Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Теджон, 34113 Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Теджон, 34113 Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Теджон, 34113 Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Теджон, 34113 Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Теджон, 34113 Республіка Корея
Дослідницький центр біохімічної хімії Корейського інституту хімічної технології (KRICT), Ульсан, 44429, Республіка Корея
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Теджон, 34113 Республіка Корея
Скористайтеся посиланням нижче, щоб поділитися повною текстовою версією цієї статті зі своїми друзями та колегами.вивчайте більше.
Через пандемію коронавірусу та проблеми, пов’язані з твердими частинками (PM) у повітрі, попит на маски зріс експоненціально.Проте традиційні маскові фільтри на основі статичної електрики та наносита є одноразовими, не підлягають розкладанню або переробці, що спричинить серйозні проблеми з відходами.Крім того, перший втрачає свою функцію у вологих умовах, тоді як другий працюватиме зі значним перепадом тиску повітря та відбуватиметься відносно швидке забивання пор.Тут був розроблений біологічно розкладаний, вологостійкий, дихаючий, високоефективний волокнистий масковий фільтр.Коротше кажучи, два біологічно розкладаних надтонких волокон і нановолоконних килимків інтегровані в мембранний фільтр Janus, а потім покриті катіонно зарядженими нановусиками хітозану.Цей фільтр настільки ж ефективний, як і комерційний фільтр N95, і може видалити 98,3% твердих частинок розміром 2,5 мкм.Нановолокна фізично відсіюють дрібні частинки, а ультратонкі волокна забезпечують низьку різницю тиску в 59 Па, яка підходить для дихання людини.На відміну від різкого зниження продуктивності комерційних фільтрів N95 під впливом вологи, втрата продуктивності цього фільтра незначна, тому його можна використовувати кілька разів, оскільки постійний диполь хітозану адсорбує надтонкі PM (наприклад, азот).і оксиди сірки).Важливо, щоб цей фільтр повністю розклався в компостованому ґрунті протягом 4 тижнів.
Нинішня безпрецедентна пандемія коронавірусу (COVID-19) викликає величезний попит на маски.[1] За оцінками Всесвітньої організації охорони здоров’я (ВООЗ), цього року щомісяця потрібно 89 мільйонів медичних масок.[1] Не тільки медичним працівникам потрібні високоефективні маски N95, але маски загального призначення для всіх людей також стали незамінним щоденним обладнанням для профілактики цього респіраторного інфекційного захворювання.[1] Крім того, відповідні міністерства настійно рекомендують використовувати одноразові маски щодня, [1] це призвело до екологічних проблем, пов’язаних із великою кількістю відходів масок.
Оскільки тверді частки (PM) наразі є найпроблемнішою проблемою забруднення повітря, маски стали найефективнішим засобом протидії, доступним для людей.PM поділяються на PM2,5 і PM10 відповідно до розміру частинок (2,5 і 10 мкм відповідно), які серйозно впливають на природне середовище [2] і різними способами на якість життя людини.[2] Щороку PM спричиняє 4,2 мільйона смертей і 103,1 мільйона років життя з поправкою на інвалідність.[2] PM2.5 становить особливо серйозну загрозу здоров’ю та офіційно позначено як канцероген групи I.[2] Тому своєчасно та важливо дослідити та розробити ефективний масковий фільтр з точки зору повітропроникності та видалення PM.[3]
Загалом традиційні волокнисті фільтри вловлюють PM двома різними способами: через фізичне просіювання на основі нановолокон та електростатичну адсорбцію на основі мікроволокон (рис. 1а).Використання фільтрів на основі нановолокна, особливо килимів з нановолокон, виготовлених з електроволокна, виявилося ефективною стратегією для видалення ТЧ, що є результатом великої доступності матеріалу та контрольованої структури продукту.[3] Нановолокнистий килимок може видаляти частинки цільового розміру, що спричинено різницею розмірів між частинками та порами.[3] Однак нанорозмірні волокна мають бути щільно укладені, щоб утворити надзвичайно маленькі пори, які шкідливі для комфортного дихання людини через пов’язану з цим велику різницю тиску.Крім того, невеликі отвори неминуче будуть забиті відносно швидко.
З іншого боку, надтонковолокнистий мат із розплаву заряджається електростатично за допомогою високоенергетичного електричного поля, і дуже дрібні частинки захоплюються електростатичною адсорбцією.[4] Як репрезентативний приклад, респіратор N95 – це респіратор із маскою для обличчя з фільтром частинок, який відповідає вимогам Національного інституту безпеки та гігієни праці, оскільки він може фільтрувати принаймні 95% частинок, що містяться в повітрі.Цей тип фільтрів поглинає надтонкі PM, які зазвичай складаються з аніонних речовин, таких як SO42− і NO3−, завдяки сильному електростатичному притяганню.Однак статичний заряд на поверхні волокнистого килимка легко розсіюється у вологому середовищі, наприклад, у вологому диханні людини [4], що призводить до зниження адсорбційної здатності.
Щоб ще більше покращити продуктивність фільтрації або знайти компроміс між ефективністю видалення та падінням тиску, фільтри на основі нановолокон і мікроволокон поєднуються з матеріалами з високим вмістом k, такими як вуглецеві матеріали, металеві органічні каркаси та наночастинки PTFE.[4] Проте невизначена біологічна токсичність і розсіювання заряду цих добавок все ще є неминучими проблемами.[4] Зокрема, ці два типи традиційних фільтрів, як правило, не піддаються розкладанню, тому після використання їх згодом захоронюють на звалищах або спалюють.Таким чином, розробка вдосконалених маскових фільтрів для вирішення цих проблем з відходами та водночас уловлювання PM задовільним і потужним способом є важливою поточною потребою.
Щоб вирішити вищезазначені проблеми, ми виготовили мембранний фільтр Janus, інтегрований з мікроволокнами та нановолокнами на основі полі(бутиленсукцинату) (PBS) [5].Мембранний фільтр Janus покритий хітозановими нановусами (CsWs) [5] (рис. 1b).Як ми всі знаємо, PBS є репрезентативним біологічно розкладаним полімером, який може виробляти ультратонкі волокна та нановолокна нетканих матеріалів за допомогою електропрядіння.Нановолокна фізично затримують PM, тоді як нановолокна мікророзміру зменшують падіння тиску та діють як каркас CsW.Хітозан є матеріалом на біологічній основі, який, як було доведено, має хороші біологічні властивості, включаючи біосумісність, здатність до біологічного розкладання та відносно низьку токсичність [5], що може зменшити занепокоєння, пов’язане з випадковим вдиханням у користувачів.[5] Крім того, хітозан має катіонні центри та полярні амідні групи.[5] Навіть у вологих умовах він може притягувати полярні наддрібні частинки (такі як SO42- і NO3-).
Тут ми повідомляємо про біологічно розкладаний, високоефективний, вологостійкий фільтр-маску з низьким тиском, заснований на легкодоступних біологічно розкладаних матеріалах.Завдяки поєднанню фізичного просіювання та електростатичної адсорбції інтегрований фільтр з мікроволокна/нановолокна з покриттям CsW має високу ефективність видалення PM2,5 (до 98%), і в той же час максимальний перепад тиску на найтовстішому фільтрі становить лише це 59 Па, придатне для дихання людини.Порівняно зі значним погіршенням продуктивності комерційного фільтра N95, цей фільтр демонструє незначну втрату ефективності видалення твердих частинок (<1%) навіть у повністю вологому стані через постійну зарядку CsW.Крім того, наші фільтри повністю біологічно розкладаються в компостованому ґрунті протягом 4 тижнів.Порівняно з іншими дослідженнями з подібними концепціями, у яких частина фільтра складається з матеріалів, що біологічно розкладаються, або демонструє обмежену ефективність у потенційних застосуваннях біополімерних нетканих матеріалів, [6] цей фільтр безпосередньо демонструє здатність до біологічного розкладання розширених функцій (фільм S1, супровідна інформація).
Як компонент мембранного фільтра Janus вперше були виготовлені нановолокна та надтонкі волокна PBS.Таким чином, 11% і 12% PBS розчини були електроспрядені для отримання нанометрових і мікрометрових волокон відповідно через різницю у в'язкості.[7] Детальну інформацію про характеристики розчину та оптимальні умови електроспінінгу наведено в таблицях S1 і S2 у супровідній інформації.Оскільки сформоване волокно все ще містить залишковий розчинник, у типовий пристрій для електропрядіння додається додаткова водна коагуляційна ванна, як показано на малюнку 2а.Крім того, у водяній лазні також можна використовувати каркас для збору коагульованого чистого PBS волокна, яке відрізняється від твердої матриці в традиційних умовах (рис. 2b).[7] Середній діаметр волокна килимків із мікроволокна та нановолокна становить 2,25 та 0,51 мкм відповідно, а середній діаметр пор становить 13,1 та 3,5 мкм відповідно (рис. 2c, d).Оскільки розчинник хлороформ/етанол у співвідношенні 9:1 швидко випаровується після випуску з сопла, різниця в’язкості між розчинами 11 і 12 мас.% швидко зростає (Малюнок S1, супровідна інформація).[7] Таким чином, різниця концентрації лише в 1 мас.% може спричинити значну зміну діаметра волокна.
Перед перевіркою продуктивності фільтра (малюнок S2, допоміжна інформація) для обґрунтованого порівняння різних фільтрів було виготовлено електропрядені неткані матеріали стандартної товщини, оскільки товщина є важливим фактором, який впливає на різницю тиску та ефективність фільтрації продуктивності фільтра.Оскільки неткані матеріали м’які та пористі, важко безпосередньо визначити товщину електропрядених нетканих матеріалів.Товщина тканини, як правило, пропорційна щільності поверхні (вага на одиницю площі, маса основи).Тому в цьому дослідженні ми використовуємо базову вагу (гм-2) як ефективну міру товщини.[8] Товщина контролюється зміною часу електроформування, як показано на малюнку 2e.Зі збільшенням часу віджимання з 1 хвилини до 10 хвилин товщина килимка з мікроволокна збільшується до 0,2, 2,0, 5,2 і 9,1 г/м2 відповідно.Таким же чином було збільшено товщину нановолокнистого мату до 0,2, 1,0, 2,5 і 4,8 г/м2 відповідно.За значенням товщини (гм-2) килимки з мікрофібри і нановолокна позначаються як: M0.2, M2.0, M5.2 і M9.1, а також N0.2, N1.0, N2.5 і N4. 8.
Різниця тиску повітря (ΔP) усієї проби є важливим показником продуктивності фільтра.[9] Дихати через фільтр із високим перепадом тиску незручно для користувача.Природно, що спостерігається збільшення падіння тиску зі збільшенням товщини фільтра, як показано на малюнку S3, що підтверджує інформацію.Нановолокнистий килимок (N4.8) демонструє більший перепад тиску, ніж мікроволокнистий килимок (M5.2) за порівнянної товщини, оскільки нановолокнистий мат має менші пори.Коли повітря проходить через фільтр зі швидкістю від 0,5 до 13,2 мс-1, перепад тиску двох різних типів фільтрів поступово збільшується від 101 Па до 102 Па. Товщину слід оптимізувати, щоб збалансувати перепад тиску та видалення твердих частинок. ефективність;швидкість повітря 1,0 мс-1 є розумною, тому що час, необхідний людині для дихання через рот, становить близько 1,3 мс-1.[10] У цьому відношенні падіння тиску M5.2 і N4.8 є прийнятним за швидкості повітря 1,0 мс-1 (менше 50 Па) (Малюнок S4, супровідна інформація).Будь ласка, зверніть увагу, що падіння тиску масок N95 і подібних корейських стандартних фільтрів (KF94) становить від 50 до 70 Па відповідно.Подальша обробка CsW та інтеграція мікро/нанофільтра може збільшити опір повітря;тому, щоб забезпечити запас падіння тиску, ми проаналізували N2.5 і M2.0 перед аналізом M5.2 і N4.8.
При цільовій швидкості повітря 1,0 мс-1 ефективність видалення PM1.0, PM2.5 і PM10 з мікроволоконних і нановолоконних килимків PBS вивчалася без статичного заряду (рис. S5, супровідна інформація).Помічено, що ефективність видалення PM зазвичай зростає зі збільшенням товщини та розміру PM.Ефективність видалення N2.5 краща, ніж M2.0, завдяки меншим порам.Ефективність видалення M2.0 для PM1.0, PM2.5 і PM10 становила 55,5%, 64,6% і 78,8% відповідно, тоді як аналогічні значення N2.5 становили 71,9%, 80,1% і 89,6% (рис. 2f).Ми помітили, що найбільша різниця в ефективності між M2.0 і N2.5 становить PM1.0, що вказує на те, що фізичне просіювання сітки з мікроволокна є ефективним для мікронного рівня PM, але не є ефективним для нанорівня PM (рис. S6, супровідна інформація)., M2.0 і N2.5 демонструють низьку здатність вловлювати PM менше 90%.Крім того, N2.5 може бути більш чутливим до пилу, ніж M2.0, оскільки частинки пилу можуть легко блокувати менші пори N2.5.За відсутності статичного заряду здатність фізичного просіювання одночасно досягати необхідного перепаду тиску та ефективності видалення через компромісне співвідношення між ними.
Електростатична адсорбція є найбільш широко використовуваним методом ефективного вловлювання ТЧ.[11] Як правило, статичний заряд примусово прикладається до нетканого фільтра через електричне поле високої енергії;однак цей статичний заряд легко розсіюється у вологих умовах, що призводить до втрати здатності вловлювати ТЧ.[4] Як біологічний матеріал для електростатичної фільтрації ми представили CsW довжиною 200 нм і шириною 40 нм;завдяки своїм амонієвим групам і полярним амідним групам ці нановуси містять постійні катіонні заряди.Наявний позитивний заряд на поверхні CsW представлений його дзета-потенціалом (ZP);CsW диспергується у воді з рН 4,8, а їх ZP становить +49,8 мВ (Малюнок S7, супровідна інформація).
Мікроволокна PBS (ChMs) і нановолокна (ChN), вкриті CsW, були виготовлені шляхом простого нанесення покриття у 0,2 мас.% водної дисперсії CsW, що є відповідною концентрацією для приєднання максимальної кількості CsW до поверхні волокон PBS, як показано на малюнок Показано на рисунку 3a та малюнку S8, супровідна інформація.Зображення рентгенівської спектроскопії (EDS) з розсіюванням енергії азоту показує, що поверхня волокна PBS рівномірно вкрита частинками CsW, що також видно на зображенні скануючого електронного мікроскопа (SEM) (Малюнок 3b; Малюнок S9, супровідна інформація) .Крім того, цей метод покриття дозволяє зарядженим наноматеріалам тонко огортати поверхню волокна, таким чином максимізуючи здатність електростатичного видалення PM (Малюнок S10, супровідна інформація).
Досліджено ефективність видалення твердих частинок ChM і ChN (рис. 3c).M2.0 і N2.5 були покриті CsW для отримання ChM2.0 і ChN2.5 відповідно.Ефективність видалення ChM2.0 для PM1.0, PM2.5 і PM10 становила 70,1%, 78,8% і 86,3% відповідно, тоді як аналогічні значення ChN2.5 становили 77,0%, 87,7% і 94,6% відповідно.Покриття CsW значно покращує ефективність видалення M2.0 і N2.5, і ефект, який спостерігається для трохи менших PM, є більш значним.Зокрема, нановуси хітозану підвищили ефективність видалення PM0.5 і PM1.0 M2.0 на 15% і 13% відповідно (Малюнок S11, супровідна інформація).Хоча M2.0 важко виключити менший PM1.0 через його відносно широку відстань між фібрилами (рис. 2c), ChM2.0 адсорбує PM1.0, оскільки катіони та аміди в CsW проходять через іон-іон, з’єднуючи полюсно-іонну взаємодію , і диполь-дипольна взаємодія з пилом.Завдяки покриттю CsW ефективність видалення твердих частинок ChM2.0 і ChN2.5 така ж висока, як і більш товстих M5.2 і N4.8 (Таблиця S3, супровідна інформація).
Цікаво, що хоча ефективність видалення твердих частинок значно покращена, покриття CsW майже не впливає на падіння тиску.Падіння тиску ChM2.0 і ChN2.5 дещо зросло до 15 і 23 Па, майже вдвічі менше, ніж для M5.2 і N4.8 (Рисунок 3d; Таблиця S3, супровідна інформація).Таким чином, покриття біоматеріалами є відповідним методом для задоволення вимог до продуктивності двох основних фільтрів;тобто ефективність видалення ТЧ і різницю тиску повітря, які є взаємовиключними.Однак ефективність видалення PM1.0 і PM2.5 ChM2.0 і ChN2.5 нижча ніж 90%;очевидно, цю продуктивність потрібно покращити.
Інтегрована система фільтрації, що складається з кількох мембран із поступово змінюваними діаметрами волокон і розмірами пор, може вирішити вищевказані проблеми [12].Вбудований повітряний фільтр має переваги двох різних нановолокон і найтонших волокон.У цьому відношенні ChM і ChN просто складаються в стопку для отримання інтегрованих фільтрів (Int-MN).Наприклад, Int-MN4.5 готується з використанням ChM2.0 і ChN2.5, і його продуктивність порівнюється з ChN4.8 і ChM5.2, які мають подібну поверхневу щільність (тобто товщину).В експерименті з ефективності видалення твердих частинок сторона надтонких волокон Int-MN4.5 була піддана впливу в курній кімнаті, оскільки сторона надтонких волокон була більш стійкою до засмічення, ніж сторона нановолокон.Як показано на малюнку 4a, Int-MN4.5 показує кращу ефективність видалення твердих частинок і різницю тиску, ніж два однокомпонентних фільтра, із падінням тиску 37 Па, що подібно до ChM5.2 і набагато нижче, ніж ChM5.2 ChN4.8. Крім того, ефективність видалення PM1.0 Int-MN4.5 становить 91% (рис. 4b).З іншого боку, ChM5.2 не продемонстрував такої високої ефективності видалення PM1.0, оскільки його пори більші, ніж у Int-MN4.5.
Час публікації: 03 листопада 2021 р
