Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Gebruik de onderstaande link om de volledige tekstversie van dit artikel te delen met uw vrienden en collega's.kom meer te weten.
Door de pandemie van het coronavirus en problemen met fijnstof (PM) in de lucht is de vraag naar maskers exponentieel gegroeid.Traditionele maskerfilters op basis van statische elektriciteit en nanozeef zijn echter allemaal wegwerpbaar, niet afbreekbaar of recyclebaar, wat ernstige afvalproblemen zal veroorzaken.Bovendien zal de eerste onder vochtige omstandigheden zijn functie verliezen, terwijl de laatste zal werken met een aanzienlijke luchtdrukval en er relatief snel poriënverstopping zal optreden.Hier is een biologisch afbreekbare, vochtbestendige, zeer goed ademende, hoogwaardige vezelmaskerfilter ontwikkeld.Kortom, twee biologisch afbreekbare ultrafijne vezels en nanovezelmatten zijn geïntegreerd in het Janus-membraanfilter en vervolgens gecoat met kationisch geladen chitosan nanowhiskers.Dit filter is net zo efficiënt als het commerciële N95-filter en kan 98,3% van 2,5 µm PM verwijderen.Nanovezels schermen fijne deeltjes fysiek af en ultrafijne vezels zorgen voor een laag drukverschil van 59 Pa, wat geschikt is voor menselijke ademhaling.In tegenstelling tot de sterke afname van de prestaties van commerciële N95-filters bij blootstelling aan vocht, is het prestatieverlies van dit filter verwaarloosbaar, zodat het meerdere keren kan worden gebruikt omdat de permanente dipool van chitosan ultrafijn PM (bijvoorbeeld stikstof) adsorbeert.en zwaveloxiden).Het is belangrijk dat dit filter binnen 4 weken volledig vergaat in de gecomposteerde grond.
De huidige ongekende pandemie van het coronavirus (COVID-19) zorgt voor een enorme vraag naar maskers.[1] De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) schat dat er dit jaar elke maand 89 miljoen medische maskers nodig zijn.[1] Beroepsbeoefenaren in de gezondheidszorg hebben niet alleen zeer efficiënte N95-maskers nodig, maar maskers voor algemeen gebruik voor alle individuen zijn ook onmisbare dagelijkse uitrusting geworden voor de preventie van deze infectieziekte van de luchtwegen.[1] Bovendien raden relevante ministeries ten zeerste aan om elke dag wegwerpmaskers te gebruiken, [1] dit heeft geleid tot milieuproblemen in verband met grote hoeveelheden maskerafval.
Aangezien fijnstof (PM) momenteel het meest problematische probleem van luchtverontreiniging is, zijn maskers de meest effectieve tegenmaatregel geworden die beschikbaar is voor individuen.PM wordt onderverdeeld in PM2,5 en PM10 volgens de deeltjesgrootte (respectievelijk 2,5 en 10 μm), wat op verschillende manieren ernstige gevolgen heeft voor de natuurlijke omgeving [2] en de kwaliteit van het menselijk leven.[2] Elk jaar veroorzaakt PM 4,2 miljoen doden en 103,1 miljoen voor invaliditeit gecorrigeerde levensjaren.[2] PM2,5 vormt een bijzonder ernstige bedreiging voor de gezondheid en is officieel aangewezen als kankerverwekkende stof van groep I.[2] Daarom is het tijdig en belangrijk om een efficiënt maskerfilter te onderzoeken en te ontwikkelen in termen van luchtdoorlaatbaarheid en PM-verwijdering.[3]
Over het algemeen vangen traditionele vezelfilters PM op twee verschillende manieren op: door fysiek zeven op basis van nanovezels en elektrostatische adsorptie op basis van microvezels (Afbeelding 1a).Het gebruik van filters op basis van nanovezels, met name elektrogesponnen nanovezelmatten, is een effectieve strategie gebleken om PM te verwijderen, dat het resultaat is van uitgebreide materiaalbeschikbaarheid en controleerbare productstructuur.[3] De nanovezelmat kan deeltjes van de beoogde grootte verwijderen, wat wordt veroorzaakt door het verschil in grootte tussen de deeltjes en de poriën.[3] Vezels op nanoschaal moeten echter dicht op elkaar worden gestapeld om extreem kleine poriën te vormen, die door het hoge drukverschil schadelijk zijn voor een comfortabele menselijke ademhaling.Bovendien zullen de kleine gaatjes relatief snel verstopt raken.
Aan de andere kant wordt de meltblown ultrafijne vezelmat elektrostatisch geladen door een hoogenergetisch elektrisch veld, en zeer kleine deeltjes worden opgevangen door elektrostatische adsorptie.[4] Als representatief voorbeeld: het N95-ademhalingsapparaat is een deeltjesfilterend gezichtsmasker dat voldoet aan de vereisten van het National Institute of Occupational Safety and Health omdat het ten minste 95% van de in de lucht zwevende deeltjes kan filteren.Dit type filter absorbeert ultrafijn PM, dat meestal is samengesteld uit anionische stoffen zoals SO42- en NO3-, door sterke elektrostatische aantrekking.De statische lading op het oppervlak van de vezelmat wordt echter gemakkelijk afgevoerd in een vochtige omgeving, zoals die wordt aangetroffen bij vochtige menselijke ademhaling, [4], wat resulteert in een afname van de adsorptiecapaciteit.
Om de filtratieprestaties verder te verbeteren of de afweging tussen verwijderingsefficiëntie en drukval op te lossen, worden filters op basis van nanovezels en microvezels gecombineerd met hoogwaardige materialen, zoals koolstofmaterialen, metalen organische raamwerken en PTFE-nanodeeltjes.[4] De onzekere biologische toxiciteit en ladingsdissipatie van deze additieven zijn echter nog steeds onvermijdelijke problemen.[4] Met name deze twee typen traditionele filters zijn meestal niet afbreekbaar, dus zullen ze na gebruik uiteindelijk op stortplaatsen worden begraven of worden verbrand.Daarom is de ontwikkeling van verbeterde maskerfilters om deze afvalproblemen op te lossen en tegelijkertijd PM op een bevredigende en krachtige manier op te vangen, een belangrijke huidige behoefte.
Om de bovenstaande problemen op te lossen, hebben we een Janus-membraanfilter vervaardigd dat is geïntegreerd met op poly(butyleensuccinaat) gebaseerde (PBS-gebaseerde)[5] microvezel- en nanovezelmatten.Het Janus-membraanfilter is gecoat met chitosan nanowhiskers (CsWs) [5] (Figuur 1b).Zoals we allemaal weten, is PBS een representatief biologisch afbreekbaar polymeer, dat ultrafijne vezels en nanovezels kan produceren door middel van elektrospinnen.Vezels op nanoschaal vangen PM fysiek op, terwijl nanovezels op microschaal de drukval verminderen en fungeren als een CsW-raamwerk.Chitosan is een biologisch materiaal waarvan is bewezen dat het goede biologische eigenschappen heeft, waaronder biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid en relatief lage toxiciteit [5], wat de angst die gepaard gaat met onbedoelde inademing van gebruikers kan verminderen.[5] Daarnaast heeft chitosan kationische sites en polaire amidegroepen.[5] Zelfs onder vochtige omstandigheden kan het polaire ultrafijne deeltjes (zoals SO42- en NO3-) aantrekken.
Hier rapporteren we een biologisch afbreekbaar, zeer efficiënt, vochtbestendig en lagedruk valmaskerfilter op basis van gemakkelijk verkrijgbare biologisch afbreekbare materialen.Door de combinatie van fysiek zeven en elektrostatische adsorptie heeft het CsW-gecoate microfiber/nanofiber geïntegreerde filter een hoge PM2.5 verwijderingsefficiëntie (tot 98%), en tegelijkertijd is de maximale drukval op het dikste filter alleen Het is 59 Pa, geschikt voor menselijke ademhaling.Vergeleken met de aanzienlijke verslechtering van de prestaties van het N95 commerciële filter, vertoont dit filter een verwaarloosbaar verlies aan PM-verwijderingsefficiëntie (<1%), zelfs wanneer het volledig nat is, dankzij de permanente CsW-lading.Daarnaast zijn onze filters binnen 4 weken volledig biologisch afbreekbaar in gecomposteerde grond.Vergeleken met andere onderzoeken met vergelijkbare concepten, waarin het filtergedeelte is samengesteld uit biologisch afbreekbare materialen, of beperkte prestaties vertoont in potentiële biopolymeer niet-geweven toepassingen, [6] toont dit filter direct de biologische afbreekbaarheid van geavanceerde functies (film S1, ondersteunende informatie).
Als onderdeel van het Janus-membraanfilter werden eerst nanovezel- en superfijne vezel-PBS-matten vervaardigd.Daarom werden 11% en 12% PBS-oplossingen elektrogesponnen om respectievelijk nanometer- en micrometervezels te produceren vanwege hun verschil in viscositeit.[7] De gedetailleerde informatie over de oplossingskenmerken en optimale omstandigheden voor elektrospinning staan vermeld in de tabellen S1 en S2, in de ondersteunende informatie.Omdat de gesponnen vezel nog steeds resterend oplosmiddel bevat, wordt een extra watercoagulatiebad toegevoegd aan een typisch elektrospinapparaat, zoals weergegeven in figuur 2a.Bovendien kan het waterbad het frame ook gebruiken om de gecoaguleerde zuivere PBS-vezelmat te verzamelen, die verschilt van de vaste matrix in de traditionele setting (figuur 2b).[7] De gemiddelde vezeldiameters van de microvezel- en nanovezelmatten zijn respectievelijk 2,25 en 0,51 µm, en de gemiddelde poriediameters zijn respectievelijk 13,1 en 3,5 µm (Figuur 2c, d).Omdat het 9: 1 chloroform / ethanol-oplosmiddel snel verdampt nadat het uit het mondstuk is vrijgegeven, neemt het viscositeitsverschil tussen oplossingen van 11 en 12 gew.% snel toe (Figuur S1, ondersteunende informatie).[7] Daarom kan een concentratieverschil van slechts 1 gew.% een significante verandering in vezeldiameter veroorzaken.
Voordat de filterprestaties werden gecontroleerd (Figuur S2, ondersteunende informatie), werden, om verschillende filters redelijk te kunnen vergelijken, elektrogesponnen nonwovens met standaarddikte vervaardigd, omdat de dikte een belangrijke factor is die het drukverschil en de filtratie-efficiëntie van de filterprestaties beïnvloedt.Omdat nonwovens zacht en poreus zijn, is het moeilijk om de dikte van electrospun nonwovens direct te bepalen.De dikte van de stof is over het algemeen evenredig met de oppervlaktedichtheid (gewicht per oppervlakte-eenheid, basisgewicht).Daarom gebruiken we in deze studie basisgewicht (gm-2) als een effectieve diktemaat.[8] De dikte wordt geregeld door de elektrospintijd te wijzigen, zoals weergegeven in figuur 2e.Naarmate de spintijd toeneemt van 1 minuut tot 10 minuten, neemt de dikte van de microvezelmat toe tot respectievelijk 0,2, 2,0, 5,2 en 9,1 gm-2.Op dezelfde manier werd de dikte van de nanovezelmat vergroot tot respectievelijk 0,2, 1,0, 2,5 en 4,8 gm-2.Microvezel- en nanovezelmatten worden door hun diktewaarden (gm-2) aangeduid als: M0.2, M2.0, M5.2 en M9.1, en N0.2, N1.0, N2.5 en N4. 8.
Het luchtdrukverschil (ΔP) van het gehele monster is een belangrijke indicator van de filterprestaties.[9] Ademen door een filter met een hoge drukval is onaangenaam voor de gebruiker.Natuurlijk wordt waargenomen dat de drukval toeneemt naarmate de dikte van het filter toeneemt, zoals weergegeven in figuur S3, ondersteunende informatie.De nanovezelmat (N4.8) vertoont een hogere drukval dan de microvezelmat (M5.2) bij een vergelijkbare dikte omdat de nanovezelmat kleinere poriën heeft.Terwijl de lucht door het filter gaat met een snelheid tussen 0,5 en 13,2 ms-1, neemt de drukval van de twee verschillende soorten filters geleidelijk toe van 101 Pa tot 102 Pa. De dikte moet worden geoptimaliseerd om de drukval en de verwijdering van fijnstof in evenwicht te brengen efficiëntie;een luchtsnelheid van 1,0 ms-1 is redelijk omdat de tijd die mensen nodig hebben om door de mond te ademen ongeveer 1,3 ms-1 is.[10] In dit opzicht is de drukval van M5.2 en N4.8 acceptabel bij een luchtsnelheid van 1,0 ms-1 (minder dan 50 Pa) (Figuur S4, ondersteunende informatie).Houd er rekening mee dat de drukval van N95- en vergelijkbare Koreaanse filterstandaard (KF94) maskers respectievelijk 50 tot 70 Pa is.Verdere CsW-verwerking en integratie van micro-/nanofilters kunnen de luchtweerstand verhogen;daarom hebben we, om een drukvalmarge te bieden, N2.5 en M2.0 geanalyseerd voordat we M5.2 en N4.8 analyseerden.
Bij een doelluchtsnelheid van 1,0 ms-1 werd de verwijderingsefficiëntie van PM1.0, PM2.5 en PM10 van PBS-microvezel- en nanovezelmatten bestudeerd zonder statische lading (Figuur S5, ondersteunende informatie).Er wordt waargenomen dat de PM-verwijderingsefficiëntie over het algemeen toeneemt met de toename in dikte en PM-grootte.De verwijderingsefficiëntie van N2.5 is beter dan die van M2.0 vanwege de kleinere poriën.De verwijderingsrendementen van M2.0 voor PM1.0, PM2.5 en PM10 waren respectievelijk 55,5%, 64,6% en 78,8%, terwijl de vergelijkbare waarden van N2.5 71,9%, 80,1% en 89,6% waren (Figuur 2f).We hebben gemerkt dat het grootste verschil in efficiëntie tussen M2.0 en N2.5 PM1.0 is, wat aangeeft dat het fysiek zeven van het microvezelgaas effectief is voor PM op micronniveau, maar niet effectief is voor PM op nanoniveau (Figuur S6, ondersteunende informatie)., M2.0 en N2.5 vertonen beide een laag PM-opvangvermogen van minder dan 90%.Daarnaast is N2.5 mogelijk gevoeliger voor stof dan M2.0, omdat stofdeeltjes gemakkelijk de kleinere poriën van N2.5 kunnen verstoppen.Bij afwezigheid van statische lading is fysiek zeven beperkt in zijn vermogen om tegelijkertijd de vereiste drukval en verwijderingsefficiëntie te bereiken vanwege de onderlinge wisselwerking.
Elektrostatische adsorptie is de meest gebruikte methode om PM op een efficiënte manier op te vangen.[11] Over het algemeen wordt statische lading met geweld op het niet-geweven filter aangebracht via een hoogenergetisch elektrisch veld;deze statische lading wordt echter gemakkelijk afgevoerd onder vochtige omstandigheden, wat resulteert in het verlies van het vermogen om PM op te vangen.[4] Als biogebaseerd materiaal voor elektrostatische filtratie introduceerden we CsW van 200 nm lang en 40 nm breed;vanwege hun ammoniumgroepen en polaire amidegroepen bevatten deze nanowhiskers permanente kationische ladingen.De beschikbare positieve lading op het oppervlak van CsW wordt weergegeven door zijn zeta-potentiaal (ZP);CsW is gedispergeerd in water met een pH van 4,8 en hun ZP blijkt +49,8 mV te zijn (Figuur S7, ondersteunende informatie).
CsW-gecoate PBS-microvezels (ChMs) en nanovezels (ChNs) werden bereid door eenvoudige dompelcoating in 0,2 gew.% CsW-waterdispersie, wat de juiste concentratie is om de maximale hoeveelheid CsW's aan het oppervlak van PBS-vezels te hechten, zoals getoond in de figuur Getoond in figuur 3a en figuur S8, ondersteunende informatie.Het beeld met stikstofenergie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) laat zien dat het oppervlak van de PBS-vezel uniform is bedekt met CsW-deeltjes, wat ook duidelijk is in het beeld van de scanning-elektronenmicroscoop (SEM) (figuur 3b; figuur S9, ondersteunende informatie) .Bovendien maakt deze coatingmethode het mogelijk dat geladen nanomaterialen het vezeloppervlak fijn omwikkelen, waardoor het vermogen om elektrostatische deeltjes te verwijderen wordt gemaximaliseerd (Afbeelding S10, ondersteunende informatie).
De PM-verwijderingsefficiëntie van ChM en ChN werd bestudeerd (Figuur 3c).M2.0 en N2.5 werden gecoat met CsW om respectievelijk ChM2.0 en ChN2.5 te produceren.De verwijderingsrendementen van ChM2.0 voor PM1.0, PM2.5 en PM10 waren respectievelijk 70,1%, 78,8% en 86,3%, terwijl de vergelijkbare waarden van ChN2.5 respectievelijk 77,0%, 87,7% en 94,6% waren.De CsW-coating verbetert de verwijderingsefficiëntie van M2.0 en N2.5 aanzienlijk, en het waargenomen effect voor iets kleinere PM is significanter.In het bijzonder verhoogden chitosan nanowhiskers de verwijderingsefficiëntie van M2.0's PM0.5 en PM1.0 met respectievelijk 15% en 13% (Figuur S11, ondersteunende informatie).Hoewel M2.0 moeilijk is om de kleinere PM1.0 uit te sluiten vanwege de relatief brede fibrilafstand (figuur 2c), adsorbeert ChM2.0 PM1.0 omdat de kationen en amiden in CsW's door ion-ion gaan, waardoor pool-ion-interactie wordt gekoppeld , en dipool-dipool interactie met stof.Vanwege de CsW-coating is de PM-verwijderingsefficiëntie van ChM2.0 en ChN2.5 even hoog als die van dikkere M5.2 en N4.8 (Tabel S3, ondersteunende informatie).
Interessant is dat, hoewel de PM-verwijderingsefficiëntie aanzienlijk is verbeterd, de CsW-coating nauwelijks invloed heeft op de drukval.De drukval van ChM2.0 en ChN2.5 nam licht toe tot 15 en 23 Pa, bijna de helft van de toename waargenomen voor M5.2 en N4.8 (Figuur 3d; Tabel S3, ondersteunende informatie).Coaten met biobased materialen is daarom een geschikte methode om te voldoen aan de prestatie-eisen van twee basisfilters;dat wil zeggen, PM-verwijderingsefficiëntie en luchtdrukverschil, die elkaar uitsluiten.De verwijderingsefficiëntie van PM1.0 en PM2.5 van ChM2.0 en ChN2.5 is echter beide lager dan 90%;uiteraard moet deze prestatie worden verbeterd.
Een geïntegreerd filtersysteem bestaande uit meerdere membranen met geleidelijk veranderende vezeldiameters en poriegroottes kan bovenstaande problemen oplossen [12].Het geïntegreerde luchtfilter heeft de voordelen van twee verschillende nanovezels en superfijne vezelnetten.In dit opzicht worden ChM en ChN eenvoudig gestapeld om geïntegreerde filters (Int-MN's) te produceren.Int-MN4.5 wordt bijvoorbeeld bereid met behulp van ChM2.0 en ChN2.5, en de prestaties worden vergeleken met ChN4.8 en ChM5.2 die vergelijkbare oppervlaktedichtheden (dwz dikte) hebben.In het PM-verwijderingsefficiëntie-experiment werd de ultrafijne vezelzijde van Int-MN4.5 blootgesteld in de stoffige kamer omdat de ultrafijne vezelzijde beter bestand was tegen verstopping dan de nanovezelzijde.Zoals weergegeven in afbeelding 4a, vertoont Int-MN4.5 een betere PM-verwijderingsefficiëntie en een beter drukverschil dan twee enkelcomponentfilters, met een drukval van 37 Pa, wat vergelijkbaar is met ChM5.2 en veel lager dan ChM5.2 ChN4.8. Bovendien is de PM1.0-verwijderingsefficiëntie van Int-MN4.5 91% (Figuur 4b).Aan de andere kant vertoonde ChM5.2 niet zo'n hoge PM1.0-verwijderingsefficiëntie omdat de poriën groter zijn dan die van Int-MN4.5.
Posttijd: 03-nov-2021
