Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Korejski inštitut za kemijsko tehnologijo (KRICT), Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republika Koreja
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republika Koreja
Uporabite spodnjo povezavo, da delite celotno različico tega članka s prijatelji in sodelavci.nauči se več.
Zaradi pandemije koronavirusa in težav, povezanih s trdimi delci (PM) v zraku, je povpraševanje po maskah eksponentno naraslo.Vendar pa so tradicionalni maskni filtri, ki temeljijo na statični elektriki in nano sitih, za enkratno uporabo, jih ni mogoče razgraditi ali reciklirati, kar bo povzročilo resne težave z odpadki.Poleg tega bo prva izgubila svojo funkcijo v vlažnih razmerah, medtem ko bo druga delovala ob znatnem padcu zračnega tlaka in bo prišlo do relativno hitre zamašitve por.Tukaj je bil razvit biološko razgradljiv, odporen proti vlagi, zelo zračen, visoko zmogljiv filter maske iz vlaken.Skratka, dve biorazgradljivi ultrafini vlakni in preprogi iz nanovlaken sta vgrajeni v membranski filter Janus in nato prevlečeni s kationsko nabitimi hitozanskimi nanovlakni.Ta filter je enako učinkovit kot komercialni filter N95 in lahko odstrani 98,3 % 2,5 µm delcev.Nanovlakna fizično filtrirajo drobne delce, ultrafina vlakna pa zagotavljajo nizko tlačno razliko 59 Pa, ki je primerna za človeško dihanje.V nasprotju z močnim upadom učinkovitosti komercialnih filtrov N95, ko so izpostavljeni vlagi, je izguba učinkovitosti tega filtra zanemarljiva, zato ga je mogoče uporabiti večkrat, ker trajni dipol hitozana adsorbira ultrafine PM (na primer dušik).in žveplovi oksidi).Pomembno je, da se ta filter popolnoma razgradi v kompostirani zemlji v 4 tednih.
Trenutna pandemija koronavirusa brez primere (COVID-19) povzroča veliko povpraševanje po maskah.[1] Svetovna zdravstvena organizacija (WHO) ocenjuje, da je letos potrebnih 89 milijonov medicinskih mask vsak mesec.[1] Ne samo, da zdravstveni delavci potrebujejo visoko učinkovite maske N95, temveč so maske za splošno uporabo za vse posameznike postale tudi nepogrešljiva dnevna oprema za preprečevanje te nalezljive bolezni dihal.[1] Poleg tega ustrezna ministrstva močno priporočajo vsakodnevno uporabo mask za enkratno uporabo, [1] to je povzročilo okoljske težave, povezane z velikimi količinami odpadnih mask.
Ker so delci (PM) trenutno najbolj problematičen problem onesnaževanja zraka, so maske postale najučinkovitejši protiukrep, ki je na voljo posameznikom.PM delimo na PM2,5 in PM10 glede na velikost delcev (2,5 oziroma 10 μm), ki na različne načine resno vplivajo na naravno okolje [2] in kakovost človekovega življenja.[2] Vsako leto PM povzroči 4,2 milijona smrti in 103,1 milijona invalidnih let življenja.[2] Delci PM2,5 predstavljajo posebno resno nevarnost za zdravje in so uradno označeni kot rakotvorne snovi I. skupine.[2] Zato je pravočasno in pomembno raziskati in razviti učinkovit maskni filter v smislu prepustnosti zraka in odstranjevanja delcev.[3]
Na splošno tradicionalni vlakneni filtri zajemajo PM na dva različna načina: s fizičnim sejanjem na osnovi nanovlaken in elektrostatično adsorpcijo na osnovi mikrovlaken (slika 1a).Uporaba filtrov na osnovi nanovlaken, zlasti elektropredenih preprog iz nanovlaken, se je izkazala za učinkovito strategijo za odstranjevanje delcev, kar je rezultat obsežne razpoložljivosti materiala in nadzorovane strukture izdelka.[3] Podloga iz nanovlaken lahko odstrani delce ciljne velikosti, ki je posledica razlike v velikosti med delci in porami.[3] Vendar pa morajo biti vlakna v nanometru gosto zložena, da tvorijo izredno majhne pore, ki so škodljive za udobno človeško dihanje zaradi povezane visoke razlike v tlaku.Poleg tega bodo majhne luknje neizogibno razmeroma hitro zamašene.
Po drugi strani je preproga iz izjemno finih vlaken, ki je pihana iz taline, elektrostatično nabita z visokoenergijskim električnim poljem, zelo majhni delci pa so ujeti z elektrostatično adsorpcijo.[4] Kot reprezentativen primer je respirator N95 respirator za obrazno masko s filtrom za delce, ki izpolnjuje zahteve Nacionalnega inštituta za varnost in zdravje pri delu, ker lahko filtrira vsaj 95 % delcev v zraku.Ta vrsta filtra absorbira ultrafine PM, ki so običajno sestavljeni iz anionskih snovi, kot sta SO42− in NO3−, z močno elektrostatično privlačnostjo.Vendar pa se statični naboj na površini vlaknene preproge zlahka razprši v vlažnem okolju, kot ga najdemo pri vlažnem človeškem dihanju, [4] kar povzroči zmanjšanje adsorpcijske sposobnosti.
Da bi še izboljšali učinkovitost filtracije ali rešili kompromis med učinkovitostjo odstranjevanja in padcem tlaka, so filtri na osnovi nanovlaken in mikrovlaken kombinirani z materiali z visoko vsebnostjo k, kot so ogljikovi materiali, kovinski organski okvirji in nanodelci PTFE.[4] Negotova biološka strupenost in disipacija naboja teh dodatkov sta še vedno neizogibni težavi.[4] Zlasti ti dve vrsti tradicionalnih filtrov običajno nista razgradljivi, zato bosta po uporabi sčasoma zakopana na odlagališčih ali sežgana.Zato je razvoj izboljšanih maskirnih filtrov za reševanje teh težav z odpadki in hkrati zadovoljivo in močno zajemanje delcev pomembna trenutna potreba.
Da bi rešili zgornje težave, smo izdelali membranski filter Janus, ki je integriran z podlogami iz mikrovlaken in nanovlaken na osnovi poli(butilen sukcinata) (na osnovi PBS) [5].Membranski filter Janus je prevlečen s hitozanskimi nano brki (CsW) [5] (slika 1b).Kot vsi vemo, je PBS reprezentativen biološko razgradljiv polimer, ki lahko proizvaja ultrafina vlakna in netkane nanovlakna z elektropredenjem.Vlakna v nanometru fizično ujamejo PM, medtem ko nano-vlakna v mikro merilu zmanjšajo padec tlaka in delujejo kot ogrodje CsW.Hitozan je material na biološki osnovi, ki ima dokazano dobre biološke lastnosti, vključno z biokompatibilnostjo, biorazgradljivostjo in relativno nizko toksičnostjo, [5] kar lahko zmanjša tesnobo, povezano z nenamernim vdihavanjem pri uporabnikih.[5] Poleg tega ima hitozan kationska mesta in polarne amidne skupine.[5] Tudi v vlažnih pogojih lahko pritegne polarne ultrafine delce (kot sta SO42- in NO3-).
Tukaj poročamo o biološko razgradljivem, visoko učinkovitem, vlagoodpornem in nizkotlačnem filtru za masko, ki temelji na takoj dostopnih biorazgradljivih materialih.Zaradi kombinacije fizičnega sejanja in elektrostatične adsorpcije ima integrirani filter iz mikrovlaken/nanovlaken, prevlečen s CsW, visoko učinkovitost odstranjevanja PM2,5 (do 98 %), hkrati pa je največji padec tlaka na najdebelejšem filtru samo Je 59 Pa, primeren za človeško dihanje.V primerjavi s precejšnjim poslabšanjem zmogljivosti, ki ga je pokazal komercialni filter N95, ta filter kaže zanemarljivo izgubo učinkovitosti odstranjevanja delcev (<1 %), tudi ko je popolnoma moker, zaradi trajnega naboja CsW.Poleg tega so naši filtri popolnoma biorazgradljivi v kompostirani zemlji v 4 tednih.V primerjavi z drugimi študijami s podobnimi koncepti, v katerih je del filtra sestavljen iz biološko razgradljivih materialov ali kaže omejeno učinkovitost v potencialnih aplikacijah biopolimernega netkanega materiala, [6] ta filter neposredno prikazuje biorazgradljivost naprednih funkcij (film S1, podporne informacije).
Kot sestavni del membranskega filtra Janus so bile najprej pripravljene preproge iz nanovlaken in superfinih vlaken PBS.Zato so bile 11-odstotne in 12-odstotne raztopine PBS elektrospredene za proizvodnjo nanometrskih oziroma mikrometrskih vlaken zaradi njihove razlike v viskoznosti.[7] Podrobne informacije o značilnostih raztopine in optimalnih pogojih elektropredenja so navedene v tabelah S1 in S2 v podpornih informacijah.Ker predeno vlakno še vedno vsebuje ostanke topila, se tipični napravi za elektropredenje doda dodatna vodna koagulacijska kopel, kot je prikazano na sliki 2a.Poleg tega lahko vodna kopel uporablja tudi okvir za zbiranje koagulirane čiste vlaknene preproge PBS, ki se razlikuje od trdne matrice v tradicionalni nastavitvi (slika 2b).[7] Povprečni premeri vlaken preproge iz mikrovlaken in nanovlaken so 2,25 oziroma 0,51 µm, povprečni premeri por pa 13,1 oziroma 3,5 µm (slika 2c, d).Ker topilo 9:1 kloroform/etanol hitro izhlapi, potem ko je izpuščeno iz šobe, se razlika v viskoznosti med 11 in 12 masnimi % raztopinami hitro poveča (slika S1, dodatne informacije).[7] Zato lahko razlika v koncentraciji samo 1 masnega % povzroči znatno spremembo premera vlaken.
Pred preverjanjem delovanja filtra (slika S2, podporne informacije) so bili za razumno primerjavo različnih filtrov izdelani elektropredeni netkani materiali standardne debeline, ker je debelina pomemben dejavnik, ki vpliva na tlačno razliko in učinkovitost filtracije učinkovitosti filtra.Ker so netkani materiali mehki in porozni, je težko neposredno določiti debelino elektropredenih netkanih materialov.Debelina tkanine je na splošno sorazmerna s površinsko gostoto (teža na enoto površine, osnovna teža).Zato v tej študiji uporabljamo osnovno težo (gm-2) kot učinkovito merilo debeline.[8] Debelino nadziramo s spreminjanjem časa elektropredenja, kot je prikazano na sliki 2e.Ko se čas ožemanja poveča z 1 minute na 10 minut, se debelina preproge iz mikrovlaken poveča na 0,2, 2,0, 5,2 oziroma 9,1 gm-2.Na enak način se je debelina preproge iz nanovlaken povečala na 0,2, 1,0, 2,5 oziroma 4,8 gm-2.Podloge iz mikrovlaken in nanovlaken so označene z vrednostmi debeline (gm-2) kot: M0.2, M2.0, M5.2 in M9.1 ter N0.2, N1.0, N2.5 in N4. 8.
Razlika zračnega tlaka (ΔP) celotnega vzorca je pomemben pokazatelj delovanja filtra.[9] Dihanje skozi filter z visokim padcem tlaka je za uporabnika neprijetno.Seveda je opaziti, da se padec tlaka povečuje z večanjem debeline filtra, kot je prikazano na sliki S3, ki podpira informacije.Podloga iz nanovlaken (N4.8) kaže večji padec tlaka kot preproga iz mikrovlaken (M5.2) pri primerljivi debelini, ker ima preproga iz nanovlaken manjše pore.Ko zrak prehaja skozi filter s hitrostjo med 0,5 in 13,2 ms-1, se padec tlaka dveh različnih vrst filtrov postopoma poveča s 101 Pa na 102 Pa. Debelino je treba optimizirati za uravnoteženje padca tlaka in odstranjevanja delcev. učinkovitost;hitrost zraka 1,0 ms-1 je razumna, saj je čas, ki ga potrebuje človek, da diha skozi usta, približno 1,3 ms-1.[10] V zvezi s tem je padec tlaka M5.2 in N4.8 sprejemljiv pri hitrosti zraka 1,0 ms-1 (manj kot 50 Pa) (slika S4, podporne informacije).Upoštevajte, da je padec tlaka mask N95 in podobnih korejskih standardnih filtrov (KF94) 50 do 70 Pa.Nadaljnja obdelava CsW in integracija mikro/nano filtrov lahko povečata zračni upor;zato smo, da bi zagotovili rezervo padca tlaka, analizirali N2.5 in M2.0 pred analizo M5.2 in N4.8.
Pri ciljni hitrosti zraka 1,0 ms-1 so preučevali učinkovitost odstranjevanja delcev PM1.0, PM2.5 in PM10 iz mikrovlaken in nanovlaken PBS brez statičnega naboja (slika S5, podporne informacije).Opaženo je, da se učinkovitost odstranjevanja delcev na splošno povečuje s povečanjem debeline in velikosti delcev.Učinkovitost odstranjevanja N2.5 je boljša kot M2.0 zaradi manjših por.Učinkovitost odstranjevanja M2.0 za PM1.0, PM2.5 in PM10 je bila 55,5 %, 64,6 % oziroma 78,8 %, medtem ko so bile podobne vrednosti N2.5 71,9 %, 80,1 % in 89,6 % (slika 2f).Opazili smo, da je največja razlika v učinkovitosti med M2.0 in N2.5 PM1.0, kar kaže, da je fizično sejanje mreže iz mikrovlaken učinkovito za PM na mikronski ravni, ni pa učinkovito za PM na nano ravni (slika S6, podporne informacije)., M2.0 in N2.5 oba kažeta nizko sposobnost zajemanja delcev manj kot 90 %.Poleg tega je lahko N2.5 bolj dovzeten za prah kot M2.0, ker lahko prašni delci zlahka blokirajo manjše pore N2.5.V odsotnosti statičnega naboja je zmožnost fizičnega sejanja, da hkrati doseže zahtevani padec tlaka in učinkovitost odstranjevanja, omejena zaradi razmerja kompromisov med njima.
Elektrostatična adsorpcija je najpogosteje uporabljena metoda za učinkovito zajemanje delcev.[11] Na splošno se statični naboj na silo nanese na netkani filter prek visokoenergetskega električnega polja;vendar se ta statični naboj zlahka razprši v vlažnih razmerah, kar povzroči izgubo sposobnosti zajemanja delcev.[4] Kot biološki material za elektrostatično filtracijo smo uvedli 200 nm dolg in 40 nm širok CsW;zaradi svojih amonijevih skupin in polarnih amidnih skupin ti nanobrčki vsebujejo stalne kationske naboje.Razpoložljivi pozitivni naboj na površini CsW je predstavljen z njegovim zeta potencialom (ZP);CsW je razpršen v vodi s pH 4,8, njihov ZP pa je +49,8 mV (slika S7, podporne informacije).
S CsW prevlečena PBS mikrovlakna (ChMs) in nanovlakna (ChNs) so bila pripravljena s preprostim potapljanjem v 0,2 mas.% vodne disperzije CsW, kar je ustrezna koncentracija za pritrditev največje količine CsW na površino vlaken PBS, kot je prikazano v slika Prikazano na sliki 3a in sliki S8, podporne informacije.Slika rentgenske spektroskopije z dušikovo energijsko disperzijo (EDS) kaže, da je površina vlakna PBS enakomerno prevlečena z delci CsW, kar je razvidno tudi iz slike z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) (slika 3b; slika S9, podporne informacije) .Poleg tega ta metoda prevleke omogoča, da nabiti nanomateriali fino ovijejo površino vlaken, s čimer se poveča zmogljivost elektrostatičnega odstranjevanja delcev (slika S10, podporne informacije).
Raziskana je bila učinkovitost odstranjevanja delcev ChM in ChN (slika 3c).M2.0 in N2.5 sta bila prevlečena s CsW, da je nastala ChM2.0 oziroma ChN2.5.Učinkovitost odstranjevanja ChM2.0 za PM1.0, PM2.5 in PM10 je bila 70,1 %, 78,8 % oziroma 86,3 %, medtem ko so bile podobne vrednosti ChN2.5 77,0 %, 87,7 % oziroma 94,6 %.Prevleka CsW močno izboljša učinkovitost odstranjevanja M2.0 in N2.5, učinek, opažen pri nekoliko manjših delcih, pa je pomembnejši.Zlasti hitozanske nanobrčice so povečale učinkovitost odstranjevanja PM0.5 in PM1.0 M2.0 za 15 % oziroma 13 % (slika S11, podporne informacije).Čeprav je M2.0 težko izključiti manjši PM1.0 zaradi njegovega razmeroma širokega razmika med fibrili (slika 2c), ChM2.0 adsorbira PM1.0, ker kationi in amidi v CsW prehajajo skozi ion-ion, kar povezuje interakcijo polov-iona in dipol-dipolna interakcija s prahom.Zaradi prevleke CsW je učinkovitost odstranjevanja delcev ChM2.0 in ChN2.5 tako visoka kot pri debelejših M5.2 in N4.8 (tabela S3, podporne informacije).
Zanimivo je, da čeprav je učinkovitost odstranjevanja delcev močno izboljšana, premaz CsW skoraj ne vpliva na padec tlaka.Padec tlaka ChM2.0 in ChN2.5 se je nekoliko povečal na 15 in 23 Pa, kar je skoraj polovica povečanja, opaženega za M5.2 in N4.8 (slika 3d; tabela S3, podporne informacije).Zato je prevleka z materiali na biološki osnovi primerna metoda za izpolnjevanje zahtev glede učinkovitosti dveh osnovnih filtrov;to je učinkovitost odstranjevanja delcev in razlika v zračnem tlaku, ki se med seboj izključujeta.Vendar sta učinkovitost odstranjevanja delcev PM1.0 in PM2.5 pri ChM2.0 in ChN2.5 nižja od 90 %;očitno je treba to delovanje izboljšati.
Integriran filtrirni sistem, sestavljen iz več membran s postopno spreminjajočimi se premeri vlaken in velikostjo por, lahko reši zgornje težave [12].Integrirani zračni filter ima prednosti dveh različnih nanovlaken in mrež iz superfinih vlaken.V tem pogledu sta ChM in ChN preprosto zložena, da proizvedeta integrirane filtre (Int-MN).Na primer, Int-MN4.5 je pripravljen z uporabo ChM2.0 in ChN2.5, njegova učinkovitost pa se primerja s ChN4.8 in ChM5.2, ki imata podobno površinsko gostoto (tj. debelino).V poskusu učinkovitosti odstranjevanja delcev je bila stran ultrafinih vlaken Int-MN4.5 izpostavljena v prašnem prostoru, ker je bila stran ultrafinih vlaken bolj odporna proti zamašitvam kot stran nanovlaken.Kot je prikazano na sliki 4a, Int-MN4.5 kaže boljšo učinkovitost odstranjevanja delcev in razliko v tlaku kot dva enokomponentna filtra s padcem tlaka 37 Pa, kar je podobno ChM5.2 in veliko nižje kot ChM5.2 ChN4.8. Poleg tega je učinkovitost odstranjevanja PM1.0 z Int-MN4.5 91 % (slika 4b).Po drugi strani pa ChM5.2 ni pokazal tako visoke učinkovitosti odstranjevanja PM1.0, ker so njegove pore večje od por Int-MN4.5.
Čas objave: Nov-03-2021
