Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Передовые материалы и химическая инженерия, Университет науки и технологий (UST), Тэджон, 34113 Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Передовые материалы и химическая инженерия, Университет науки и технологий (UST), Тэджон, 34113 Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Передовые материалы и химическая инженерия, Университет науки и технологий (UST), Тэджон, 34113 Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Передовые материалы и химическая инженерия, Университет науки и технологий (UST), Тэджон, 34113 Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Передовые материалы и химическая инженерия, Университет науки и технологий (UST), Тэджон, 34113 Республика Корея
Корейский институт химических технологий (KRICT) Исследовательский центр биохимии, Ульсан, 44429, Республика Корея
Передовые материалы и химическая инженерия, Университет науки и технологий (UST), Тэджон, 34113 Республика Корея
Воспользуйтесь ссылкой ниже, чтобы поделиться полной текстовой версией этой статьи со своими друзьями и коллегами.узнать больше.
Из-за пандемии коронавируса и проблем, связанных с твердыми частицами (ТЧ) в воздухе, спрос на маски вырос в геометрической прогрессии.Тем не менее, традиционные фильтры для масок, основанные на статическом электричестве и нано-сито, являются одноразовыми, неразлагаемыми или пригодными для вторичной переработки, что вызовет серьезные проблемы с отходами.Кроме того, первые потеряют свою функцию во влажных условиях, а вторые будут работать при значительном перепаде давления воздуха и произойдет относительно быстрое закупоривание пор.Здесь был разработан биоразлагаемый, влагостойкий, хорошо дышащий, высокоэффективный фильтр из волокнистой маски.Короче говоря, два биоразлагаемых сверхтонких волокна и маты из нановолокна интегрируются в мембранный фильтр Janus, а затем покрываются катионно заряженными нановискерами хитозана.Этот фильтр столь же эффективен, как коммерческий фильтр N95, и может удалять 98,3% PM размером 2,5 мкм.Нановолокна физически экранируют мелкие частицы, а сверхтонкие волокна обеспечивают низкую разницу давлений в 59 Па, что подходит для дыхания человека.В отличие от резкого снижения производительности коммерческих фильтров N95 при воздействии влаги, потеря производительности этого фильтра незначительна, поэтому его можно использовать многократно, поскольку постоянный диполь хитозана адсорбирует ультрадисперсные PM (например, азот).и оксиды серы).Важно, что этот фильтр полностью разлагается в компостированной земле в течение 4 недель.
Нынешняя беспрецедентная пандемия коронавируса (COVID-19) вызывает огромный спрос на маски.[1] По оценкам Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), в этом году ежемесячно требуется 89 миллионов медицинских масок.[1] Мало того, что медицинские работники нуждаются в высокоэффективных масках N95, маски общего назначения для всех людей также стали незаменимым повседневным снаряжением для профилактики этого респираторного инфекционного заболевания.[1] Кроме того, соответствующие министерства настоятельно рекомендуют использовать одноразовые маски каждый день, [1] это привело к экологическим проблемам, связанным с большим количеством отходов масок.
Поскольку твердые частицы (PM) в настоящее время являются наиболее серьезной проблемой загрязнения воздуха, маски стали наиболее эффективной мерой противодействия, доступной для людей.PM подразделяются на PM2,5 и PM10 в зависимости от размера частиц (2,5 и 10 мкм соответственно), которые серьезно влияют на природную среду [2] и качество жизни человека различными способами.[2] Ежегодно ТЧ вызывают 4,2 миллиона смертей и 103,1 миллиона лет жизни с поправкой на инвалидность.[2] PM2.5 представляет особо серьезную угрозу для здоровья и официально отнесен к группе канцерогенов I.[2] Таким образом, своевременно и важно исследовать и разработать эффективный масочный фильтр с точки зрения воздухопроницаемости и удаления твердых частиц.[3]
Вообще говоря, традиционные волокнистые фильтры улавливают ТЧ двумя разными способами: посредством физического просеивания на основе нановолокон и электростатической адсорбции на основе микроволокон (рис. 1а).Использование фильтров на основе нановолокна, особенно ковриков из нановолокна, полученного методом электропрядения, зарекомендовало себя как эффективная стратегия удаления ТЧ, что является результатом широкой доступности материалов и контролируемой структуры продукта.[3] Мат из нановолокна может удалять частицы целевого размера, что вызвано разницей в размерах между частицами и порами.[3] Тем не менее, нановолокна должны быть плотно уложены друг на друга, чтобы образовались очень маленькие поры, которые вредны для комфортного дыхания человека из-за связанной с этим высокой разницы давлений.Кроме того, небольшие отверстия неизбежно будут относительно быстро забиты.
С другой стороны, мат из сверхтонкого волокна, выдуваемый из расплава, электростатически заряжается электрическим полем высокой энергии, и очень мелкие частицы захватываются электростатической адсорбцией.[4] В качестве репрезентативного примера можно привести респиратор N95, представляющий собой респиратор с фильтрующей маской для лица, который соответствует требованиям Национального института безопасности и гигиены труда, поскольку он может фильтровать не менее 95% частиц в воздухе.Этот тип фильтра поглощает ультратонкие ТЧ, которые обычно состоят из анионных веществ, таких как SO42- и NO3-, за счет сильного электростатического притяжения.Однако статический заряд на поверхности волокнистого мата легко рассеивается во влажной среде, например, при влажном человеческом дыхании [4], что приводит к снижению адсорбционной способности.
Чтобы еще больше улучшить эффективность фильтрации или найти компромисс между эффективностью удаления и перепадом давления, фильтры на основе нановолокон и микроволокон сочетаются с материалами с высоким коэффициентом k, такими как углеродные материалы, металлоорганические каркасы и наночастицы ПТФЭ.[4] Тем не менее, неопределенная биологическая токсичность и рассеивание заряда этих добавок по-прежнему являются неизбежными проблемами.[4] В частности, эти два типа традиционных фильтров обычно не разлагаются, поэтому в конечном итоге они будут захоронены на свалках или сожжены после использования.Таким образом, разработка улучшенных масочных фильтров для решения этих проблем с отходами и в то же время удовлетворительного и эффективного улавливания ТЧ является важной текущей потребностью.
Чтобы решить вышеуказанные проблемы, мы изготовили мембранный фильтр Janus, интегрированный с матами из микроволокна и нановолокна на основе поли(бутиленсукцината) (на основе PBS)[5].Мембранный фильтр Janus покрыт хитозановыми нанонитями (CsWs) [5] (рис. 1б).Как мы все знаем, PBS является типичным биоразлагаемым полимером, из которого можно производить нетканые материалы из ультратонких волокон и нановолокон посредством электропрядения.Нановолокна физически улавливают ТЧ, а микроразмерные нановолокна снижают перепад давления и действуют как каркас CsW.Хитозан представляет собой материал на биологической основе, который, как было доказано, обладает хорошими биологическими свойствами, включая биосовместимость, биоразлагаемость и относительно низкую токсичность [5], что может снизить беспокойство пользователей, связанное со случайным вдыханием.[5] Кроме того, хитозан имеет катионные центры и полярные амидные группы.[5] Даже во влажных условиях он может притягивать полярные ультратонкие частицы (такие как SO42- и NO3-).
Здесь мы сообщаем о биоразлагаемом, высокоэффективном, влагонепроницаемом масочном фильтре низкого давления на основе легкодоступных биоразлагаемых материалов.Благодаря сочетанию физического просеивания и электростатической адсорбции интегрированный фильтр из микроволокна/нановолокна с покрытием CsW обладает высокой эффективностью удаления PM2,5 (до 98%), и в то же время максимальный перепад давления на самом толстом фильтре составляет только это 59 Па, подходит для человеческого дыхания.По сравнению со значительным снижением производительности коммерческого фильтра N95, этот фильтр демонстрирует незначительную потерю эффективности удаления твердых частиц (<1%) даже при полном намокании из-за постоянного заряда CsW.Кроме того, наши фильтры полностью биоразлагаемы в компостированной почве в течение 4 недель.По сравнению с другими исследованиями с аналогичными концепциями, в которых фильтрующая часть состоит из биоразлагаемых материалов или показывает ограниченную эффективность в потенциальных применениях биополимерных нетканых материалов, [6] этот фильтр непосредственно демонстрирует биоразлагаемость расширенных функций (фильм S1, вспомогательная информация).
В качестве компонента мембранного фильтра Janus сначала были изготовлены маты из нановолокна и сверхтонкого волокна PBS.Таким образом, 11% и 12% растворы PBS были подвергнуты электропрядению для получения нанометровых и микрометровых волокон, соответственно, из-за их разницы в вязкости.[7] Подробная информация о характеристиках раствора и оптимальных условиях электропрядения приведена в таблицах S1 и S2 в вспомогательной информации.Поскольку исходное волокно все еще содержит остаточный растворитель, к типичному устройству для электропрядения добавляется дополнительная водяная ванна для коагуляции, как показано на рисунке 2а.Кроме того, водяная баня также может использовать раму для сбора коагулированного мата из чистого волокна PBS, который отличается от твердой матрицы в традиционных условиях (рис. 2b).[7] Средний диаметр волокон матов из микроволокна и нановолокна составляет 2,25 и 0,51 мкм соответственно, а средний диаметр пор составляет 13,1 и 3,5 мкм соответственно (рис. 2в, г).Поскольку растворитель хлороформ/этанол 9:1 быстро испаряется после выхода из сопла, разница в вязкости между растворами с концентрацией 11 и 12 мас.% быстро увеличивается (рис. S1, вспомогательная информация).[7] Таким образом, разница концентраций всего в 1 мас.% может привести к значительному изменению диаметра волокна.
Перед проверкой производительности фильтра (рисунок S2, вспомогательная информация) для разумного сравнения различных фильтров были изготовлены нетканые материалы электропрядения стандартной толщины, поскольку толщина является важным фактором, влияющим на перепад давления и эффективность фильтрации производительности фильтра.Поскольку нетканые материалы мягкие и пористые, трудно напрямую определить толщину нетканых материалов, изготовленных методом электропрядения.Толщина ткани обычно пропорциональна поверхностной плотности (вес на единицу площади, основной вес).Поэтому в этом исследовании мы используем базовый вес (г-2) в качестве эффективной меры толщины.[8] Толщина контролируется путем изменения времени электропрядения, как показано на рисунке 2e.По мере увеличения времени отжима с 1 до 10 минут толщина мата из микроволокна увеличивается до 0,2, 2,0, 5,2 и 9,1 г/м соответственно.Таким же образом толщина мата из нановолокна была увеличена до 0,2, 1,0, 2,5 и 4,8 г/м2 соответственно.Маты из микроволокна и нановолокна обозначаются по значениям их толщины (г-2) как: М0,2, М2,0, М5,2 и М9,1, а также Н0,2, Н1,0, Н2,5 и Н4. 8.
Разность давлений воздуха (ΔP) всего образца является важным показателем эффективности фильтра.[9] Дышать через фильтр с высоким перепадом давления неудобно для пользователя.Естественно, наблюдается, что падение давления увеличивается по мере увеличения толщины фильтра, как показано на рисунке S3, подтверждающем информацию.Мат из нановолокна (N4.8) демонстрирует более высокий перепад давления, чем мат из микроволокна (M5.2) при сравнимой толщине, поскольку мат из нановолокна имеет меньшие поры.По мере того как воздух проходит через фильтр со скоростью от 0,5 до 13,2 м/с, перепад давления на фильтрах двух разных типов постепенно увеличивается со 101 Па до 102 Па. Толщина должна быть оптимизирована, чтобы сбалансировать падение давления и удаление твердых частиц. эффективность;скорость воздуха 1,0 мс-1 является разумной, поскольку время, необходимое человеку для дыхания через рот, составляет около 1,3 мс-1.[10] В связи с этим падение давления M5.2 и N4.8 допустимо при скорости воздуха 1,0 мс-1 (менее 50 Па) (рисунок S4, вспомогательная информация).Обратите внимание, что перепад давления в масках N95 и аналогичных масках корейского стандарта фильтрации (KF94) составляет от 50 до 70 Па соответственно.Дальнейшая обработка CsW и интеграция микро/нанофильтров могут увеличить сопротивление воздуха;поэтому, чтобы обеспечить запас по падению давления, мы проанализировали N2.5 и M2.0 перед анализом M5.2 и N4.8.
При целевой скорости воздуха 1,0 м/с эффективность удаления PM1,0, PM2,5 и PM10 матов из микроволокна и нановолокна PBS изучалась без статического заряда (рис. S5, вспомогательная информация).Замечено, что эффективность удаления ТЧ обычно увеличивается с увеличением толщины и размера ТЧ.Эффективность удаления N2.5 лучше, чем у M2.0 из-за его меньших пор.Эффективность удаления M2.0 для PM1.0, PM2.5 и PM10 составила 55,5%, 64,6% и 78,8% соответственно, тогда как аналогичные значения N2.5 составили 71,9%, 80,1% и 89,6% (рис. 2е).Мы заметили, что наибольшая разница в эффективности между M2.0 и N2.5 составляет PM1.0, что указывает на то, что физическое просеивание сетки из микроволокна эффективно для PM на микронном уровне, но неэффективно для PM на наноуровне (рис. S6, вспомогательная информация)., M2.0 и N2.5 демонстрируют низкую способность улавливания ТЧ менее 90%.Кроме того, N2.5 может быть более восприимчив к пыли, чем M2.0, потому что частицы пыли могут легко блокировать более мелкие поры N2.5.В отсутствие статического заряда физическое просеивание ограничено в своей способности одновременно обеспечивать требуемый перепад давления и эффективность удаления из-за компромиссного соотношения между ними.
Электростатическая адсорбция является наиболее широко используемым методом эффективного улавливания ТЧ.[11] Как правило, статический заряд принудительно прикладывается к нетканому фильтру посредством электрического поля высокой энергии;однако этот статический заряд легко рассеивается во влажных условиях, что приводит к потере способности улавливать ТЧ.[4] В качестве биоматериала для электростатической фильтрации мы ввели CsW длиной 200 нм и шириной 40 нм;благодаря своим аммониевым группам и полярным амидным группам эти нановискеры содержат постоянные катионные заряды.Имеющийся положительный заряд на поверхности CsW представлен его дзета-потенциалом (ZP);CsW диспергирован в воде с pH 4,8, и их ZP составляет +49,8 мВ (рисунок S7, вспомогательная информация).
Покрытые CsW микроволокна (ChM) и нановолокна (ChN) PBS были приготовлены путем простого погружения в водную дисперсию CsW с концентрацией 0,2 мас.%, которая является подходящей концентрацией для прикрепления максимального количества CsW к поверхности волокон PBS, как показано на рисунке. рисунок Показан на рисунке 3a и рисунке S8, вспомогательная информация.Изображение рентгеновской спектроскопии с рассеянием энергии азота (ЭДС) показывает, что поверхность волокна PBS равномерно покрыта частицами CsW, что также видно на изображении, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) (рис. 3b; рис. S9, вспомогательная информация) .Кроме того, этот метод покрытия позволяет заряженным наноматериалам тонко обернуть поверхность волокна, тем самым максимизируя способность удаления электростатических частиц (рисунок S10, вспомогательная информация).
Была изучена эффективность удаления твердых частиц ЧМ и ЧН (рис. 3в).M2.0 и N2.5 покрывали CsW для получения ChM2.0 и ChN2.5 соответственно.Эффективность удаления ЧМ2.0 для PM1.0, PM2.5 и PM10 составила 70,1%, 78,8% и 86,3% соответственно, тогда как аналогичные значения ЧН2.5 составили 77,0%, 87,7% и 94,6% соответственно.Покрытие CsW значительно улучшает эффективность удаления M2.0 и N2.5, а эффект, наблюдаемый для немного меньших PM, более значителен.В частности, хитозановые нановискеры увеличили эффективность удаления M2.0 PM0.5 и PM1.0 на 15% и 13% соответственно (рисунок S11, вспомогательная информация).Хотя M2.0 трудно исключить более мелкие PM1.0 из-за относительно большого расстояния между фибриллами (рис. 2c), ChM2.0 адсорбирует PM1.0, потому что катионы и амиды в CsW проходят через ион-ион, связывая полярно-ионное взаимодействие. и диполь-дипольное взаимодействие с пылью.Из-за покрытия CsW эффективность удаления твердых частиц ЧМ2.0 и ЧН2.5 такая же высокая, как и у более толстых М5.2 и Н4.8 (таблица S3, вспомогательная информация).
Интересно, что хотя эффективность удаления твердых частиц значительно повышается, покрытие CsW почти не влияет на перепад давления.Падение давления для ChM2.0 и ChN2.5 немного увеличилось до 15 и 23 Па, что почти вдвое меньше, чем для M5.2 и N4.8 (рис. 3d; таблица S3, вспомогательная информация).Следовательно, покрытие материалами на биологической основе является подходящим методом для удовлетворения требований к производительности двух основных фильтров;то есть эффективность удаления твердых частиц и перепад давления воздуха, которые являются взаимоисключающими.Однако эффективность удаления PM1.0 и PM2.5 с помощью ChM2.0 и ChN2.5 ниже 90%;очевидно, что эта производительность нуждается в улучшении.
Интегрированная система фильтрации, состоящая из нескольких мембран с постепенно меняющимися диаметром волокон и размером пор, может решить вышеуказанные проблемы [12].Встроенный воздушный фильтр обладает преимуществами двух разных нановолокон и сетки из сверхтонких волокон.В связи с этим ЧМ и ЧН просто укладываются друг на друга для получения интегральных фильтров (Инт-МН).Например, Int-MN4.5 готовят с использованием ЧМ2.0 и ЧН2.5, и его характеристики сравнивают с ЧН4.8 и ЧМ5.2, которые имеют аналогичную поверхностную плотность (т.е. толщину).В эксперименте по эффективности удаления твердых частиц сторона Int-MN4.5 с ультратонким волокном находилась в пыльной комнате, поскольку сторона с ультратонким волокном была более устойчива к засорению, чем сторона с нановолокном.Как показано на рис. 4а, Int-MN4.5 показывает лучшую эффективность удаления твердых частиц и перепад давления, чем два однокомпонентных фильтра, с перепадом давления 37 Па, что аналогично ChM5.2 и намного ниже, чем ChM5.2 ChN4.8. Кроме того, эффективность удаления PM1.0 Int-MN4.5 составляет 91% (рис. 4b).С другой стороны, ChM5.2 не показал такой высокой эффективности удаления PM1.0, поскольку его поры больше, чем у Int-MN4.5.
Время публикации: 03 ноября 2021 г.
