Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republiken Korea
Använd länken nedan för att dela hela textversionen av den här artikeln med dina vänner och kollegor.lär dig mer.
På grund av coronavirus-pandemin och problem relaterade till partiklar (PM) i luften har efterfrågan på masker ökat exponentiellt.Men traditionella maskfilter baserade på statisk elektricitet och nanosil är alla engångs-, icke-nedbrytbara eller återvinningsbara, vilket kommer att orsaka allvarliga avfallsproblem.Dessutom kommer den förra att förlora sin funktion under fuktiga förhållanden, medan den senare kommer att fungera med ett betydande lufttrycksfall och relativt snabb portilltäppning kommer att inträffa.Här har ett biologiskt nedbrytbart, fuktsäkert, mycket andningsbart, högpresterande fibermaskfilter utvecklats.Kort sagt, två biologiskt nedbrytbara ultrafina fibrer och nanofibermattor är integrerade i Janus-membranfiltret och beläggs sedan med katjoniskt laddade nanowhiskers av kitosan.Detta filter är lika effektivt som det kommersiella N95-filtret och kan ta bort 98,3 % av 2,5 µm PM.Nanofibrer screenar fysiskt fina partiklar och ultrafina fibrer ger en låg tryckskillnad på 59 Pa, vilket är lämpligt för mänsklig andning.I motsats till den kraftiga nedgången i prestanda hos kommersiella N95-filter när de utsätts för fukt, är prestandaförlusten för detta filter försumbar, så det kan användas flera gånger eftersom den permanenta dipolen av kitosan adsorberar ultrafint PM (till exempel kväve).Och svaveloxider).Det är viktigt att detta filter sönderfaller helt i den komposterade jorden inom 4 veckor.
Den nuvarande oöverträffade coronavirus-pandemin (COVID-19) driver en enorm efterfrågan på masker.[1] Världshälsoorganisationen (WHO) uppskattar att 89 miljoner medicinska masker behövs varje månad i år.[1] Sjukvårdspersonal behöver inte bara högeffektiva N95-masker, utan allmänna masker för alla individer har också blivit oumbärlig daglig utrustning för att förebygga denna luftvägsinfektionssjukdom.[1] Dessutom rekommenderar relevanta ministerier starkt användning av engångsmasker varje dag, [1] detta har lett till miljöproblem relaterade till stora mängder maskavfall.
Eftersom partiklar (PM) för närvarande är det mest problematiska luftföroreningsproblemet, har masker blivit den mest effektiva motåtgärden som finns tillgänglig för individer.PM delas in i PM2,5 och PM10 efter partikelstorleken (2,5 respektive 10μm), vilket allvarligt påverkar den naturliga miljön [2] och människors livskvalitet på olika sätt.[2] Varje år orsakar PM 4,2 miljoner dödsfall och 103,1 miljoner invaliditetsjusterade levnadsår.[2] PM2.5 utgör ett särskilt allvarligt hot mot hälsan och är officiellt klassificerat som cancerframkallande i grupp I.[2] Därför är det lägligt och viktigt att forska och utveckla ett effektivt maskfilter när det gäller luftgenomsläpplighet och partikelborttagning.[3]
Generellt sett fångar traditionella fiberfilter PM på två olika sätt: genom fysisk siktning baserad på nanofibrer och elektrostatisk adsorption baserad på mikrofibrer (Figur 1a).Användningen av nanofiberbaserade filter, särskilt elektrospunna nanofibermattor, har visat sig vara en effektiv strategi för att ta bort PM, vilket är resultatet av omfattande materialtillgänglighet och kontrollerbar produktstruktur.[3] Nanofibermattan kan ta bort partiklar av målstorleken, vilket orsakas av storleksskillnaden mellan partiklarna och porerna.[3] Fibrer i nanoskala måste dock staplas tätt för att bilda extremt små porer, som är skadliga för bekväm mänsklig andning på grund av den tillhörande höga tryckskillnaden.Dessutom kommer de små hålen oundvikligen att blockeras relativt snabbt.
Å andra sidan laddas den smältblåsta ultrafina fibermattan elektrostatiskt av ett elektriskt fält med hög energi, och mycket små partiklar fångas upp av elektrostatisk adsorption.[4] Som ett representativt exempel är N95-respiratorn en partikelfiltrerande andningsmask för ansiktsmask som uppfyller kraven från National Institute of Occupational Safety and Health eftersom den kan filtrera minst 95 % av luftburna partiklar.Denna typ av filter absorberar ultrafint PM, som vanligtvis består av anjoniska ämnen som SO42− och NO3−, genom stark elektrostatisk attraktion.Den statiska laddningen på fibermattans yta försvinner dock lätt i en fuktig miljö, som till exempel i fuktig mänsklig andning, [4] vilket resulterar i en minskning av adsorptionskapaciteten.
För att ytterligare förbättra filtreringsprestandan eller lösa kompromissen mellan borttagningseffektivitet och tryckfall, kombineras filter baserade på nanofibrer och mikrofibrer med högkvalitativa material, såsom kolmaterial, metallorganiska ramverk och PTFE-nanopartiklar.[4] Men den osäkra biologiska toxiciteten och laddningsförlusten av dessa tillsatser är fortfarande oundvikliga problem.[4] I synnerhet är dessa två typer av traditionella filter vanligtvis icke-nedbrytbara, så de kommer så småningom att grävas ner på soptippar eller förbrännas efter användning.Därför är utvecklingen av förbättrade maskfilter för att lösa dessa avfallsproblem och samtidigt fånga upp PM på ett tillfredsställande och kraftfullt sätt ett viktigt aktuellt behov.
För att lösa ovanstående problem har vi tillverkat ett Janus-membranfilter integrerat med poly(butylensuccinat)-baserade (PBS-baserade)[5] mikrofiber- och nanofibermattor.Janus-membranfiltret är belagt med chitosan nano whiskers (CsWs) [5] (Figur 1b).Som vi alla vet är PBS en representativ biologiskt nedbrytbar polymer, som kan producera ultrafina fiber- och nanofiberfiberdukar genom elektrospinning.Fibrer i nanoskala fångar fysiskt PM, medan mikroskaliga nanofibrer minskar tryckfallet och fungerar som ett CsW-ramverk.Kitosan är ett biobaserat material som har visat sig ha goda biologiska egenskaper, inklusive biokompatibilitet, biologisk nedbrytbarhet och relativt låg toxicitet, [5] vilket kan minska ångesten i samband med oavsiktlig inandning av användare.[5] Dessutom har kitosan katjoniska platser och polära amidgrupper.[5] Även under fuktiga förhållanden kan den attrahera polära ultrafina partiklar (som SO42- och NO3-).
Här rapporterar vi ett biologiskt nedbrytbart, högeffektivt, fuktsäkert och lågtrycksmaskfilter baserat på lättillgängliga biologiskt nedbrytbara material.På grund av kombinationen av fysisk siktning och elektrostatisk adsorption har det CsW-belagda mikrofiber/nanofiber integrerade filtret en hög PM2.5-avlägsnandeeffektivitet (upp till 98%), och samtidigt är det maximala tryckfallet på det tjockaste filtret endast Den är 59 Pa, lämplig för mänsklig andning.Jämfört med den betydande prestandaförsämring som uppvisas av det kommersiella filtret N95, uppvisar detta filter en försumbar förlust av PM-avlägsnande effektivitet (<1%) även när det är helt blött, på grund av den permanenta CsW-laddningen.Dessutom är våra filter helt biologiskt nedbrytbara i komposterad jord inom 4 veckor.Jämfört med andra studier med liknande koncept, där filterdelen är sammansatt av biologiskt nedbrytbara material, eller visar begränsad prestanda i potentiella biopolymera nonwoven-applikationer, [6] visar detta filter direkt biologisk nedbrytbarhet av avancerade funktioner (film S1, stödjande information).
Som en komponent i Janus-membranfiltret förbereddes först nanofiber- och superfinfiber-PBS-mattor.Därför elektrospunnades 11% och 12% PBS-lösningar för att producera nanometer- respektive mikrometerfibrer på grund av deras skillnad i viskositet.[7] Den detaljerade informationen om lösningens egenskaper och optimala elektrospinningsförhållanden listas i tabellerna S1 och S2, i stödinformationen.Eftersom den spunna fibern fortfarande innehåller kvarvarande lösningsmedel, tillsätts ett ytterligare vattenkoaguleringsbad till en typisk elektrospinningsanordning, som visas i figur 2a.Dessutom kan vattenbadet också använda ramen för att samla upp den koagulerade rena PBS-fibermattan, som skiljer sig från den fasta matrisen i den traditionella miljön (Figur 2b).[7] De genomsnittliga fiberdiametrarna för mikrofiber- och nanofibermattorna är 2,25 respektive 0,51 µm, och de genomsnittliga pordiametrarna är 13,1 respektive 3,5 µm (Figur 2c, d).Eftersom 9:1 kloroform/etanollösningsmedlet avdunstar snabbt efter att ha släppts från munstycket, ökar viskositetsskillnaden mellan 11 och 12 viktprocent lösningar snabbt (Figur S1, stödjande information).[7] Därför kan en koncentrationsskillnad på endast 1 viktprocent orsaka en signifikant förändring av fiberdiametern.
Innan filtrets prestanda kontrolleras (Figur S2, stödjande information), för att jämföra olika filter på ett rimligt sätt, tillverkades elektrospunna nonwovens av standardtjocklek, eftersom tjockleken är en viktig faktor som påverkar tryckskillnaden och filtreringseffektiviteten för filtrets prestanda.Eftersom nonwovens är mjuka och porösa är det svårt att direkt bestämma tjockleken på elektrospunna nonwovens.Tygets tjocklek är i allmänhet proportionell mot ytdensiteten (vikt per ytenhet, ytvikt).Därför använder vi i denna studie ytvikt (gm-2) som ett effektivt mått på tjocklek.[8] Tjockleken styrs genom att ändra elektrospinningstiden, som visas i figur 2e.När spinntiden ökar från 1 minut till 10 minuter ökar tjockleken på mikrofibermattan till 0,2, 2,0, 5,2 respektive 9,1 gm-2.På samma sätt ökades tjockleken på nanofibermattan till 0,2, 1,0, 2,5 respektive 4,8 gm-2.Mikrofiber- och nanofibermattor betecknas med sina tjockleksvärden (gm-2) som: M0.2, M2.0, M5.2 och M9.1, och N0.2, N1.0, N2.5 och N4. 8.
Lufttrycksskillnaden (ΔP) för hela provet är en viktig indikator på filterprestanda.[9] Att andas genom ett filter med högt tryckfall är obehagligt för användaren.Naturligtvis observeras att tryckfallet ökar när tjockleken på filtret ökar, som visas i figur S3, vilket stöder information.Nanofibermattan (N4.8) visar ett högre tryckfall än mikrofibermattan (M5.2) vid en jämförbar tjocklek eftersom nanofibermattan har mindre porer.När luften passerar genom filtret med en hastighet mellan 0,5 och 13,2 ms-1, ökar tryckfallet för de två olika typerna av filter gradvis från 101 Pa till 102 Pa. Tjockleken bör optimeras för att balansera tryckfallet och PM-borttagningen effektivitet;en lufthastighet på 1,0 ms-1 är rimlig eftersom tiden det tar för människor att andas genom munnen är cirka 1,3 ms-1.[10] I detta avseende är tryckfallet för M5.2 och N4.8 acceptabelt vid en lufthastighet på 1,0 ms-1 (mindre än 50 Pa) (Figur S4, stödjande information).Observera att tryckfallet för N95 och liknande koreanska filterstandardmasker (KF94) är 50 till 70 Pa respektive.Ytterligare CsW-bearbetning och mikro/nanofilterintegration kan öka luftmotståndet;Därför analyserade vi N2.5 och M2.0 för att ge tryckfallsmarginaler innan vi analyserade M5.2 och N4.8.
Vid en mållufthastighet på 1,0 ms-1 studerades borttagningseffektiviteten för PM1.0, PM2.5 och PM10 av PBS-mikrofiber- och nanofibermattor utan statisk laddning (Figur S5, stödjande information).Det observeras att effektiviteten för borttagning av PM i allmänhet ökar med ökningen i tjocklek och PM-storlek.Avlägsningseffektiviteten för N2.5 är bättre än M2.0 på grund av dess mindre porer.Avlägsningseffektiviteten för M2.0 för PM1.0, PM2.5 och PM10 var 55.5%, 64.6% respektive 78.8%, medan de liknande värdena för N2.5 var 71.9%, 80.1% och 89.6% (Figur 2f).Vi märkte att den största skillnaden i effektivitet mellan M2.0 och N2.5 är PM1.0, vilket indikerar att den fysiska siktningen av mikrofibernätet är effektiv för PM på mikronnivå, men inte effektiv för PM på nanonivå (figur S6, stödjande information)., M2.0 och N2.5 visar båda en låg PM-fångstförmåga på mindre än 90 %.Dessutom kan N2.5 vara mer mottaglig för damm än M2.0, eftersom dammpartiklar lätt kan blockera de mindre porerna i N2.5.I frånvaro av statisk laddning är fysisk siktning begränsad i sin förmåga att uppnå det erforderliga tryckfallet och avlägsnandeeffektiviteten samtidigt på grund av avvägningsförhållandet mellan dem.
Elektrostatisk adsorption är den mest använda metoden för att fånga PM på ett effektivt sätt.[11] I allmänhet appliceras statisk laddning med tvång till non-woven-filtret genom ett elektriskt högenergifält;denna statiska laddning försvinner dock lätt under fuktiga förhållanden, vilket resulterar i förlust av PM-fångstförmåga.[4] Som ett biobaserat material för elektrostatisk filtrering introducerade vi 200 nm lång och 40 nm bred CsW;på grund av deras ammoniumgrupper och polära amidgrupper innehåller dessa nanowhiskers permanenta katjoniska laddningar.Den tillgängliga positiva laddningen på ytan av CsW representeras av dess zetapotential (ZP);CsW dispergeras i vatten med ett pH på 4,8, och deras ZP visar sig vara +49,8 mV (Figur S7, stödjande information).
CsW-belagda PBS-mikrofibrer (ChMs) och nanofibrer (ChNs) framställdes genom enkel doppbeläggning i 0,2 viktprocent CsW-vattendispersion, vilket är den lämpliga koncentrationen för att fästa den maximala mängden CsWs till ytan av PBS-fibrer, som visas i figur Visas i figur 3a och figur S8, stödjande information.Bilden av kväveenergidispersiv röntgenspektroskopi (EDS) visar att ytan på PBS-fibern är likformigt belagd med CsW-partiklar, vilket också är uppenbart i svepelektronmikroskopbilden (SEM) (Figur 3b; Figur S9, stödjande information) .Dessutom möjliggör denna beläggningsmetod laddade nanomaterial att fint linda fiberytan, och därigenom maximera den elektrostatiska PM-borttagningsförmågan (Figur S10, stödjande information).
Effektiviteten för PM-avlägsnande av ChM och ChN studerades (Figur 3c).M2.0 och N2.5 belades med CsW för att producera ChM2.0 respektive ChN2.5.Avlägsningseffektiviteten för ChM2.0 för PM1.0, PM2.5 och PM10 var 70.1%, 78.8% respektive 86.3%, medan de liknande värdena för ChN2.5 var 77.0%, 87.7% respektive 94.6%.CsW-beläggningen förbättrar avsevärt avlägsnandet av M2.0 och N2.5, och effekten som observeras för något mindre PM är mer signifikant.I synnerhet ökade kitosan nanowhiskers borttagningseffektiviteten för M2.0:s PM0.5 och PM1.0 med 15% respektive 13% (Figur S11, stödjande information).Även om M2.0 är svårt att utesluta den mindre PM1.0 på grund av dess relativt breda fibrillavstånd (Figur 2c), adsorberar ChM2.0 PM1.0 eftersom katjonerna och amiderna i CsWs passerar genom jon-jon, vilket kopplar pol-jon-interaktion och dipol-dipol-interaktion med damm.På grund av dess CsW-beläggning är PM-borttagningseffektiviteten för ChM2.0 och ChN2.5 lika hög som den för tjockare M5.2 och N4.8 (tabell S3, stödjande information).
Intressant nog, även om effektiviteten för borttagning av PM är avsevärt förbättrad, påverkar CsW-beläggningen knappast tryckfallet.Tryckfallet för ChM2.0 och ChN2.5 ökade något till 15 och 23 Pa, nästan hälften av ökningen som observerades för M5.2 och N4.8 (Figur 3d; Tabell S3, stödjande information).Därför är beläggning med biobaserade material en lämplig metod för att uppfylla prestandakraven för två basfilter;det vill säga PM-avlägsnande effektivitet och lufttrycksskillnad, som utesluter varandra.Emellertid är PM1.0- och PM2.5-borttagningseffektiviteten för ChM2.0 och ChN2.5 båda lägre än 90 %;uppenbarligen måste denna prestanda förbättras.
Ett integrerat filtreringssystem som består av flera membran med successivt växlande fiberdiametrar och porstorlekar kan lösa ovanstående problem [12].Det integrerade luftfiltret har fördelarna med två olika nanofibrer och superfina fibernät.I detta avseende staplas ChM och ChN helt enkelt för att producera integrerade filter (Int-MN).Till exempel framställs Int-MN4.5 med användning av ChM2.0 och ChN2.5, och dess prestanda jämförs med ChN4.8 och ChM5.2 som har liknande ytdensiteter (dvs. tjocklek).I experimentet med PM-borttagningseffektivitet exponerades den ultrafina fibersidan av Int-MN4.5 i det dammiga rummet eftersom den ultrafina fibersidan var mer motståndskraftig mot igensättning än nanofibersidan.Som visas i figur 4a visar Int-MN4.5 bättre PM-borttagningseffektivitet och tryckskillnad än två enkomponentfilter, med ett tryckfall på 37 Pa, vilket liknar ChM5.2 och mycket lägre än ChM5.2 ChN4.8. Dessutom är PM1.0-avlägsningseffektiviteten för Int-MN4.5 91 % (Figur 4b).Å andra sidan visade ChM5.2 inte en så hög PM1.0-borttagningseffektivitet eftersom dess porer är större än de i Int-MN4.5.
Posttid: 2021-nov-03
