Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Pokročilé materiálové a chemické inžinierstvo, Univerzita vedy a techniky (UST), Daejeon, 34113 Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Pokročilé materiálové a chemické inžinierstvo, Univerzita vedy a techniky (UST), Daejeon, 34113 Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Pokročilé materiálové a chemické inžinierstvo, Univerzita vedy a techniky (UST), Daejeon, 34113 Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Pokročilé materiálové a chemické inžinierstvo, Univerzita vedy a techniky (UST), Daejeon, 34113 Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Pokročilé materiálové a chemické inžinierstvo, Univerzita vedy a techniky (UST), Daejeon, 34113 Kórejská republika
Kórejský inštitút chemickej technológie (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Kórejská republika
Pokročilé materiálové a chemické inžinierstvo, Univerzita vedy a techniky (UST), Daejeon, 34113 Kórejská republika
Pomocou nižšie uvedeného odkazu môžete zdieľať plnú textovú verziu tohto článku so svojimi priateľmi a kolegami.uč sa viac.
Kvôli pandémii koronavírusu a problémom súvisiacim s časticami (PM) vo vzduchu dopyt po maskách exponenciálne vzrástol.Tradičné maskové filtre na báze statickej elektriny a nano sita sú však všetky jednorazové, nerozložiteľné alebo recyklovateľné, čo spôsobí vážne problémy s odpadom.Navyše, prvý stratí svoju funkciu vo vlhkých podmienkach, zatiaľ čo druhý bude pracovať s výrazným poklesom tlaku vzduchu a dôjde k pomerne rýchlemu upchávaniu pórov.Tu bol vyvinutý biologicky odbúrateľný, vlhkosť odolný, vysoko priedušný, vysoko výkonný filter masky z vlákien.Stručne povedané, dve biologicky odbúrateľné ultrajemné vlákna a rohože z nanovlákien sú integrované do membránového filtra Janus a potom sú potiahnuté katiónovo nabitými chitosanovými nanovláknami.Tento filter je rovnako účinný ako komerčný filter N95 a dokáže odstrániť 98,3 % 2,5 µm PM.Nanovlákna fyzikálne triedia jemné častice a ultrajemné vlákna poskytujú nízky tlakový rozdiel 59 Pa, čo je vhodné pre ľudské dýchanie.Na rozdiel od prudkého poklesu výkonu komerčných filtrov N95 pri vystavení vlhkosti je strata výkonu tohto filtra zanedbateľná, takže ho možno použiť viackrát, pretože permanentný dipól chitosanu adsorbuje ultrajemné PM (napríklad dusík).a oxidy síry).Je dôležité, aby sa tento filter v kompostovanej pôde do 4 týždňov úplne rozložil.
Súčasná bezprecedentná pandémia koronavírusu (COVID-19) vyvoláva obrovský dopyt po maskách.[1] Svetová zdravotnícka organizácia (WHO) odhaduje, že tento rok je každý mesiac potrebných 89 miliónov lekárskych masiek.[1] Zdravotníci potrebujú nielen vysokoúčinné masky N95, ale aj univerzálne masky pre všetkých jednotlivcov sa stali neodmysliteľnou každodennou výbavou na prevenciu tohto respiračného infekčného ochorenia.[1] Okrem toho príslušné ministerstvá dôrazne odporúčajú každodenné používanie jednorazových rúšok [1], čo viedlo k environmentálnym problémom súvisiacim s veľkým množstvom odpadu z masiek.
Keďže častice (PM) sú v súčasnosti najproblematickejším problémom znečistenia ovzdušia, masky sa stali najúčinnejším protiopatrením dostupným pre jednotlivcov.PM sa delia na PM2,5 a PM10 podľa veľkosti častíc (2,5 resp. 10μm), čo rôznymi spôsobmi vážne ovplyvňuje prírodné prostredie [2] a kvalitu ľudského života.[2] Každý rok spôsobí PM 4,2 milióna úmrtí a 103,1 milióna rokov života prispôsobených zdravotnému postihnutiu.[2] PM2,5 predstavujú obzvlášť vážnu hrozbu pre zdravie a sú oficiálne označené ako karcinogén skupiny I.[2] Preto je včasné a dôležité preskúmať a vyvinúť účinný maskový filter z hľadiska priepustnosti vzduchu a odstraňovania častíc.[3]
Tradičné vláknové filtre vo všeobecnosti zachytávajú PM dvoma rôznymi spôsobmi: prostredníctvom fyzického preosievania na báze nanovlákien a elektrostatickej adsorpcie na báze mikrovlákien (obrázok 1a).Použitie filtrov na báze nanovlákien, najmä elektrospriadových rohoží z nanovlákien, sa ukázalo ako efektívna stratégia na odstránenie PM, čo je výsledkom rozsiahlej dostupnosti materiálu a kontrolovateľnej štruktúry produktu.[3] Rohož z nanovlákien dokáže odstrániť častice cieľovej veľkosti, čo je spôsobené rozdielom veľkosti medzi časticami a pórmi.[3] Nanovlákna však musia byť husto naskladané, aby vytvorili extrémne malé póry, ktoré sú škodlivé pre pohodlné ľudské dýchanie v dôsledku súvisiaceho vysokého tlakového rozdielu.Okrem toho budú malé otvory nevyhnutne pomerne rýchlo zablokované.
Na druhej strane, tavenina vyfukovaná ultrajemná vláknitá rohož je elektrostaticky nabitá vysokoenergetickým elektrickým poľom a veľmi malé častice sú zachytené elektrostatickou adsorpciou.[4] Ako reprezentatívny príklad možno uviesť, že respirátor N95 je respirátor s maskou na tvár s filtráciou častíc, ktorý spĺňa požiadavky Národného ústavu bezpečnosti a ochrany zdravia pri práci, pretože dokáže odfiltrovať najmenej 95 % častíc vo vzduchu.Tento typ filtra absorbuje ultrajemné PM, ktoré sú zvyčajne zložené z aniónových látok, ako sú SO42− a NO3−, prostredníctvom silnej elektrostatickej príťažlivosti.Statický náboj na povrchu vláknitej rohože sa však ľahko rozptýli vo vlhkom prostredí, aké sa nachádza pri vlhkom dýchaní ľudí, [4] čo vedie k zníženiu adsorpčnej kapacity.
Na ďalšie zlepšenie filtračného výkonu alebo vyriešenie kompromisu medzi účinnosťou odstraňovania a poklesom tlaku sa filtre na báze nanovlákien a mikrovlákien kombinujú s materiálmi s vysokým obsahom k, ako sú uhlíkové materiály, kovové organické konštrukcie a nanočastice PTFE.[4] Neistá biologická toxicita a rozptyl náboja týchto prísad sú však stále nevyhnutné problémy.[4] Najmä tieto dva typy tradičných filtrov sú zvyčajne nerozložiteľné, takže po použití budú nakoniec zakopané na skládkach alebo spálené.Preto je dôležitou súčasnou potrebou vývoj vylepšených maskových filtrov na vyriešenie týchto problémov s odpadom a zároveň na zachytávanie PM uspokojivým a výkonným spôsobom.
Aby sme vyriešili vyššie uvedené problémy, vyrobili sme membránový filter Janus integrovaný s rohožami z mikrovlákna a nanovlákien na báze poly(butylénsukcinátu) (na báze PBS)[5].Membránový filter Janus je potiahnutý chitosanovými nano fúzmi (CsWs) [5] (obrázok 1b).Ako všetci vieme, PBS je reprezentatívny biodegradovateľný polymér, ktorý môže produkovať ultrajemné vláknité a nanovlákenné netkané textílie prostredníctvom elektrostatického zvlákňovania.Nanovlákna fyzicky zachytávajú PM, zatiaľ čo mikrovlákna nanovlákna znižujú pokles tlaku a pôsobia ako CsW rámec.Chitosan je materiál na biologickej báze, u ktorého sa preukázalo, že má dobré biologické vlastnosti vrátane biokompatibility, biologickej odbúrateľnosti a relatívne nízkej toxicity [5], čo môže znížiť úzkosť spojenú s náhodnou inhaláciou používateľov.[5] Okrem toho má chitosan katiónové miesta a polárne amidové skupiny.[5] Dokonca aj vo vlhkých podmienkach môže priťahovať polárne ultrajemné častice (ako SO42- a NO3-).
Tu uvádzame biologicky odbúrateľný, vysoko účinný, vlhkosť odolný a nízkotlakový filter masky na kvapky na báze ľahko dostupných biologicky odbúrateľných materiálov.Vďaka kombinácii fyzikálneho sitovania a elektrostatickej adsorpcie má integrovaný filter z mikrovlákna/nanovlákna s povlakom CsW vysokú účinnosť odstraňovania PM2,5 (až 98 %) a zároveň maximálny pokles tlaku na najhrubšom filtri je len Je to 59 Pa, vhodné na ľudské dýchanie.V porovnaní s výraznou degradáciou výkonu, ktorú vykazuje komerčný filter N95, tento filter vykazuje zanedbateľnú stratu účinnosti odstraňovania PM (<1%), aj keď je úplne mokrý, v dôsledku permanentného náboja CsW.Naše filtre sú navyše úplne biologicky rozložiteľné v kompostovanej pôde do 4 týždňov.V porovnaní s inými štúdiami s podobnými koncepciami, v ktorých je časť filtra zložená z biologicky odbúrateľných materiálov alebo vykazuje obmedzený výkon v potenciálnych biopolymérnych netkaných aplikáciách, [6] tento filter priamo ukazuje biologickú odbúrateľnosť pokročilých funkcií (film S1, podporné informácie).
Ako súčasť membránového filtra Janus boli najskôr pripravené nanovláknové a superjemné vlákna PBS rohože.Preto boli 11% a 12% roztoky PBS elektrospriadené, aby sa vyrobili nanometrové a mikrometrické vlákna, v danom poradí, kvôli ich rozdielu vo viskozite.[7] Podrobné informácie o charakteristikách roztoku a optimálnych podmienkach elektrostatického zvlákňovania sú uvedené v tabuľkách S1 a S2 v sprievodných informáciách.Pretože zvlákňované vlákno stále obsahuje zvyškové rozpúšťadlo, do typického zariadenia na elektrostatické zvlákňovanie sa pridáva dodatočný vodný koagulačný kúpeľ, ako je znázornené na obrázku 2a.Okrem toho vodný kúpeľ môže tiež použiť rám na zber koagulovanej čistej PBS vláknitej rohože, ktorá sa líši od pevnej matrice v tradičnom prostredí (obrázok 2b).[7] Priemerný priemer vlákien rohoží z mikrovlákna a nanovlákien je 2,25 a 0,51 µm a priemerný priemer pórov je 13,1 a 3,5 µm (obrázok 2c, d).Keďže sa rozpúšťadlo chloroform/etanol 9:1 po uvoľnení z dýzy rýchlo odparuje, rozdiel vo viskozite medzi roztokmi s koncentráciou 11 a 12 % hmotn. sa rýchlo zvyšuje (obrázok S1, podporné informácie).[7] Preto rozdiel v koncentrácii iba 1 % hmotn. môže spôsobiť významnú zmenu priemeru vlákna.
Pred kontrolou výkonu filtra (obrázok S2, podporné informácie), aby bolo možné primerane porovnať rôzne filtre, boli vyrobené elektricky zvlákňované netkané textílie štandardnej hrúbky, pretože hrúbka je dôležitým faktorom, ktorý ovplyvňuje tlakový rozdiel a účinnosť filtrácie výkonu filtra.Pretože netkané textílie sú mäkké a porézne, je ťažké priamo určiť hrúbku elektricky zvlákňovaných netkaných textílií.Hrúbka tkaniny je vo všeobecnosti úmerná hustote povrchu (hmotnosť na jednotku plochy, plošná hmotnosť).Preto v tejto štúdii používame plošnú hmotnosť (gm-2) ako efektívnu mieru hrúbky.[8] Hrúbka sa riadi zmenou času elektrostatického zvlákňovania, ako je znázornené na obrázku 2e.Keď sa čas odstreďovania zvyšuje z 1 minúty na 10 minút, hrúbka rohože z mikrovlákna sa zvyšuje na 0,2, 2,0, 5,2 a 9,1 gm-2.Rovnakým spôsobom sa hrúbka rohože z nanovlákien zvýšila na 0,2, 1,0, 2,5 a 4,8 gm-2.Rohože z mikrovlákien a nanovlákien sú označované hodnotami hrúbky (gm-2) ako: M0,2, M2,0, M5,2 a M9,1 a N0,2, N1,0, N2,5 a N4. 8.
Rozdiel tlaku vzduchu (ΔP) celej vzorky je dôležitým ukazovateľom výkonu filtra.[9] Dýchanie cez filter s vysokou tlakovou stratou je pre užívateľa nepríjemné.Prirodzene sa pozoruje, že pokles tlaku sa zvyšuje so zvyšovaním hrúbky filtra, ako je znázornené na obrázku S3, podporné informácie.Rohož z nanovlákien (N4.8) vykazuje vyšší pokles tlaku ako rohož z mikrovlákna (M5.2) pri porovnateľnej hrúbke, pretože rohož z nanovlákien má menšie póry.Keď vzduch prechádza cez filter rýchlosťou medzi 0,5 a 13,2 ms-1, tlakový spád dvoch rôznych typov filtrov sa postupne zvyšuje zo 101 Pa na 102 Pa. Hrúbka by mala byť optimalizovaná, aby sa vyrovnal pokles tlaku a odstránenie PM efektívnosť;rýchlosť vzduchu 1,0 ms-1 je primeraná, pretože čas, ktorý ľudia potrebujú na dýchanie ústami, je asi 1,3 ms-1.[10] Z tohto hľadiska je pokles tlaku M5.2 a N4.8 prijateľný pri rýchlosti vzduchu 1,0 ms-1 (menej ako 50 Pa) (obrázok S4, podporné informácie).Upozorňujeme, že tlaková strata N95 a podobných kórejských štandardných filtračných masiek (KF94) je 50 až 70 Pa.Ďalšie spracovanie CsW a integrácia mikro/nano filtrov môže zvýšiť odpor vzduchu;preto, aby sme zabezpečili rezervu poklesu tlaku, analyzovali sme N2.5 a M2.0 pred analýzou M5.2 a N4.8.
Pri cieľovej rýchlosti vzduchu 1,0 ms-1 sa študovala účinnosť odstraňovania PM1,0, PM2,5 a PM10 PBS mikrovláknových a nanovlákenných rohoží bez statického náboja (obrázok S5, podporné informácie).Pozoruje sa, že účinnosť odstraňovania PM sa vo všeobecnosti zvyšuje so zvyšovaním hrúbky a veľkosti PM.Účinnosť odstraňovania N2.5 je lepšia ako M2.0 vďaka menším pórom.Účinnosť odstraňovania M2.0 pre PM1.0, PM2.5 a PM10 bola 55,5 %, 64,6 % a 78,8 %, zatiaľ čo podobné hodnoty N2,5 boli 71,9 %, 80,1 % a 89,6 % (obrázok 2f).Všimli sme si, že najväčší rozdiel v účinnosti medzi M2.0 a N2.5 je PM1.0, čo naznačuje, že fyzické preosievanie sieťky z mikrovlákna je účinné pre PM na mikrónovej úrovni, ale nie je účinné pre PM na nanoúrovni (obrázok S6, podporné informácie)., M2.0 a N2.5 oba vykazujú nízku schopnosť zachytávať častice menej ako 90 %.Okrem toho môže byť N2.5 náchylnejší na prach ako M2.0, pretože prachové častice môžu ľahko upchať menšie póry N2.5.Pri absencii statického náboja je fyzikálne preosievanie obmedzené, pokiaľ ide o jeho schopnosť dosiahnuť požadovaný pokles tlaku a účinnosť odstraňovania súčasne, a to z dôvodu vzájomného kompromisu medzi nimi.
Elektrostatická adsorpcia je najpoužívanejšou metódou na efektívne zachytávanie PM.[11] Vo všeobecnosti sa statický náboj násilne aplikuje na netkaný filter cez vysokoenergetické elektrické pole;tento statický náboj sa však vo vlhkých podmienkach ľahko rozptýli, čo vedie k strate schopnosti zachytávať častice.[4] Ako biologický materiál na elektrostatickú filtráciu sme zaviedli CsW s dĺžkou 200 nm a šírkou 40 nm;vďaka svojim amóniovým skupinám a polárnym amidovým skupinám tieto nanovlákna obsahujú permanentné katiónové náboje.Dostupný kladný náboj na povrchu CsW predstavuje jeho zeta potenciál (ZP);CsW je dispergovaný vo vode s pH 4,8 a zistilo sa, že ich ZP je +49,8 mV (obrázok S7, podporné informácie).
CsW-potiahnuté PBS mikrovlákna (ChMs) a nanovlákna (ChNs) boli pripravené jednoduchým máčaním v 0,2 % hmotn. CsW vodnej disperzii, čo je vhodná koncentrácia na prichytenie maximálneho množstva CsW na povrch PBS vlákien, ako je znázornené na obrázku obrázok Zobrazený na obrázku 3a a obrázku S8, podporné informácie.Obrázok röntgenovej spektroskopie s disperznou energiou dusíka (EDS) ukazuje, že povrch vlákna PBS je rovnomerne potiahnutý časticami CsW, čo je zrejmé aj na obrázku zo skenovacieho elektrónového mikroskopu (SEM) (obrázok 3b; obrázok S9, podporné informácie) .Okrem toho táto metóda poťahovania umožňuje nabitým nanomateriálom jemne obaliť povrch vlákna, čím sa maximalizuje schopnosť elektrostatického odstránenia PM (obrázok S10, podporné informácie).
Študovala sa účinnosť odstraňovania PM ChM a ChN (obrázok 3c).M2.0 a N2.5 boli potiahnuté CsW za vzniku ChM2.0 a ChN2.5, v danom poradí.Účinnosť odstraňovania ChM2.0 pre PM1.0, PM2.5 a PM10 bola 70,1 %, 78,8 % a 86,3 %, zatiaľ čo podobné hodnoty ChN2,5 boli 77,0 %, 87,7 % a 94,6 %.Povlak CsW výrazne zlepšuje účinnosť odstraňovania M2.0 a N2.5 a účinok pozorovaný pre o niečo menšie PM je výraznejší.Najmä chitosanové nanovlákna zvýšili účinnosť odstraňovania PM0,5 a PM1,0 M2.0 o 15% a 13% (obrázok S11, podporné informácie).Aj keď je pre M2.0 ťažké vylúčiť menšie PM1.0 kvôli jeho relatívne širokému rozstupu fibríl (obrázok 2c), ChM2.0 adsorbuje PM1.0, pretože katióny a amidy v CsW prechádzajú cez ión-ión, spájajúcu interakciu pól-ión a interakcia dipól-dipól s prachom.Vďaka svojmu povlaku CsW je účinnosť odstraňovania PM ChM2.0 a ChN2.5 taká vysoká ako účinnosť hrubších M5.2 a N4.8 (tabuľka S3, podporné informácie).
Je zaujímavé, že hoci sa účinnosť odstraňovania PM výrazne zlepšila, povlak CsW takmer neovplyvňuje pokles tlaku.Pokles tlaku ChM2.0 a ChN2.5 sa mierne zvýšil na 15 a 23 Pa, čo je takmer polovica zvýšenia pozorovaného pre M5.2 a N4.8 (obrázok 3d; tabuľka S3, podporné informácie).Preto je poťahovanie biologickými materiálmi vhodnou metódou na splnenie výkonnostných požiadaviek dvoch základných filtrov;tj účinnosť odstraňovania PM a rozdiel tlaku vzduchu, ktoré sa navzájom vylučujú.Avšak účinnosť odstraňovania PM1.0 a PM2.5 ChM2.0 a ChN2.5 sú obe nižšie ako 90 %;samozrejme, že tento výkon treba zlepšiť.
Vyššie uvedené problémy môže vyriešiť integrovaný filtračný systém zložený z viacerých membrán s postupne sa meniacimi priemermi vlákien a veľkosťou pórov [12].Integrovaný vzduchový filter má výhody dvoch rôznych nanovlákien a superjemných vlákien.V tomto ohľade sú ChM a ChN jednoducho naskladané, aby vytvorili integrované filtre (Int-MN).Napríklad Int-MN4.5 sa pripravuje s použitím ChM2.0 a ChN2.5 a jeho výkonnosť sa porovnáva s ChN4.8 a ChM5.2, ktoré majú podobné plošné hustoty (tj hrúbku).V experimente účinnosti odstraňovania PM bola strana s ultrajemnými vláknami Int-MN4.5 vystavená v prašnej miestnosti, pretože strana s ultrajemnými vláknami bola odolnejšia voči upchávaniu ako strana nanovlákien.Ako je znázornené na obrázku 4a, Int-MN4.5 vykazuje lepšiu účinnosť odstraňovania PM a tlakový rozdiel ako dva jednozložkové filtre, s poklesom tlaku 37 Pa, čo je podobné ako ChM5.2 a oveľa nižšie ako ChM5.2 ChN4.8. Okrem toho, účinnosť odstraňovania PM1.0 Int-MN4.5 je 91 % (obrázok 4b).Na druhej strane, ChM5.2 nevykazoval takú vysokú účinnosť odstraňovania PM1.0, pretože jeho póry sú väčšie ako póry Int-MN4.5.
Čas uverejnenia: 3. novembra 2021
