sono stati rivestiti con CsW per produrre rispettivamente ChM2.0 e ChN2.5.Le efficienze di rimozione di ChM2.0 per PM1.0, PM2.5 e PM10 erano rispettivamente del 70,1%, 78,8% e 86,3%, mentre i valori simili di ChN2.5 erano rispettivamente del 77,0%, 87,7% e 94,6%.Il rivestimento CsW migliora notevolmente l'efficienza di rimozione di M2.0 e N2.5 e l'effetto osservato per PM leggermente più piccoli è più significativo.In particolare, i nanobaffi di chitosano hanno aumentato l'efficienza di rimozione del PM0.5 e del PM1.0 di M2.0 rispettivamente del 15% e del 13% (Figura S11, informazioni di supporto).Sebbene M2.0 sia difficile da escludere il PM1.0 più piccolo a causa della sua spaziatura fibrilla relativamente ampia (Figura 2c), ChM2.0 adsorbe PM1.0 perché i cationi e le ammidi nei CsW passano attraverso l'interazione ione-ione, accoppiando l'interazione polo-ione , e interazione dipolo-dipolo con la polvere.Grazie al suo rivestimento CsW, l'efficienza di rimozione del PM di ChM2.0 e ChN2.5 è alta quanto quella di M5.2 e N4.8 più spessi (Tabella S3, informazioni di supporto).
È interessante notare che, sebbene l'efficienza di rimozione del PM sia notevolmente migliorata, il rivestimento CsW non influisce minimamente sulla caduta di pressione.La caduta di pressione di ChM2.0 e ChN2.5 è leggermente aumentata a 15 e 23 Pa, quasi la metà dell'aumento osservato per M5.2 e N4.8 (Figura 3d; Tabella S3, informazioni di supporto).Pertanto, il rivestimento con materiali a base biologica è un metodo adatto per soddisfare i requisiti prestazionali di due filtri di base;ovvero, l'efficienza di rimozione del particolato e la differenza di pressione dell'aria, che si escludono a vicenda.Tuttavia, l'efficienza di rimozione di PM1.0 e PM2.5 di ChM2.0 e ChN2.5 è inferiore al 90%;ovviamente, questa prestazione deve essere migliorata.
Un sistema di filtrazione integrato composto da più membrane con diametri delle fibre e dimensioni dei pori che cambiano gradualmente può risolvere i problemi di cui sopra [12].Il filtro dell'aria integrato presenta i vantaggi di due diverse nanofibre e reti in fibra superfine.A questo proposito, ChM e ChN sono semplicemente impilati per produrre filtri integrati (Int-MN).Ad esempio, Int-MN4.5 viene preparato utilizzando ChM2.0 e ChN2.5 e le sue prestazioni vengono confrontate con ChN4.8 e ChM5.2 che hanno densità areali (cioè spessore) simili.Nell'esperimento sull'efficienza di rimozione del PM, il lato in fibra ultrafine di Int-MN4.5 è stato esposto nella stanza polverosa perché il lato in fibra ultrafine era più resistente all'intasamento rispetto al lato in nanofibra.Come mostrato nella Figura 4a, Int-MN4.5 mostra una migliore efficienza di rimozione del PM e differenza di pressione rispetto a due filtri monocomponente, con una caduta di pressione di 37 Pa, che è simile a ChM5.2 e molto inferiore a ChM5.2 ChN4.8. Inoltre, l'efficienza di rimozione del PM1.0 di Int-MN4.5 è del 91% (Figura 4b).D'altra parte, ChM5.2 non ha mostrato un'efficienza di rimozione del PM1.0 così elevata perché i suoi pori sono più grandi di quelli di Int-MN4.5.
Tempo di pubblicazione: Nov-03-2021
