Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Materiais Avançados e Engenharia Química, Universidade de Ciência e Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Materiais Avançados e Engenharia Química, Universidade de Ciência e Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Materiais Avançados e Engenharia Química, Universidade de Ciência e Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Materiais Avançados e Engenharia Química, Universidade de Ciência e Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Materiais Avançados e Engenharia Química, Universidade de Ciência e Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República da Coreia
Instituto de Tecnologia Química da Coreia (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, República da Coreia
Materiais Avançados e Engenharia Química, Universidade de Ciência e Tecnologia (UST), Daejeon, 34113 República da Coreia
Use o link abaixo para compartilhar a versão completa deste artigo com seus amigos e colegas.saber mais.
Devido à pandemia de coronavírus e questões relacionadas ao material particulado (PM) no ar, a demanda por máscaras cresceu exponencialmente.No entanto, os filtros de máscara tradicionais baseados em eletricidade estática e nanopeneira são todos descartáveis, não degradáveis ou recicláveis, o que causará sérios problemas de desperdício.Além disso, o primeiro perderá sua função em condições de umidade, enquanto o último funcionará com uma queda significativa da pressão do ar e ocorrerá o entupimento dos poros relativamente rápido.Aqui, foi desenvolvido um filtro de máscara de fibra biodegradável, à prova de umidade, altamente respirável e de alto desempenho.Em suma, duas fibras ultrafinas biodegradáveis e mantas de nanofibras são integradas ao filtro de membrana Janus e, em seguida, revestidas com nanohiskers de quitosana carregados cationicamente.Este filtro é tão eficiente quanto o filtro N95 comercial e pode remover 98,3% de PM de 2,5 µm.As nanofibras filtram fisicamente as partículas finas e as fibras ultrafinas fornecem uma baixa diferença de pressão de 59 Pa, que é adequada para a respiração humana.Ao contrário do declínio acentuado no desempenho dos filtros N95 comerciais quando expostos à umidade, a perda de desempenho desse filtro é insignificante, portanto, pode ser usado várias vezes porque o dipolo permanente da quitosana adsorve PM ultrafino (por exemplo, nitrogênio).E óxidos de enxofre).É importante que este filtro se decomponha completamente no solo compostado dentro de 4 semanas.
A atual pandemia de coronavírus sem precedentes (COVID-19) está gerando uma enorme demanda por máscaras.[1] A Organização Mundial da Saúde (OMS) estima que 89 milhões de máscaras médicas são necessárias todos os meses este ano.[1] Os profissionais de saúde não apenas precisam de máscaras N95 de alta eficiência, mas máscaras de uso geral para todos os indivíduos também se tornaram equipamentos diários indispensáveis para a prevenção dessa doença infecciosa respiratória.[1] Além disso, os ministérios relevantes recomendam fortemente o uso de máscaras descartáveis todos os dias, [1] isso levou a problemas ambientais relacionados a grandes quantidades de resíduos de máscaras.
Como o material particulado (PM) é atualmente o problema de poluição do ar mais problemático, as máscaras se tornaram a contramedida mais eficaz disponível para os indivíduos.PM é dividido em PM2,5 e PM10 de acordo com o tamanho da partícula (2,5 e 10μm, respectivamente), o que afeta seriamente o ambiente natural [2] e a qualidade da vida humana de várias maneiras.[2] Todos os anos, a PM causa 4,2 milhões de mortes e 103,1 milhões de anos de vida ajustados por incapacidade.[2] O PM2.5 representa uma ameaça particularmente séria para a saúde e é oficialmente designado como cancerígeno do grupo I.[2] Portanto, é oportuno e importante pesquisar e desenvolver um filtro de máscara eficiente em termos de permeabilidade ao ar e remoção de PM.[3]
De um modo geral, os filtros de fibra tradicionais capturam PM de duas maneiras diferentes: através de peneiramento físico baseado em nanofibras e adsorção eletrostática baseada em microfibras (Figura 1a).O uso de filtros à base de nanofibras, especialmente mantas de nanofibras eletrofiadas, provou ser uma estratégia eficaz para remover o PM, que é o resultado da extensa disponibilidade de material e estrutura controlável do produto.[3] O tapete de nanofibra pode remover partículas do tamanho alvo, o que é causado pela diferença de tamanho entre as partículas e os poros.[3] No entanto, as fibras em nanoescala precisam ser densamente empilhadas para formar poros extremamente pequenos, que são prejudiciais à respiração humana confortável devido à alta diferença de pressão associada.Além disso, os pequenos orifícios serão inevitavelmente bloqueados de forma relativamente rápida.
Por outro lado, a esteira de fibra ultrafina fundida é carregada eletrostaticamente por um campo elétrico de alta energia, e partículas muito pequenas são capturadas por adsorção eletrostática.[4] Como exemplo representativo, o respirador N95 é uma máscara facial com filtro de partículas que atende aos requisitos do Instituto Nacional de Segurança e Saúde Ocupacional porque pode filtrar pelo menos 95% das partículas transportadas pelo ar.Este tipo de filtro absorve PM ultrafino, que geralmente é composto de substâncias aniônicas como SO42− e NO3−, por meio de forte atração eletrostática.No entanto, a carga estática na superfície da manta de fibra é facilmente dissipada em um ambiente úmido, como ocorre na respiração humana úmida, [4] resultando em uma diminuição da capacidade de adsorção.
A fim de melhorar ainda mais o desempenho da filtração ou resolver o compromisso entre eficiência de remoção e queda de pressão, os filtros baseados em nanofibras e microfibras são combinados com materiais de alto k, como materiais de carbono, estruturas metálicas orgânicas e nanopartículas de PTFE.[4] No entanto, a toxicidade biológica incerta e a dissipação de carga desses aditivos ainda são problemas inevitáveis.[4] Em particular, esses dois tipos de filtros tradicionais geralmente não são degradáveis, portanto, serão eventualmente enterrados em aterros sanitários ou incinerados após o uso.Portanto, o desenvolvimento de filtros de máscara aprimorados para resolver esses problemas de desperdício e ao mesmo tempo capturar PM de maneira satisfatória e poderosa é uma importante necessidade atual.
Para resolver os problemas acima, fabricamos um filtro de membrana Janus integrado com mantas de microfibra e nanofibra à base de poli(succinato de butileno) [5] à base de PBS.O filtro de membrana Janus é revestido com quitosana nano whiskers (CsWs) [5] (Figura 1b).Como todos sabemos, o PBS é um polímero biodegradável representativo, que pode produzir nãotecidos de fibra ultrafina e nanofibra por meio de eletrofiação.As fibras em nanoescala prendem fisicamente o PM, enquanto as nanofibras em microescala reduzem a queda de pressão e atuam como uma estrutura CsW.A quitosana é um material de base biológica que provou ter boas propriedades biológicas, incluindo biocompatibilidade, biodegradabilidade e toxicidade relativamente baixa, [5] o que pode reduzir a ansiedade associada à inalação acidental dos usuários.[5] Além disso, a quitosana possui sítios catiônicos e grupos amida polar.[5] Mesmo sob condições úmidas, pode atrair partículas polares ultrafinas (como SO42- e NO3-).
Aqui, relatamos um filtro de máscara biodegradável, de alta eficiência, à prova de umidade e de queda de baixa pressão, baseado em materiais biodegradáveis prontamente disponíveis.Devido à combinação de peneiramento físico e adsorção eletrostática, o filtro integrado de microfibra/nanofibra revestido com CsW tem uma alta eficiência de remoção de PM2,5 (até 98%) e, ao mesmo tempo, a queda de pressão máxima no filtro mais espesso é apenas é 59 Pa, adequado para a respiração humana.Em comparação com a significativa degradação de desempenho exibida pelo filtro comercial N95, este filtro exibe uma perda insignificante de eficiência de remoção de PM (<1%) mesmo quando totalmente úmido, devido à carga permanente de CsW.Além disso, nossos filtros são completamente biodegradáveis em solo compostado em 4 semanas.Comparado com outros estudos com conceitos semelhantes, nos quais a parte do filtro é composta de materiais biodegradáveis ou mostra desempenho limitado em potenciais aplicações não tecidas de biopolímeros, [6] este filtro mostra diretamente a Biodegradabilidade de recursos avançados (filme S1, informações de suporte).
Como um componente do filtro de membrana Janus, os tapetes PBS de nanofibra e fibra superfina foram preparados pela primeira vez.Portanto, soluções de 11% e 12% de PBS foram eletrofiadas para produzir fibras nanométricas e micrométricas, respectivamente, devido à diferença de viscosidade.[7] As informações detalhadas das características da solução e condições ótimas de eletrofiação estão listadas nas Tabelas S1 e S2, nas informações de suporte.Uma vez que a fibra fiada ainda contém solvente residual, um banho de coagulação de água adicional é adicionado a um dispositivo de eletrofiação típico, conforme mostrado na Figura 2a.Além disso, o banho-maria também pode usar o quadro para coletar a manta de fibra PBS pura coagulada, que é diferente da matriz sólida na configuração tradicional (Figura 2b).[7] Os diâmetros médios das fibras das mantas de microfibra e nanofibra são 2,25 e 0,51 µm, respectivamente, e os diâmetros médios dos poros são 13,1 e 3,5 µm, respectivamente (Figura 2c, d).Como o solvente clorofórmio/etanol 9:1 evapora rapidamente após ser liberado do bocal, a diferença de viscosidade entre as soluções de 11 e 12% em peso aumenta rapidamente (Figura S1, informações de suporte).[7] Portanto, uma diferença de concentração de apenas 1% em peso pode causar uma mudança significativa no diâmetro da fibra.
Antes de verificar o desempenho do filtro (Figura S2, informações de suporte), a fim de comparar vários filtros razoavelmente, foram fabricados não tecidos eletrofiados de espessura padrão, porque a espessura é um fator importante que afeta a diferença de pressão e a eficiência de filtragem do desempenho do filtro.Como os nãotecidos são macios e porosos, é difícil determinar diretamente a espessura dos nãotecidos eletrofiados.A espessura do tecido é geralmente proporcional à densidade da superfície (peso por unidade de área, peso base).Portanto, neste estudo, usamos o peso básico (gm-2) como uma medida efetiva de espessura.[8] A espessura é controlada alterando o tempo de eletrofiação, conforme mostrado na Figura 2e.À medida que o tempo de rotação aumenta de 1 minuto para 10 minutos, a espessura do tapete de microfibra aumenta para 0,2, 2,0, 5,2 e 9,1 gm-2, respectivamente.Da mesma forma, a espessura da manta de nanofibras foi aumentada para 0,2, 1,0, 2,5 e 4,8 gm-2, respectivamente.Os tapetes de microfibra e nanofibra são designados por seus valores de espessura (gm-2) como: M0.2, M2.0, M5.2 e M9.1, e N0.2, N1.0, N2.5 e N4. 8.
A diferença de pressão de ar (ΔP) de toda a amostra é um indicador importante do desempenho do filtro.[9] Respirar através de um filtro com alta queda de pressão é desconfortável para o usuário.Naturalmente, observa-se que a queda de pressão aumenta conforme aumenta a espessura do filtro, conforme mostra a Figura S3, corroborando a informação.O tapete de nanofibra (N4.8) apresenta uma queda de pressão maior do que o tapete de microfibra (M5.2) em uma espessura comparável porque o tapete de nanofibra tem poros menores.À medida que o ar passa pelo filtro a uma velocidade entre 0,5 e 13,2 ms-1, a queda de pressão dos dois tipos diferentes de filtros aumenta gradualmente de 101 Pa para 102 Pa. A espessura deve ser otimizada para equilibrar a queda de pressão e a remoção de PM eficiência;uma velocidade do ar de 1,0 ms-1 é razoável porque o tempo que leva para os humanos respirarem pela boca é de cerca de 1,3 ms-1.[10] A este respeito, a queda de pressão de M5.2 e N4.8 é aceitável a uma velocidade do ar de 1,0 ms-1 (menos de 50 Pa) (Figura S4, informações de apoio).Observe que a queda de pressão das máscaras N95 e padrão de filtro coreano semelhante (KF94) é de 50 a 70 Pa, respectivamente.Processamento adicional de CsW e integração de filtro micro/nano podem aumentar a resistência do ar;portanto, para fornecer margem de queda de pressão, analisamos N2.5 e M2.0 antes de analisar M5.2 e N4.8.
A uma velocidade de ar alvo de 1,0 ms-1, a eficiência de remoção de PM1.0, PM2.5 e PM10 de tapetes de microfibra e nanofibra PBS foi estudada sem carga estática (Figura S5, informações de suporte).Observa-se que a eficiência de remoção de MP geralmente aumenta com o aumento da espessura e tamanho do PM.A eficiência de remoção de N2.5 é melhor que M2.0 devido a seus poros menores.As eficiências de remoção de M2.0 para PM1.0, PM2.5 e PM10 foram de 55,5%, 64,6% e 78,8%, respectivamente, enquanto os valores semelhantes de N2,5 foram de 71,9%, 80,1% e 89,6% (Figura 2f).Notamos que a maior diferença de eficiência entre M2.0 e N2.5 é PM1.0, o que indica que o peneiramento físico da malha de microfibra é eficaz para PM de nível mícron, mas não é eficaz para PM de nível nano (Figura S6, informações de apoio)., M2.0 e N2.5 mostram uma baixa capacidade de captura de PM de menos de 90%.Além disso, o N2.5 pode ser mais suscetível à poeira do que o M2.0, porque as partículas de poeira podem bloquear facilmente os poros menores do N2.5.Na ausência de carga estática, o peneiramento físico é limitado em sua capacidade de atingir a queda de pressão necessária e a eficiência de remoção ao mesmo tempo devido à relação de compensação entre eles.
A adsorção eletrostática é o método mais amplamente utilizado para capturar MP de maneira eficiente.[11] Geralmente, a carga estática é aplicada à força ao filtro não tecido através de um campo elétrico de alta energia;no entanto, essa carga estática é facilmente dissipada em condições de umidade, resultando na perda da capacidade de captura de PM.[4] Como material de base biológica para filtração eletrostática, introduzimos CsW de 200 nm de comprimento e 40 nm de largura;devido aos seus grupos amônio e grupos amida polares, esses nanohiskers contêm cargas catiônicas permanentes.A carga positiva disponível na superfície de CsW é representada por seu potencial zeta (ZP);CsW é disperso em água com um pH de 4,8, e seu ZP encontrado é +49,8 mV (Figura S7, informações de apoio).
Microfibras de PBS revestidas com CsW (ChMs) e nanofibras (ChNs) foram preparadas por simples revestimento por imersão em dispersão de água de CsW a 0,2% em peso, que é a concentração apropriada para fixar a quantidade máxima de CsWs à superfície das fibras de PBS, conforme mostrado na figura Mostrada na Figura 3a e na Figura S8, informações de suporte.A imagem de espectroscopia de raios X por dispersão de energia de nitrogênio (EDS) mostra que a superfície da fibra PBS é uniformemente revestida com partículas CsW, o que também é evidente na imagem do microscópio eletrônico de varredura (SEM) (Figura 3b; Figura S9, informações de suporte) .Além disso, este método de revestimento permite que nanomateriais carregados envolvam finamente a superfície da fibra, maximizando assim a capacidade de remoção eletrostática de MP (Figura S10, informações de suporte).
A eficiência de remoção de PM de ChM e ChN foi estudada (Figura 3c).M2.0 e N2.5 foram revestidos com CsW para produzir ChM2.0 e ChN2.5, respectivamente.As eficiências de remoção de ChM2.0 para PM1.0, PM2.5 e PM10 foram de 70,1%, 78,8% e 86,3%, respectivamente, enquanto os valores semelhantes de ChN2.5 foram de 77,0%, 87,7% e 94,6%, respectivamente.O revestimento CsW melhora muito a eficiência de remoção de M2.0 e N2.5, e o efeito observado para PM ligeiramente menor é mais significativo.Em particular, os nanohiskers de quitosana aumentaram a eficiência de remoção de PM0.5 e PM1.0 de M2.0 em 15% e 13%, respectivamente (Figura S11, informações de suporte).Embora M2.0 seja difícil de excluir o menor PM1.0 devido ao seu espaçamento fibrilar relativamente amplo (Figura 2c), ChM2.0 adsorve PM1.0 porque os cátions e amidas em CsWs passam por íon-íon, acoplando interação pólo-íon , e interação dipolo-dipolo com poeira.Devido ao seu revestimento CsW, a eficiência de remoção de PM de ChM2.0 e ChN2.5 é tão alta quanto a de M5.2 e N4.8 mais espessos (Tabela S3, informações de suporte).
Curiosamente, embora a eficiência de remoção de PM seja bastante melhorada, o revestimento CsW dificilmente afeta a queda de pressão.A queda de pressão de ChM2.0 e ChN2.5 aumentou ligeiramente para 15 e 23 Pa, quase metade do aumento observado para M5.2 e N4.8 (Figura 3d; Tabela S3, informações de suporte).Portanto, o revestimento com materiais de base biológica é um método adequado para atender aos requisitos de desempenho de dois filtros básicos;ou seja, eficiência de remoção de PM e diferença de pressão de ar, que são mutuamente exclusivas.No entanto, a eficiência de remoção de PM1.0 e PM2.5 de ChM2.0 e ChN2.5 são inferiores a 90%;obviamente, esse desempenho precisa ser melhorado.
Um sistema de filtração integrado composto por múltiplas membranas com diâmetros de fibra e tamanhos de poros que mudam gradualmente pode resolver os problemas acima [12].O filtro de ar integrado tem as vantagens de duas nanofibras diferentes e redes de fibra superfina.A este respeito, ChM e ChN são simplesmente empilhados para produzir filtros integrados (Int-MNs).Por exemplo, Int-MN4.5 é preparado usando ChM2.0 e ChN2.5, e seu desempenho é comparado com ChN4.8 e ChM5.2 que têm densidades de área semelhantes (ou seja, espessura).No experimento de eficiência de remoção de PM, o lado da fibra ultrafina do Int-MN4.5 foi exposto na sala empoeirada porque o lado da fibra ultrafina era mais resistente ao entupimento do que o lado da nanofibra.Conforme mostrado na Figura 4a, o Int-MN4.5 mostra melhor eficiência de remoção de MP e diferença de pressão do que dois filtros de componente único, com uma queda de pressão de 37 Pa, que é semelhante ao ChM5.2 e muito menor que o ChM5.2 ChN4.8. Além disso, a eficiência de remoção de PM1.0 de Int-MN4.5 é de 91% (Figura 4b).Por outro lado, ChM5.2 não apresentou uma eficiência de remoção de PM1.0 tão alta porque seus poros são maiores que os de Int-MN4.5.
Horário da postagem: 03 de novembro de 2021
