Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемиско инженерство, Универзитет за наука и технологија (UST), Daejeon, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемиско инженерство, Универзитет за наука и технологија (UST), Daejeon, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемиско инженерство, Универзитет за наука и технологија (UST), Daejeon, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемиско инженерство, Универзитет за наука и технологија (UST), Daejeon, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемиско инженерство, Универзитет за наука и технологија (UST), Daejeon, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемиска технологија (KRICT) Истражувачки центар за биобазиран хемија, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемиско инженерство, Универзитет за наука и технологија (UST), Daejeon, 34113 Република Кореја
Користете ја врската подолу за да ја споделите целосната текстуална верзија на овој напис со вашите пријатели и колеги.научи повеќе.
Поради пандемијата на коронавирус и проблемите поврзани со честичките (PM) во воздухот, побарувачката за маски порасна експоненцијално.Сепак, традиционалните филтри за маски базирани на статички електрицитет и нано сито се за еднократна употреба, не се разградуваат или се рециклираат, што ќе предизвика сериозни проблеми со отпадот.Покрај тоа, првиот ќе ја изгуби својата функција при влажни услови, додека вториот ќе работи со значителен пад на воздушниот притисок и ќе се појави релативно брзо затнување на порите.Овде, развиен е биоразградлив, отпорен на влага, филтер за маска со влакна со високо дише и со високи перформанси.Накратко, две биоразградливи ултрафини влакна и нановлакна душеци се интегрирани во мембранскиот филтер Јанус, а потоа се обложени со катјонски наполнети наномустаќи хитозан.Овој филтер е ефикасен како комерцијалниот филтер N95 и може да отстрани 98,3% од 2,5 µm PM.Нановлакната физички ги прикажува ситните честички, а ултрафините влакна обезбедуваат мала разлика во притисокот од 59 Pa, што е погодно за човечко дишење.Спротивно на остриот пад на перформансите на комерцијалните филтри N95 кога се изложени на влага, губењето на перформансите на овој филтер е занемарливо, така што може да се користи повеќе пати бидејќи постојаниот дипол на хитозан апсорбира ултрафини PM (на пример, азот).И сулфур оксиди).Важно е овој филтер целосно да се распадне во компостираната почва во рок од 4 недели.
Тековната невидена пандемија на коронавирус (СОВИД-19) предизвикува огромна побарувачка за маски.[1] Светската здравствена организација (СЗО) проценува дека оваа година се потребни 89 милиони медицински маски секој месец.[1] Не само што на здравствените работници им требаат високоефикасни маски N95, туку и маските за општа намена за сите поединци станаа неопходна секојдневна опрема за спречување на оваа респираторна заразна болест.[1] Покрај тоа, релевантните министерства силно препорачуваат употреба на маски за еднократна употреба секој ден, [1] ова доведе до еколошки проблеми поврзани со големи количини отпад од маски.
Бидејќи честичките (PM) во моментов се најпроблематичниот проблем со загадувањето на воздухот, маските станаа најефективната контрамерка достапна за поединци.PM е поделен на PM2,5 и PM10 според големината на честичките (2,5 и 10μm соодветно), што сериозно влијае на природната средина [2] и на квалитетот на човечкиот живот на различни начини.[2] Секоја година, PM предизвикува 4,2 милиони смртни случаи и 103,1 милиони години прилагодени на инвалидитет.[2] PM2.5 претставува особено сериозна закана за здравјето и официјално е означен како канцероген од групата I.[2] Затоа, навремено и важно е да се истражи и развие ефикасен филтер за маски во однос на пропустливоста на воздухот и отстранување на PM.[3]
Општо земено, традиционалните филтри со влакна го фаќаат PM на два различни начини: преку физичко просејување врз основа на нановлакна и електростатска адсорпција врз основа на микровлакна (Слика 1а).Употребата на филтри базирани на нановлакна, особено душеците од нановлакна со електрони, се покажа како ефикасна стратегија за отстранување на PM, што е резултат на големата достапност на материјалот и контролираната структура на производот.[3] Подлогата од нанофибер може да ги отстрани честичките со целната големина, што е предизвикано од разликата во големината помеѓу честичките и порите.[3] Сепак, влакната со нано размери треба да бидат густо наредени за да формираат екстремно мали пори, кои се штетни за удобното човечко дишење поради поврзаната разлика во висок притисок.Покрај тоа, малите дупки неизбежно ќе се блокираат релативно брзо.
Од друга страна, душекот со ултра фини влакна со топење е електростатски наполнет со високо-енергетско електрично поле, а многу мали честички се заробени со електростатска адсорпција.[4] Како репрезентативен пример, респираторот N95 е респиратор за маски за лице за филтрирање на честички кој ги исполнува барањата на Националниот институт за безбедност и здравје при работа бидејќи може да филтрира најмалку 95% од честичките во воздухот.Овој тип на филтер апсорбира ултрафини PM, кој обично се состои од анјонски супстанции како што се SO42- и NO3-, преку силна електростатска привлечност.Сепак, статичкиот полнеж на површината на подлогата со влакна лесно се расфрла во влажна средина, како што се наоѓа во влажното човечко дишење, [4] што резултира со намалување на капацитетот за адсорпција.
Со цел дополнително да се подобрат перформансите на филтрацијата или да се реши компромисот помеѓу ефикасноста на отстранувањето и падот на притисокот, филтрите базирани на нановлакна и микровлакна се комбинираат со материјали со висока вредност, како што се јаглеродни материјали, метални органски рамки и тефлонски наночестички.[4] Сепак, неизвесната биолошка токсичност и дисипацијата на полнежот на овие адитиви сè уште се неизбежни проблеми.[4] Особено, овие два типа на традиционални филтри обично не се разградливи, па на крајот ќе бидат закопани на депонии или ќе се согорат по употреба.Затоа, развојот на подобрени филтри за маски за решавање на овие проблеми со отпадот и во исто време снимање на PM на задоволителен и моќен начин е важна моментална потреба.
Со цел да ги решиме горенаведените проблеми, направивме мембрански филтер Јанус интегриран со душеци од микрофибер и нанофибер базирани на поли(бутилен сукцинат) (базиран PBS)[5].Мембранскиот филтер Јанус е обложен со нано мустаќи хитозан (CsWs) [5] (Слика 1б).Како што сите знаеме, PBS е репрезентативен биоразградлив полимер, кој може да произведе ултрафини влакна и нановлакна неткаен материјал преку електроврење.Влакната со нано размери физички го заробуваат PM, додека нано-влакната во микро размери го намалуваат падот на притисокот и дејствуваат како рамка CsW.Хитозанот е био-базиран материјал за кој е докажано дека има добри биолошки својства, вклучувајќи биокомпатибилност, биоразградливост и релативно ниска токсичност, [5] што може да ја намали вознемиреноста поврзана со случајно вдишување кај корисниците.[5] Покрај тоа, хитозанот има катјонски места и поларни амид групи.[5] Дури и под влажни услови, може да привлече поларни ултрафини честички (како SO42- и NO3-).
Овде, известуваме за биоразградлив, со висока ефикасност, отпорен на влага и филтер за маска за паѓање со низок притисок врз основа на лесно достапни биоразградливи материјали.Поради комбинацијата на физичко просејување и електростатска адсорпција, интегрираниот филтер со микрофибер/нановлакна обложен со CsW има висока ефикасност на отстранување на PM2.5 (до 98%), а во исто време, максималниот пад на притисокот на најгустиот филтер е само Тоа е 59 Pa, погоден за човечко дишење.Во споредба со значителната деградација на перформансите што ја покажува комерцијалниот филтер N95, овој филтер покажува незначителна загуба на ефикасноста на отстранување на PM (<1%) дури и кога е целосно влажен, поради постојаното полнење на CsW.Дополнително, нашите филтри се целосно биоразградливи во компостирана почва во рок од 4 недели.Во споредба со други студии со слични концепти, во кои делот на филтерот е составен од биоразградливи материјали или покажува ограничени перформанси во потенцијалните неткаени апликации од биополимер, [6] овој филтер директно ја покажува Биоразградливоста на напредните функции (филм S1, придружни информации).
Како компонента на мембранскиот филтер Јанус, прво беа подготвени душеци од нановлакна и PBS со суперфини влакна.Затоа, 11% и 12% раствори на PBS беа електроврти за да се добијат нанометарски и микрометарски влакна, соодветно, поради нивната разлика во вискозноста.[7] Деталните информации за карактеристиките на растворот и оптималните услови за електровртење се наведени во табелите S1 и S2, во придружните информации.Со оглед на тоа што влакното како вртење сè уште содржи остаток на растворувач, дополнителна бања за коагулација на вода се додава на типичен уред за електровртење, како што е прикажано на слика 2а.Дополнително, водената бања може да ја користи рамката и за собирање на коагулираната чисто простирка од PBS влакна, која се разликува од цврстата матрица во традиционалното поставување (слика 2б).[7] Просечните дијаметри на влакната на подлогите од микрофибер и нанофибер се 2,25 и 0,51 µm, соодветно, а просечните дијаметри на порите се 13,1 и 3,5 µm, соодветно (Слика 2в, г).Бидејќи растворувачот за хлороформ/етанол 9:1 испарува брзо откако ќе се ослободи од млазницата, разликата во вискозноста помеѓу растворите од 11 и 12 wt% брзо се зголемува (слика S1, придружни информации).[7] Затоа, разликата во концентрацијата од само 1 wt% може да предизвика значителна промена во дијаметарот на влакната.
Пред да се проверат перформансите на филтерот (слика S2, придружни информации), со цел разумно да се споредат различните филтри, произведени се неткаени материјали со стандардна дебелина на електрони, бидејќи дебелината е важен фактор што влијае на разликата во притисокот и ефикасноста на филтрацијата на перформансите на филтерот.Бидејќи неткаените материјали се меки и порозни, тешко е директно да се одреди дебелината на неткаените материјали со електрони.Дебелината на ткаенината е генерално пропорционална со густината на површината (тежина по единица површина, основна тежина).Затоа, во оваа студија, ја користиме основната тежина (gm-2) како ефективна мерка за дебелина.[8] Дебелината се контролира со менување на времето на електровртење, како што е прикажано на слика 2д.Како што времето на центрифугирање се зголемува од 1 минута на 10 минути, дебелината на подлогата од микрофибер се зголемува на 0,2, 2,0, 5,2 и 9,1 gm-2, соодветно.На ист начин, дебелината на подлогата од нанофибер беше зголемена на 0,2, 1,0, 2,5 и 4,8 gm-2, соодветно.Микрофибер и нановлакна душеци се означени според нивните вредности на дебелина (gm-2) како: M0.2, M2.0, M5.2 и M9.1 и N0.2, N1.0, N2.5 и N4. 8.
Разликата на воздушниот притисок (ΔP) на целиот примерок е важен индикатор за перформансите на филтерот.[9] Дишењето низ филтер со висок пад на притисокот е непријатно за корисникот.Природно, се забележува дека падот на притисокот се зголемува како што се зголемува дебелината на филтерот, како што е прикажано на слика S3, поддршка на информации.Подлогата од нановлакна (N4.8) покажува поголем пад на притисокот од подлогата од микрофибер (M5.2) со споредлива дебелина бидејќи подлогата од нанофибер има помали пори.Како што воздухот минува низ филтерот со брзина помеѓу 0,5 и 13,2 ms-1, падот на притисокот на двата различни типа филтри постепено се зголемува од 101 Pa на 102 Pa. Дебелината треба да се оптимизира за да се балансира падот на притисокот и отстранувањето на PM ефикасност;брзината на воздухот од 1,0 ms-1 е разумна бидејќи времето потребно за луѓето да дишат преку устата е околу 1,3 ms-1.[10] Во овој поглед, падот на притисокот од M5.2 и N4.8 е прифатлив при брзина на воздухот од 1,0 ms-1 (помалку од 50 Pa) (Слика S4, придружни информации).Ве молиме имајте предвид дека падот на притисокот на маските N95 и слични корејски стандардни филтри (KF94) маски е од 50 до 70 Pa, соодветно.Понатамошната обработка на CsW и интеграцијата на микро/нано филтерот може да го зголеми отпорот на воздухот;затоа, со цел да се обезбеди маргина на пад на притисокот, ги анализиравме N2.5 и M2.0 пред да ги анализираме M5.2 и N4.8.
При целна брзина на воздухот од 1,0 ms-1, ефикасноста на отстранување на PM1,0, PM2,5 и PM10 на PBS микрофибер и нановлакна душеци беше проучувана без статичко полнење (слика S5, придружни информации).Забележано е дека ефикасноста на отстранување на PM генерално се зголемува со зголемувањето на дебелината и големината на PM.Ефикасноста на отстранување на N2.5 е подобра од M2.0 поради неговите помали пори.Ефикасноста на отстранување на M2.0 за PM1.0, PM2.5 и PM10 беа 55.5%, 64.6% и 78.8%, соодветно, додека сличните вредности на N2.5 беа 71.9%, 80.1% и 89.6% (Слика 2ѓ).Забележавме дека најголемата разлика во ефикасноста помеѓу M2.0 и N2.5 е PM1.0, што покажува дека физичкото просејување на мрежата од микрофибер е ефикасно за PM на ниво на микрон, но не е ефикасно за PM на нано ниво (слика S6, придружни информации)., M2.0 и N2.5 и двете покажуваат ниска способност за снимање на PM помала од 90%.Покрај тоа, N2.5 може да биде поподложен на прашина од M2.0, бидејќи честичките прашина лесно можат да ги блокираат помалите пори на N2.5.Во отсуство на статичко полнење, физичкото просејување е ограничено во неговата способност да го постигне потребниот пад на притисокот и ефикасноста на отстранувањето во исто време поради компромисниот однос меѓу нив.
Електростатската адсорпција е најшироко користен метод за снимање на PM на ефикасен начин.[11] Општо земено, статичкото полнење насилно се применува на неткаен филтер преку високо-енергетско електрично поле;сепак, ова статичко полнење лесно се расфрла при влажни услови, што резултира со губење на способноста за снимање на PM.[4] Како био-базиран материјал за електростатска филтрација, воведовме CsW долга 200 nm и широка 40 nm CsW;поради нивните амониумски групи и поларни амид групи, овие наномустаќи содржат постојани катјонски полнежи.Достапниот позитивен полнеж на површината на CsW е претставен со неговиот зета потенцијал (ZP);CsW се дисперзира во вода со pH од 4,8, а нивниот ZP е +49,8 mV (слика S7, придружни информации).
CsW-обложени PBS микровлакна (ChMs) и нановлакна (ChNs) беа подготвени со едноставно натопување во 0,2 wt% CsW дисперзија на вода, што е соодветна концентрација за прицврстување на максималната количина на CsW на површината на PBS влакна, како што е прикажано во слика Прикажана на слика 3а и слика S8, поддршка на информации.Сликата со рендгенска спектроскопија со дисперзивна енергија на азот (EDS) покажува дека површината на PBS влакната е рамномерно обложена со честички CsW, што е видливо и на сликата за скенирачки електронски микроскоп (SEM) (Слика 3б; Слика S9, потпорни информации) .Дополнително, овој метод на обложување им овозможува на наполнетите наноматеријали фино да ја обвиткаат површината на влакната, а со тоа да ја максимизираат способноста за електростатско отстранување на PM (слика S10, придружни информации).
Проучена е ефикасноста на отстранување на PM на ChM и ChN (Слика 3в).M2.0 и N2.5 беа обложени со CsW за да се добијат ChM2.0 и ChN2.5, соодветно.Ефикасностите на отстранување на ChM2.0 за PM1.0, PM2.5 и PM10 беа 70.1%, 78.8% и 86.3%, соодветно, додека сличните вредности на ChN2.5 беа 77.0%, 87.7% и 94.6% соодветно.Облогата CsW во голема мера ја подобрува ефикасноста на отстранувањето на M2.0 и N2.5, а ефектот забележан за малку помали PM е позначаен.Особено, хитозанските наномустаќи ја зголемија ефикасноста на отстранувањето на PM0.5 и PM1.0 на M2.0 за 15% и 13%, соодветно (слика S11, придружни информации).Иако M2.0 е тешко да се исклучи помалиот PM1.0 поради неговото релативно широко фибрилно растојание (слика 2в), ChM2.0 го адсорбира PM1.0 бидејќи катјоните и амидите во CsW поминуваат низ јон-јон, спојувајќи ја пол-јонската интеракција , и дипол-дипол интеракција со прашина.Поради неговата обвивка CsW, ефикасноста на отстранување на PM на ChM2.0 и ChN2.5 е исто толку висока како онаа на подебелите M5.2 и N4.8 (Табела S3, придружни информации).
Интересно, иако ефикасноста на отстранување на PM е значително подобрена, CsW облогата речиси и не влијае на падот на притисокот.Падот на притисокот на ChM2.0 и ChN2.5 малку се зголеми на 15 и 23 Pa, речиси половина од зголемувањето забележано за M5.2 и N4.8 (Слика 3г; Табела S3, придружни информации).Затоа, премачкувањето со био-базирани материјали е соодветен метод за исполнување на барањата за изведба на два основни филтри;односно ефикасност на отстранување на PM и разлика во воздушниот притисок, кои меѓусебно се исклучуваат.Сепак, ефикасноста на отстранување на PM1.0 и PM2.5 на ChM2.0 и ChN2.5 е и пониска од 90%;очигледно, оваа изведба треба да се подобри.
Интегриран систем за филтрација составен од повеќе мембрани со постепено менување на дијаметарот на влакната и големината на порите може да ги реши горенаведените проблеми [12].Интегрираниот филтер за воздух ги има предностите на две различни нановлакна и суперфини влакна мрежи.Во овој поглед, ChM и ChN едноставно се наредени за да произведат интегрирани филтри (Int-MNs).На пример, Int-MN4.5 се подготвува со користење на ChM2.0 и ChN2.5, а неговите перформанси се споредуваат со ChN4.8 и ChM5.2 кои имаат слична површина густина (т.е. дебелина).Во експериментот за ефикасност на отстранување на PM, страната на ултрафините влакна на Int-MN4.5 беше изложена во просторијата со прав, бидејќи страната на ултрафините влакна беше поотпорна на затнување од страната на нановлакната.Како што е прикажано на слика 4а, Int-MN4.5 покажува подобра ефикасност на отстранување на PM и разлика во притисокот од два еднокомпонентни филтри, со пад на притисокот од 37 Pa, што е слично на ChM5.2 и многу пониско од ChM5.2 ChN4.8. Покрај тоа, ефикасноста на отстранување на PM1.0 на Int-MN4.5 е 91% (Слика 4б).Од друга страна, ChM5.2 не покажа толку висока ефикасност на отстранување на PM1.0 бидејќи неговите пори се поголеми од оние на Int-MN4.5.
Време на објавување: 03-11-2021 година
