Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republikken Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republikken Korea
Bruk lenken nedenfor for å dele fulltekstversjonen av denne artikkelen med dine venner og kolleger.lære mer.
På grunn av koronaviruspandemien og problemer knyttet til svevestøv (PM) i luften, har etterspørselen etter masker vokst eksponentielt.Imidlertid er tradisjonelle maskefiltre basert på statisk elektrisitet og nanosikt alle engangs, ikke-nedbrytbare eller resirkulerbare, noe som vil forårsake alvorlige avfallsproblemer.I tillegg vil førstnevnte miste sin funksjon under fuktige forhold, mens sistnevnte vil operere med et betydelig lufttrykkfall og relativt rask poretilstopping vil oppstå.Her er det utviklet et biologisk nedbrytbart, fuktsikkert, svært pustende, høyytelses fibermaskefilter.Kort sagt, to biologisk nedbrytbare ultrafine fibre og nanofibermatter er integrert i Janus membranfilter, og deretter belagt med kationisk ladede kitosan nanowhiskers.Dette filteret er like effektivt som det kommersielle N95-filteret og kan fjerne 98,3 % av 2,5 µm PM.Nanofibre skjermer fysisk fine partikler, og ultrafine fibre gir en lav trykkforskjell på 59 Pa, som er egnet for menneskelig pust.I motsetning til den kraftige nedgangen i ytelsen til kommersielle N95-filtre når de utsettes for fuktighet, er ytelsestapet til dette filteret ubetydelig, så det kan brukes flere ganger fordi den permanente dipolen til kitosan adsorberer ultrafin PM (for eksempel nitrogen).Og svoveloksider).Det er viktig at dette filteret brytes fullstendig ned i den komposterte jorda innen 4 uker.
Den nåværende enestående koronaviruspandemien (COVID-19) driver en enorm etterspørsel etter masker.[1] Verdens helseorganisasjon (WHO) anslår at det trengs 89 millioner medisinske masker hver måned i år.[1] Ikke bare trenger helsepersonell høyeffektive N95-masker, men generelle masker for alle individer har også blitt uunnværlig daglig utstyr for forebygging av denne luftveisinfeksjonssykdommen.[1] I tillegg anbefaler relevante departement på det sterkeste bruk av engangsmasker hver dag, [1] dette har ført til miljøproblemer knyttet til store mengder maskeavfall.
Siden partikler (PM) for tiden er det mest problematiske luftforurensningsproblemet, har masker blitt det mest effektive mottiltaket tilgjengelig for enkeltpersoner.PM deles inn i PM2.5 og PM10 i henhold til partikkelstørrelsen (henholdsvis 2,5 og 10μm), noe som alvorlig påvirker det naturlige miljøet [2] og livskvaliteten på mennesker på ulike måter.[2] Hvert år forårsaker PM 4,2 millioner dødsfall og 103,1 millioner uførejusterte leveår.[2] PM2.5 utgjør en spesielt alvorlig trussel mot helsen og er offisielt utpekt som et gruppe I kreftfremkallende stoff.[2] Derfor er det betimelig og viktig å forske på og utvikle et effektivt maskefilter når det gjelder luftpermeabilitet og PM-fjerning.[3]
Generelt sett fanger tradisjonelle fiberfiltre opp PM på to forskjellige måter: gjennom fysisk sikting basert på nanofibre og elektrostatisk adsorpsjon basert på mikrofibre (Figur 1a).Bruken av nanofiberbaserte filtre, spesielt elektrospunnet nanofibermatter, har vist seg å være en effektiv strategi for å fjerne PM, som er et resultat av omfattende materialtilgjengelighet og kontrollerbar produktstruktur.[3] Nanofibermatten kan fjerne partikler av målstørrelsen, som er forårsaket av størrelsesforskjellen mellom partiklene og porene.[3] Imidlertid må fibre i nanoskala stables tett for å danne ekstremt små porer, som er skadelig for komfortabel menneskelig pust på grunn av den tilhørende høye trykkforskjellen.I tillegg vil de små hullene uunngåelig blokkeres relativt raskt.
På den annen side blir den smelteblåste ultrafine fibermatten elektrostatisk ladet av et elektrisk felt med høy energi, og svært små partikler fanges opp av elektrostatisk adsorpsjon.[4] Som et representativt eksempel er N95 åndedrettsvern en partikkelfiltrerende åndedrettsmaske som oppfyller kravene til National Institute of Occupational Safety and Health fordi den kan filtrere minst 95 % av luftbårne partikler.Denne typen filter absorberer ultrafin PM, som vanligvis er sammensatt av anioniske stoffer som SO42− og NO3−, gjennom sterk elektrostatisk tiltrekning.Den statiske ladningen på overflaten av fibermatten forsvinner imidlertid lett i et fuktig miljø, for eksempel ved fuktig menneskelig pust, [4] som resulterer i en reduksjon i adsorpsjonskapasitet.
For å forbedre filtreringsytelsen ytterligere eller løse avveiningen mellom fjerningseffektivitet og trykkfall, kombineres filtre basert på nanofibre og mikrofibre med høyk-materialer, som karbonmaterialer, metallorganiske rammeverk og PTFE-nanopartikler.[4] Imidlertid er den usikre biologiske toksisiteten og ladningsspredningen av disse tilsetningsstoffene fortsatt uunngåelige problemer.[4] Spesielt er disse to typene tradisjonelle filtre vanligvis ikke-nedbrytbare, så de vil til slutt bli gravd ned på søppelfyllinger eller forbrennes etter bruk.Derfor er utvikling av forbedrede maskefiltre for å løse disse avfallsproblemene og samtidig fange PM på en tilfredsstillende og kraftig måte et viktig nåværende behov.
For å løse problemene ovenfor har vi produsert et Janus-membranfilter integrert med poly(butylensuccinat)-baserte (PBS-baserte)[5] mikrofiber- og nanofibermatter.Janus membranfilteret er belagt med chitosan nano whiskers (CsWs) [5] (Figur 1b).Som vi alle vet, er PBS en representativ biologisk nedbrytbar polymer, som kan produsere ultrafine fiber og nanofiber nonwovens gjennom elektrospinning.Fibre i nanoskala fanger fysisk PM, mens nanofibre i mikroskala reduserer trykkfall og fungerer som et CsW-rammeverk.Kitosan er et biobasert materiale som har vist seg å ha gode biologiske egenskaper, inkludert biokompatibilitet, biologisk nedbrytbarhet og relativt lav toksisitet, [5] som kan redusere angsten forbundet med utilsiktet innånding av brukere.[5] I tillegg har kitosan kationiske steder og polare amidgrupper.[5] Selv under fuktige forhold kan den tiltrekke seg polare ultrafine partikler (som SO42- og NO3-).
Her rapporterer vi et biologisk nedbrytbart, høyeffektivt, fuktsikkert og lavtrykksfallmaskefilter basert på lett tilgjengelige biologisk nedbrytbare materialer.På grunn av kombinasjonen av fysisk sikting og elektrostatisk adsorpsjon har det CsW-belagte mikrofiber/nanofiber integrerte filteret en høy PM2.5 fjerningseffektivitet (opptil 98%), og samtidig er det maksimale trykkfallet på det tykkeste filteret. bare Det er 59 Pa, egnet for menneskelig pust.Sammenlignet med den betydelige ytelsesdegraderingen som vises av det kommersielle N95-filteret, viser dette filteret et ubetydelig tap av PM-fjerningseffektivitet (<1%) selv når det er helt vått, på grunn av den permanente CsW-ladningen.I tillegg er filtrene våre fullstendig biologisk nedbrytbare i kompostert jord innen 4 uker.Sammenlignet med andre studier med lignende konsepter, der filterdelen er sammensatt av biologisk nedbrytbare materialer, eller viser begrenset ytelse i potensielle biopolymer nonwoven-applikasjoner, [6] viser dette filteret direkte biologisk nedbrytbarhet av avanserte funksjoner (film S1, støtteinformasjon).
Som en komponent i Janus-membranfilteret ble det først forberedt nanofiber- og superfinfiber-PBS-matter.Derfor ble 11 % og 12 % PBS-løsninger elektrospunnet for å produsere henholdsvis nanometer- og mikrometerfibre på grunn av deres forskjell i viskositet.[7] Den detaljerte informasjonen om løsningens egenskaper og optimale elektrospinningsforhold er oppført i tabell S1 og S2, i støtteinformasjonen.Siden fiberen som spunnes fortsatt inneholder gjenværende løsningsmiddel, tilsettes et ekstra vannkoagulasjonsbad til en typisk elektrospinningsanordning, som vist i figur 2a.I tillegg kan vannbadet også bruke rammen til å samle den koagulerte rene PBS-fibermatten, som er forskjellig fra den faste matrisen i tradisjonelle omgivelser (Figur 2b).[7] Den gjennomsnittlige fiberdiameteren til mikrofiber- og nanofibermattene er henholdsvis 2,25 og 0,51 µm, og gjennomsnittlig porediameter er henholdsvis 13,1 og 3,5 µm (Figur 2c, d).Ettersom 9:1 kloroform/etanol-løsningsmidlet fordamper raskt etter å ha blitt sluppet ut av dysen, øker viskositetsforskjellen mellom 11 og 12 vekt% løsninger raskt (Figur S1, støtteinformasjon).[7] Derfor kan en konsentrasjonsforskjell på bare 1 vekt% forårsake en betydelig endring i fiberdiameter.
Før du sjekker filterytelsen (Figur S2, støtteinformasjon), for å sammenligne forskjellige filtre på en rimelig måte, ble det produsert elektrospunnet fiberduk med standard tykkelse, fordi tykkelsen er en viktig faktor som påvirker trykkforskjellen og filtreringseffektiviteten til filterytelsen.Siden nonwovens er myke og porøse, er det vanskelig å direkte bestemme tykkelsen på elektrospunnet nonwovens.Tykkelsen på stoffet er generelt proporsjonal med overflatetettheten (vekt per arealenhet, basisvekt).Derfor bruker vi i denne studien basisvekt (gm-2) som et effektivt mål på tykkelse.[8] Tykkelsen styres ved å endre elektrospinningstiden, som vist i figur 2e.Ettersom spinnetiden øker fra 1 minutt til 10 minutter, øker tykkelsen på mikrofibermatten til henholdsvis 0,2, 2,0, 5,2 og 9,1 gm-2.På samme måte ble tykkelsen på nanofibermatten økt til henholdsvis 0,2, 1,0, 2,5 og 4,8 gm-2.Mikrofiber- og nanofibermatter er betegnet med tykkelsesverdiene (gm-2) som: M0.2, M2.0, M5.2 og M9.1, og N0.2, N1.0, N2.5 og N4. 8.
Lufttrykkforskjellen (ΔP) for hele prøven er en viktig indikator på filterytelse.[9] Å puste gjennom et filter med høyt trykkfall er ubehagelig for brukeren.Naturligvis er det observert at trykkfallet øker når tykkelsen på filteret øker, som vist i figur S3, støttende informasjon.Nanofibermatten (N4.8) viser et høyere trykkfall enn mikrofibermatten (M5.2) ved en sammenlignbar tykkelse fordi nanofibermatten har mindre porer.Når luften passerer gjennom filteret med en hastighet mellom 0,5 og 13,2 ms-1, øker trykkfallet til de to forskjellige filtertypene gradvis fra 101 Pa til 102 Pa. Tykkelsen bør optimaliseres for å balansere trykkfallet og PM-fjerning effektivitet;en lufthastighet på 1,0 ms-1 er rimelig fordi tiden det tar for mennesker å puste gjennom munnen er omtrent 1,3 ms-1.[10] I denne forbindelse er trykkfallet til M5.2 og N4.8 akseptabelt ved en lufthastighet på 1,0 ms-1 (mindre enn 50 Pa) (Figur S4, støtteinformasjon).Vær oppmerksom på at trykkfallet til N95 og lignende koreanske filterstandardmasker (KF94) er henholdsvis 50 til 70 Pa.Ytterligere CsW-behandling og mikro/nano-filterintegrasjon kan øke luftmotstanden;derfor, for å gi trykkfallsmargin, analyserte vi N2.5 og M2.0 før vi analyserte M5.2 og N4.8.
Ved en mållufthastighet på 1,0 ms-1 ble fjerningseffektiviteten til PM1.0, PM2.5 og PM10 av PBS mikrofiber- og nanofibermatter studert uten statisk ladning (Figur S5, støtteinformasjon).Det er observert at PM-fjerningseffektiviteten generelt øker med økningen i tykkelse og PM-størrelse.Fjerningseffektiviteten til N2.5 er bedre enn M2.0 på grunn av de mindre porene.Fjerningseffektiviteten til M2.0 for PM1.0, PM2.5 og PM10 var henholdsvis 55.5 %, 64.6 % og 78.8 %, mens de tilsvarende verdiene for N2.5 var 71,9 %, 80,1 % og 89,6 % (figur 2f).Vi la merke til at den største forskjellen i effektivitet mellom M2.0 og N2.5 er PM1.0, noe som indikerer at den fysiske siktingen av mikrofibernettet er effektiv for PM på mikronnivå, men ikke effektiv for PM på nanonivå (figur S6, støtteinformasjon)., M2.0 og N2.5 viser begge en lav PM-fangstevne på mindre enn 90 %.I tillegg kan N2.5 være mer mottakelig for støv enn M2.0, fordi støvpartikler lett kan blokkere de mindre porene i N2.5.I fravær av statisk ladning er fysisk sikting begrenset i sin evne til å oppnå det nødvendige trykkfallet og fjerningseffektiviteten på samme tid på grunn av avveiningsforholdet mellom dem.
Elektrostatisk adsorpsjon er den mest brukte metoden for å fange opp PM på en effektiv måte.[11] Vanligvis påføres statisk ladning med makt til det ikke-vevde filteret gjennom et elektrisk felt med høy energi;Imidlertid forsvinner denne statiske ladningen lett under fuktige forhold, noe som resulterer i tap av PM-fangstevne.[4] Som et biobasert materiale for elektrostatisk filtrering introduserte vi 200 nm lang og 40 nm bred CsW;på grunn av deres ammoniumgrupper og polare amidgrupper inneholder disse nanowhiskers permanente kationiske ladninger.Den tilgjengelige positive ladningen på overflaten av CsW er representert ved dets zetapotensial (ZP);CsW er dispergert i vann med en pH på 4,8, og deres ZP er funnet å være +49,8 mV (Figur S7, støtteinformasjon).
CsW-belagte PBS-mikrofibre (ChMs) og nanofibre (ChNs) ble fremstilt ved enkelt dyppebelegg i 0,2 vekt% CsW-vanndispersjon, som er den passende konsentrasjonen for å feste maksimal mengde CsW-er til overflaten av PBS-fibre, som vist i figur Vist i figur 3a og figur S8, støttende informasjon.Nitrogenenergi-dispersiv røntgenspektroskopi (EDS)-bildet viser at overflaten til PBS-fiberen er jevnt belagt med CsW-partikler, noe som også er tydelig i skanningselektronmikroskopet (SEM)-bildet (figur 3b; figur S9, støtteinformasjon) .I tillegg gjør denne beleggmetoden ladede nanomaterialer i stand til å pakke fiberoverflaten fint, og dermed maksimere evnen til å fjerne elektrostatisk PM (Figur S10, støtteinformasjon).
Effektiviteten til PM-fjerning av ChM og ChN ble studert (figur 3c).M2.0 og N2.5 ble belagt med CsW for å produsere henholdsvis ChM2.0 og ChN2.5.Fjerningseffektiviteten til ChM2.0 for PM1.0, PM2.5 og PM10 var henholdsvis 70.1%, 78.8% og 86.3%, mens de tilsvarende verdiene for ChN2.5 var henholdsvis 77.0%, 87.7% og 94.6%.CsW-belegget forbedrer fjerningseffektiviteten til M2.0 og N2.5 betraktelig, og effekten observert for litt mindre PM er mer signifikant.Spesielt økte kitosan nanowhiskers fjerningseffektiviteten til M2.0s PM0.5 og PM1.0 med henholdsvis 15 % og 13 % (Figur S11, støtteinformasjon).Selv om M2.0 er vanskelig å utelukke den mindre PM1.0 på grunn av dens relativt brede fibrilavstand (figur 2c), adsorberer ChM2.0 PM1.0 fordi kationene og amidene i CsWs passerer gjennom ion-ion, og kobler pol-ion-interaksjon , og dipol-dipol interaksjon med støv.På grunn av CsW-belegget er PM-fjerningseffektiviteten til ChM2.0 og ChN2.5 like høy som for tykkere M5.2 og N4.8 (tabell S3, støtteinformasjon).
Interessant nok, selv om effektiviteten til fjerning av PM er sterkt forbedret, påvirker CsW-belegget knapt trykkfallet.Trykkfallet til ChM2.0 og ChN2.5 økte litt til 15 og 23 Pa, nesten halvparten av økningen observert for M5.2 og N4.8 (Figur 3d; Tabell S3, støtteinformasjon).Derfor er belegging med biobaserte materialer en egnet metode for å oppfylle ytelseskravene til to grunnleggende filtre;det vil si effektiviteten til fjerning av PM og lufttrykkforskjell, som utelukker hverandre.Imidlertid er PM1.0- og PM2.5-fjerningseffektiviteten til ChM2.0 og ChN2.5 begge lavere enn 90 %;åpenbart må denne ytelsen forbedres.
Et integrert filtreringssystem sammensatt av flere membraner med gradvis skiftende fiberdiametre og porestørrelser kan løse problemene ovenfor [12].Det integrerte luftfilteret har fordelene med to forskjellige nanofibre og superfine fibernett.I denne forbindelse er ChM og ChN ganske enkelt stablet for å produsere integrerte filtre (Int-MNs).For eksempel er Int-MN4.5 fremstilt ved bruk av ChM2.0 og ChN2.5, og ytelsen sammenlignes med ChN4.8 og ChM5.2 som har lignende arealtettheter (dvs. tykkelse).I eksperimentet med PM-fjerningseffektivitet ble den ultrafine fibersiden av Int-MN4.5 eksponert i det støvete rommet fordi den ultrafine fibersiden var mer motstandsdyktig mot tilstopping enn nanofibersiden.Som vist i figur 4a viser Int-MN4.5 bedre PM-fjerningseffektivitet og trykkforskjell enn to enkomponentfiltre, med et trykkfall på 37 Pa, som ligner på ChM5.2 og mye lavere enn ChM5.2 ChN4.8. I tillegg er PM1.0-fjerningseffektiviteten til Int-MN4.5 91 % (Figur 4b).På den annen side viste ikke ChM5.2 en så høy PM1.0-fjerningseffektivitet fordi porene er større enn porene til Int-MN4.5.
Innleggstid: 3. november 2021
