Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемијско инжењерство, Универзитет науке и технологије (УСТ), Даејеон, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемијско инжењерство, Универзитет науке и технологије (УСТ), Даејеон, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемијско инжењерство, Универзитет науке и технологије (УСТ), Даејеон, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемијско инжењерство, Универзитет науке и технологије (УСТ), Даејеон, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемијско инжењерство, Универзитет науке и технологије (УСТ), Даејеон, 34113 Република Кореја
Корејски институт за хемијску технологију (КРИЦТ) Истраживачки центар за хемију на биобазираној бази, Улсан, 44429, Република Кореја
Напредни материјали и хемијско инжењерство, Универзитет науке и технологије (УСТ), Даејеон, 34113 Република Кореја
Користите везу испод да бисте поделили комплетну верзију овог чланка са својим пријатељима и колегама.Сазнајте више.
Због пандемије коронавируса и проблема у вези са честицама (ПМ) у ваздуху, потражња за маскама је експоненцијално порасла.Међутим, традиционални филтери за маске засновани на статичком електрицитету и нано ситу су сви за једнократну употребу, неразградиви или рециклирани, што ће изазвати озбиљне проблеме са отпадом.Поред тога, први ће изгубити своју функцију у влажним условима, док ће други радити са значајним падом ваздушног притиска и доћи ће до релативно брзог зачепљења пора.Овде је развијен биоразградив, отпоран на влагу, високо прозрачан филтер за маску од влакана високих перформанси.Укратко, два биоразградива ултрафина влакна и простирке од нановлакна су интегрисане у Јанус мембрански филтер, а затим обложене катјонски напуњеним хитозанским нанобрковима.Овај филтер је ефикасан као и комерцијални Н95 филтер и може да уклони 98,3% 2,5 µм ПМ.Нановлакна физички филтрирају фине честице, а ултрафина влакна обезбеђују ниску разлику притиска од 59 Па, што је погодно за људско дисање.За разлику од наглог пада перформанси комерцијалних Н95 филтера када су изложени влази, губитак перформанси овог филтера је занемарљив, тако да се може користити више пута јер трајни дипол хитозана адсорбује ултрафине ПМ (на пример, азот).И оксиди сумпора).Важно је да се овај филтер потпуно распадне у компостираном земљишту у року од 4 недеље.
Тренутна пандемија корона вируса без преседана (ЦОВИД-19) покреће огромну потражњу за маскама.[1] Светска здравствена организација (СЗО) процењује да је ове године потребно 89 милиона медицинских маски сваког месеца.[1] Не само да су здравственим радницима потребне високоефикасне маске Н95, већ су и маске опште намене за све појединце постале незаобилазна свакодневна опрема за превенцију ове респираторне заразне болести.[1] Поред тога, надлежна министарства снажно препоручују свакодневну употребу маски за једнократну употребу, [1] што је довело до еколошких проблема у вези са великим количинама отпада маски.
Пошто су честице (ПМ) тренутно најпроблематичнији проблем загађења ваздуха, маске су постале најефикаснија противмера доступна појединцима.ПМ се дели на ПМ2,5 и ПМ10 према величини честица (2,5 и 10μм респективно), што на различите начине озбиљно утиче на природну средину [2] и квалитет људског живота.[2] Сваке године, ПМ проузрокује 4,2 милиона смрти и 103,1 милиона година живота прилагођених инвалидности.[2] ПМ2,5 представља посебно озбиљну претњу по здравље и званично је означен као канцероген групе И.[2] Због тога је благовремено и важно истражити и развити ефикасан филтер маске у смислу пропустљивости ваздуха и уклањања ПМ.[3]
Уопштено говорећи, традиционални филтери од влакана хватају ПМ на два различита начина: физичким просејавањем на бази нановлакна и електростатичком адсорпцијом на бази микровлакана (слика 1а).Употреба филтера на бази нановлакна, посебно струњача од нановлакна, показала се као ефикасна стратегија за уклањање ПМ, што је резултат велике доступности материјала и структуре производа које се може контролисати.[3] Подлога од нановлакна може уклонити честице циљне величине, што је узроковано разликом у величини између честица и пора.[3] Међутим, нано влакна морају бити густо наслагана како би се формирале изузетно мале поре, које су штетне за удобно дисање људи због повезане високе разлике притиска.Поред тога, мале рупе ће неизбежно бити блокиране релативно брзо.
С друге стране, ултра-фина влакнаста простирка од растопљеног материјала је електростатички напуњена електричним пољем високе енергије, а веома мале честице су заробљене електростатичком адсорпцијом.[4] Као репрезентативан пример, Н95 респиратор је респиратор са маском за лице са филтрирањем честица који испуњава захтеве Националног института за безбедност и здравље на раду јер може да филтрира најмање 95% честица у ваздуху.Овај тип филтера апсорбује ултрафине ПМ, који се обично састоје од ањонских супстанци као што су СО42− и НО3−, кроз снажну електростатичку привлачност.Међутим, статички набој на површини влакнасте простирке се лако распршује у влажном окружењу, као што се налази у влажном људском дисању, [4] што доводи до смањења капацитета адсорпције.
У циљу даљег побољшања перформанси филтрације или решавања компромиса између ефикасности уклањања и пада притиска, филтери на бази нановлакна и микровлакана се комбинују са високок материјалима, као што су угљенични материјали, метални органски оквири и ПТФЕ наночестице.[4] Међутим, неизбежна биолошка токсичност и дисипација наелектрисања ових адитива су и даље неизбежни проблеми.[4] Конкретно, ова два типа традиционалних филтера су обично неразградиви, тако да ће на крају бити закопани на депонијама или спаљени након употребе.Стога је развој побољшаних филтера за маске за решавање ових проблема са отпадом и истовремено хватање ПМ на задовољавајући и моћан начин важна тренутна потреба.
Да бисмо решили горе наведене проблеме, произвели смо Јанус мембрански филтер интегрисан са простиркама од микровлакана и нановлакна на бази поли(бутилен сукцината) (на бази ПБС)[5].Јанус мембрански филтер је обложен хитозанским нано брковима (ЦсВс) [5] (Слика 1б).Као што сви знамо, ПБС је репрезентативан биоразградиви полимер, који може да произведе неткане тканине од ултрафиних влакана и нановлакна путем електропредења.Нано-влакна физички хватају ПМ, док нано-влакна у микро-размери смањују пад притиска и делују као ЦсВ оквир.Хитозан је материјал на биолошкој бази за који је доказано да има добра биолошка својства, укључујући биокомпатибилност, биоразградивост и релативно ниску токсичност, [5] што може смањити анксиозност повезану са случајним удисањем корисника.[5] Поред тога, хитозан има катјонска места и поларне амидне групе.[5] Чак и под влажним условима, може да привуче поларне ултрафине честице (као што су СО42- и НО3-).
Овде извештавамо о биоразградивом, високоефикасном, отпорном на влагу и филтеру за маску ниског притиска заснованом на лако доступним биоразградивим материјалима.Због комбинације физичког просејавања и електростатичке адсорпције, интегрисани филтер од микровлакана/нановлакна обложен ЦсВ има високу ефикасност уклањања ПМ2,5 (до 98%), а у исто време, максимални пад притиска на најдебљем филтеру је само је 59 Па, погодно за људско дисање.У поређењу са значајном деградацијом перформанси коју показује Н95 комерцијални филтер, овај филтер показује занемарљив губитак ефикасности уклањања ПМ (<1%) чак и када је потпуно мокар, због сталног ЦсВ пуњења.Поред тога, наши филтери су потпуно биоразградиви у компостираном земљишту у року од 4 недеље.У поређењу са другим студијама са сличним концептима, у којима је део филтера састављен од биоразградивих материјала, или показује ограничене перформансе у потенцијалним апликацијама нетканог биополимера, [6] овај филтер директно показује биоразградљивост напредних карактеристика (филм С1, пратеће информације).
Као компонента Јанус мембранског филтера, прво су припремљене простирке од нановлакна и суперфиних влакана ПБС.Због тога су 11% и 12% раствори ПБС електроспреновани да би се произвела нанометарска и микрометарска влакна, респективно, због њихове разлике у вискозности.[7] Детаљне информације о карактеристикама решења и оптималним условима електроспиновања су наведене у табелама С1 и С2, у пратећим информацијама.Пошто предено влакно још увек садржи заостали растварач, додатно купатило за коагулацију воде се додаје типичном уређају за електропредење, као што је приказано на слици 2а.Поред тога, водено купатило такође може да користи оквир за сакупљање коагулисане чисте ПБС влакнасте простирке, која се разликује од чврсте матрице у традиционалном окружењу (слика 2б).[7] Просечни пречници влакана простирки од микровлакана и нановлакна су 2,25 и 0,51 µм, респективно, а просечни пречници пора су 13,1 и 3,5 µм, респективно (Слика 2ц, д).Како растварач хлороформ/етанол 9:1 брзо испарава након што се испусти из млазнице, разлика у вискозности између 11 и 12 теж% раствора се брзо повећава (слика С1, пратеће информације).[7] Стога, разлика у концентрацији од само 1 теж% може изазвати значајну промену у пречнику влакана.
Пре провере перформанси филтера (слика С2, пратеће информације), како би се разумно упоредили различити филтери, произведени су електропредени неткани материјали стандардне дебљине, јер је дебљина важан фактор који утиче на разлику притиска и ефикасност филтрације перформанси филтера.Пошто су неткани материјали мекани и порозни, тешко је директно одредити дебљину електропредених нетканих материјала.Дебљина тканине је углавном пропорционална површинској густини (тежина по јединици површине, основна тежина).Стога, у овој студији користимо основну тежину (гм-2) као ефективну меру дебљине.[8] Дебљина се контролише променом времена електропредења, као што је приказано на слици 2е.Како се време центрифуге повећава са 1 минута на 10 минута, дебљина подлоге од микровлакана се повећава на 0,2, 2,0, 5,2 и 9,1 гм-2, респективно.На исти начин, дебљина простирке од нановлакна је повећана на 0,2, 1,0, 2,5 и 4,8 гм-2, респективно.Отирачи од микровлакана и нановлакна су означени вредностима дебљине (гм-2) као: М0.2, М2.0, М5.2 и М9.1, и Н0.2, Н1.0, Н2.5 и Н4. 8.
Разлика ваздушног притиска (ΔП) целог узорка је важан показатељ перформанси филтера.[9] Дисање кроз филтер са високим падом притиска је непријатно за корисника.Наравно, примећује се да се пад притиска повећава како се дебљина филтера повећава, као што је приказано на слици С3, пратећа информација.Подлога од нановлакна (Н4.8) показује већи пад притиска од простирке од микровлакана (М5.2) при упоредивој дебљини јер простирка од нановлакна има мање поре.Како ваздух пролази кроз филтер брзином између 0,5 и 13,2 мс-1, пад притиска два различита типа филтера се постепено повећава са 101 Па на 102 Па. Дебљину треба оптимизовати да би се уравнотежио пад притиска и уклањање честица. ефикасност;брзина ваздуха од 1,0 мс-1 је разумна јер је време које је потребно људима да удахну кроз уста око 1,3 мс-1.[10] У том погледу, пад притиска М5.2 и Н4.8 је прихватљив при брзини ваздуха од 1,0 мс-1 (мање од 50 Па) (слика С4, пратеће информације).Имајте на уму да је пад притиска Н95 и сличних корејских филтерских стандардних маски (КФ94) 50 до 70 Па, респективно.Даља ЦсВ обрада и интеграција микро/нано филтера могу повећати отпор ваздуха;стога, да бисмо обезбедили маргину пада притиска, анализирали смо Н2.5 и М2.0 пре анализе М5.2 и Н4.8.
При циљној брзини ваздуха од 1,0 мс-1, проучавана је ефикасност уклањања ПМ1,0, ПМ2,5 и ПМ10 простирки од ПБС микровлакана и нановлакна без статичког набоја (Слика С5, пратеће информације).Примећено је да се ефикасност уклањања ПМ генерално повећава са повећањем дебљине и величине ПМ.Ефикасност уклањања Н2.5 је боља од М2.0 због мањих пора.Ефикасност уклањања М2.0 за ПМ1.0, ПМ2.5 и ПМ10 износила је 55,5%, 64,6% и 78,8%, респективно, док су сличне вредности Н2,5 биле 71,9%, 80,1% и 89,6% (Слика 2ф).Приметили смо да је највећа разлика у ефикасности између М2.0 и Н2.5 ПМ1.0, што указује да је физичко просејавање мреже од микровлакана ефикасно за ПМ на микронском нивоу, али није ефикасно за ПМ нано нивоу (Слика С6, пратеће информације)., М2.0 и Н2.5 показују ниску способност хватања ПМ-а мању од 90%.Поред тога, Н2.5 може бити подложнији прашини од М2.0, јер честице прашине могу лако блокирати мање поре Н2.5.У одсуству статичког набоја, физичко просејавање је ограничено у својој способности да постигне потребан пад притиска и ефикасност уклањања у исто време због компромисног односа између њих.
Електростатичка адсорпција је најчешће коришћена метода за хватање ПМ на ефикасан начин.[11] Генерално, статичко наелектрисање се насилно примењује на неткани филтер кроз електрично поље високе енергије;међутим, овај статички набој се лако распршује у влажним условима, што доводи до губитка способности хватања ПМ.[4] Као материјал на биолошкој бази за електростатичку филтрацију, увели смо ЦсВ дужине 200 нм и ширине 40 нм;због својих амонијумских група и поларних амидних група, ови нанобркови садрже трајна катјонска наелектрисања.Расположиво позитивно наелектрисање на површини ЦсВ представљено је његовим зета потенцијалом (ЗП);ЦсВ је диспергован у води са пХ од 4,8, а утврђено је да је њихов ЗП +49,8 мВ (Слика С7, пратеће информације).
ПБС микровлакна (ЦхМс) и нановлакна (ЦхНс) обложена ЦсВ припремљена су једноставним потапањем у 0,2 теж% ЦсВ водене дисперзије, што је одговарајућа концентрација за причвршћивање максималне количине ЦсВс на површину ПБС влакана, као што је приказано у слика Приказана на слици 3а и слици С8, пратеће информације.Слика рендгенске спектроскопије дисперзивне енергије азота (ЕДС) показује да је површина ПБС влакна равномерно обложена честицама ЦсВ, што је такође видљиво на слици скенирајућег електронског микроскопа (СЕМ) (Слика 3б; Слика С9, пратеће информације) .Поред тога, овај метод премаза омогућава наелектрисаним наноматеријалима да фино омотају површину влакана, чиме се максимизира способност електростатичког уклањања ПМ (Слика С10, пратеће информације).
Проучавана је ефикасност уклањања ПМ ЦхМ и ЦхН (Слика 3ц).М2.0 и Н2.5 су обложени ЦсВ да би се произвео ЦхМ2.0 и ЦхН2.5, респективно.Ефикасност уклањања ЦхМ2.0 за ПМ1.0, ПМ2.5 и ПМ10 износила је 70.1%, 78.8% и 86.3%, респективно, док су сличне вредности ЦхН2.5 биле 77.0%, 87.7% и 94.6% респективно.ЦсВ премаз у великој мери побољшава ефикасност уклањања М2.0 и Н2.5, а ефекат примећен за нешто мање ПМ је значајнији.Конкретно, хитозански нанобркови повећали су ефикасност уклањања М2.0 ПМ0.5 и ПМ1.0 за 15% и 13%, респективно (Слика С11, пратеће информације).Иако је М2.0 тешко искључити мањи ПМ1.0 због његовог релативно широког размака између фибрила (слика 2ц), ЦхМ2.0 адсорбује ПМ1.0 јер катјони и амиди у ЦсВ пролазе кроз јон-јон, спајајући пол-јонску интеракцију , и дипол-дипол интеракција са прашином.Због ЦсВ премаза, ефикасност уклањања ПМ код ЦхМ2.0 и ЦхН2.5 је висока као и код дебљих М5.2 и Н4.8 (Табела С3, пратеће информације).
Занимљиво, иако је ефикасност уклањања ПМ-а знатно побољшана, ЦсВ премаз готово да не утиче на пад притиска.Пад притиска ЦхМ2.0 и ЦхН2.5 се незнатно повећао на 15 и 23 Па, скоро упола мање од повећања уоченог за М5.2 и Н4.8 (Слика 3д; Табела С3, пратеће информације).Према томе, премазивање са материјалима на бази биологије је погодна метода за испуњавање захтева за перформансама два основна филтера;односно ефикасност уклањања ПМ и разлика ваздушног притиска који се међусобно искључују.Међутим, ефикасност уклањања ПМ1.0 и ПМ2.5 за ЦхМ2.0 и ЦхН2.5 је нижа од 90%;очигледно, овај учинак треба побољшати.
Интегрисани систем филтрације састављен од више мембрана са постепеним променама пречника влакана и величине пора може решити горе наведене проблеме [12].Интегрисани филтер за ваздух има предности два различита нановлакна и мреже од суперфиних влакана.У том смислу, ЦхМ и ЦхН су једноставно сложени да би се произвели интегрисани филтери (Инт-МН).На пример, Инт-МН4.5 се припрема коришћењем ЦхМ2.0 и ЦхН2.5, а његове перформансе се пореде са ЦхН4.8 и ЦхМ5.2 који имају сличну површинску густину (тј. дебљину).У експерименту ефикасности уклањања ПМ, страна ултрафиних влакана Инт-МН4.5 била је изложена у прашњавој просторији јер је страна ултрафиних влакана била отпорнија на зачепљење од стране нановлакна.Као што је приказано на слици 4а, Инт-МН4.5 показује бољу ефикасност уклањања ПМ и разлику притиска од два једнокомпонентна филтера, са падом притиска од 37 Па, што је слично ЦхМ5.2 и много ниже од ЦхМ5.2 ЦхН4.8. Поред тога, ефикасност уклањања ПМ1.0 Инт-МН4.5 је 91% (Слика 4б).С друге стране, ЦхМ5.2 није показао тако високу ефикасност уклањања ПМ1.0 јер су његове поре веће од пора Инт-МН4.5.
Време поста: 03.11.2021
