Biologicky odbouratelný, účinný a prodyšný víceúčelový maskový filtr-Choi-2021-Advanced Science

Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korejská republika
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Korejská republika
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Korejská republika
Pomocí níže uvedeného odkazu můžete sdílet plnou textovou verzi tohoto článku se svými přáteli a kolegy. dozvědět se více.
Kvůli pandemii koronaviru a problémům souvisejícím s částicemi (PM) v ovzduší poptávka po maskách exponenciálně vzrostla. Tradiční maskové filtry založené na statické elektřině a nano sítu jsou však všechny jednorázové, nerozložitelné nebo recyklovatelné, což způsobí vážné problémy s odpadem. Navíc první ztratí svou funkci ve vlhkých podmínkách, zatímco druhý bude pracovat s výrazným poklesem tlaku vzduchu a dojde k poměrně rychlému ucpání pórů. Zde byl vyvinut biologicky odbouratelný, vlhkosti odolný, vysoce prodyšný, vysoce výkonný filtr masky z vláken. Stručně řečeno, dvě biologicky odbouratelná ultrajemná vlákna a nanovlákenné rohože jsou integrovány do membránového filtru Janus a poté potaženy kationtově nabitými chitosanovými nanovlákny. Tento filtr je stejně účinný jako komerční filtr N95 a dokáže odstranit 98,3 % 2,5 µm PM. Nanovlákna fyzicky třídí jemné částice a ultrajemná vlákna poskytují nízký tlakový rozdíl 59 Pa, což je vhodné pro lidské dýchání. Na rozdíl od prudkého poklesu výkonu komerčních filtrů N95 při vystavení vlhkosti je ztráta výkonu tohoto filtru zanedbatelná, takže jej lze použít vícekrát, protože permanentní dipól chitosanu adsorbuje ultrajemné PM (například dusík). a oxidy síry). Je důležité, aby se tento filtr v kompostované půdě do 4 týdnů zcela rozložil.
Současná bezprecedentní pandemie koronaviru (COVID-19) vyvolává obrovskou poptávku po maskách. [1] Světová zdravotnická organizace (WHO) odhaduje, že tento rok je každý měsíc potřeba 89 milionů lékařských roušek. [1] Nejenže zdravotníci potřebují vysoce účinné masky N95, ale univerzální masky pro všechny jednotlivce se také staly nepostradatelným každodenním vybavením pro prevenci tohoto respiračního infekčního onemocnění. [1] Kromě toho příslušná ministerstva důrazně doporučují používání jednorázových roušek každý den, [1] to vedlo k ekologickým problémům souvisejícím s velkým množstvím odpadu z roušek.
Vzhledem k tomu, že částice (PM) jsou v současnosti nejproblematičtějším problémem znečištění ovzduší, masky se staly nejúčinnějším protiopatřením dostupným pro jednotlivce. PM se dělí na PM2,5 a PM10 podle velikosti částic (2,5 resp. 10μm), což různými způsoby vážně ovlivňuje přírodní prostředí [2] a kvalitu lidského života. [2] Každý rok způsobí PM 4,2 milionu úmrtí a 103,1 milionu let života přizpůsobených zdravotnímu postižení. [2] PM2,5 představuje zvláště závažnou hrozbu pro zdraví a je oficiálně označen jako karcinogen skupiny I. [2] Proto je včasné a důležité zkoumat a vyvinout účinný maskový filtr z hlediska propustnosti vzduchu a odstraňování PM. [3]
Obecně řečeno, tradiční vláknové filtry zachycují PM dvěma různými způsoby: fyzickým proséváním na bázi nanovláken a elektrostatickou adsorpcí na bázi mikrovláken (obrázek 1a). Použití filtrů na bázi nanovláken, zejména elektrospřádaných nanovlákenných rohoží, se ukázalo jako účinná strategie k odstranění PM, což je výsledkem rozsáhlé dostupnosti materiálu a kontrolovatelné struktury produktu. [3] Rohož z nanovláken dokáže odstranit částice cílové velikosti, což je způsobeno rozdílem velikosti částic a pórů. [3] Nanovlákna však musí být hustě naskládána, aby vytvořila extrémně malé póry, které jsou škodlivé pro pohodlné lidské dýchání kvůli souvisejícímu vysokému tlakovému rozdílu. Kromě toho budou malé otvory nevyhnutelně poměrně rychle zablokovány.
Na druhé straně je tavenina foukaná ultrajemná vláknitá rohož elektrostaticky nabíjena vysokoenergetickým elektrickým polem a velmi malé částice jsou zachycovány elektrostatickou adsorpcí. [4] Jako reprezentativní příklad, respirátor N95 je respirátor s obličejovou maskou filtrující částice, který splňuje požadavky Národního ústavu bezpečnosti a ochrany zdraví při práci, protože dokáže odfiltrovat nejméně 95 % částic ve vzduchu. Tento typ filtru absorbuje ultrajemné PM, které se obvykle skládají z aniontových látek, jako je SO42− a NO3−, prostřednictvím silné elektrostatické přitažlivosti. Statický náboj na povrchu vláknité rohože se však snadno rozptýlí ve vlhkém prostředí, jaké se nachází při vlhkém lidském dýchání [4], což má za následek snížení adsorpční kapacity.
Za účelem dalšího zlepšení filtračního výkonu nebo vyřešení kompromisu mezi účinností odstraňování a tlakovou ztrátou se filtry na bázi nanovláken a mikrovláken kombinují s materiály s vysokým obsahem k, jako jsou uhlíkové materiály, kovové organické konstrukce a nanočástice PTFE. [4] Nejistá biologická toxicita a rozptyl náboje těchto přísad jsou však stále nevyhnutelnými problémy. [4] Zejména tyto dva typy tradičních filtrů jsou obvykle nerozložitelné, takže budou nakonec po použití pohřbeny na skládkách nebo spáleny. Proto je důležitou současnou potřebou vývoj vylepšených maskových filtrů, které by vyřešily tyto problémy s odpadem a současně zachytily PM uspokojivým a výkonným způsobem.
Abychom vyřešili výše uvedené problémy, vyrobili jsme membránový filtr Janus integrovaný s rohožemi z mikrovlákna a nanovláken na bázi poly(butylen sukcinátu) (na bázi PBS)[5]. Membránový filtr Janus je potažen chitosanovými nano whiskery (CsWs) [5] (obrázek 1b). Jak všichni víme, PBS je reprezentativní biologicky odbouratelný polymer, který může produkovat ultrajemná vlákna a nanovlákenné netkané textilie pomocí elektrostatického zvlákňování. Nanovlákna fyzicky zachycují PM, zatímco mikrovlákna nanovlákna snižují tlakovou ztrátu a fungují jako CsW framework. Chitosan je materiál na biologické bázi, u kterého bylo prokázáno, že má dobré biologické vlastnosti, včetně biokompatibility, biologické rozložitelnosti a relativně nízké toxicity, [5] což může snížit úzkost spojenou s náhodnou inhalací uživatelů. [5] Kromě toho má chitosan kationtová místa a polární amidové skupiny. [5] I ve vlhkých podmínkách může přitahovat polární ultrajemné částice (jako SO42- a NO3-).
Zde uvádíme biologicky odbouratelný, vysoce účinný, vlhkosti odolný a nízkotlaký filtr masky na kapky na bázi snadno dostupných biologicky odbouratelných materiálů. Díky kombinaci fyzikálního prosévání a elektrostatické adsorpce má integrovaný filtr z mikrovlákna/nanovlákna s povlakem CsW vysokou účinnost odstraňování PM2,5 (až 98 %) a zároveň maximální tlakovou ztrátu na nejtlustším filtru je pouze Je to 59 Pa, vhodné pro lidské dýchání. Ve srovnání s významnou degradací výkonu, kterou vykazuje komerční filtr N95, vykazuje tento filtr zanedbatelnou ztrátu účinnosti odstraňování PM (<1 %), i když je zcela mokrý, v důsledku permanentního náboje CsW. Naše filtry jsou navíc zcela biologicky rozložitelné v kompostované půdě do 4 týdnů. Ve srovnání s jinými studiemi s podobnými koncepcemi, ve kterých je filtrační část složena z biologicky odbouratelných materiálů nebo vykazuje omezený výkon v potenciálních aplikacích biopolymerních netkaných textilií, [6] tento filtr přímo ukazuje biologickou odbouratelnost pokročilých funkcí (film S1, podpůrné informace).
Jako součást membránového filtru Janus byly nejprve připraveny rohože PBS z nanovláken a superjemných vláken. Proto byly 11% a 12% roztoky PBS elektrostaticky zvlákňovány za vzniku nanometrových a mikrometrických vláken, v daném pořadí, kvůli jejich rozdílu ve viskozitě. [7] Podrobné informace o charakteristikách řešení a optimálních podmínkách elektrostatického zvlákňování jsou uvedeny v tabulkách S1 a S2 v podpůrných informacích. Protože takto zvlákňované vlákno stále obsahuje zbytkové rozpouštědlo, přidává se do typického zařízení pro elektrostatické zvlákňování přídavná vodní koagulační lázeň, jak je znázorněno na obrázku 2a. Kromě toho může vodní lázeň také používat rám ke sběru koagulované čisté vláknité rohože PBS, která se liší od pevné matrice v tradičním nastavení (obrázek 2b). [7] Průměrné průměry vláken rohoží z mikrovláken a nanovláken jsou 2,25 a 0,51 µm a střední průměry pórů jsou 13,1 a 3,5 µm (obrázek 2c, d). Vzhledem k tomu, že se rozpouštědlo chloroform/ethanol 9:1 po uvolnění z trysky rychle odpařuje, rozdíl viskozity mezi roztoky o koncentraci 11 a 12 % hmotn. se rychle zvyšuje (obrázek S1, podpůrné informace). [7] Proto rozdíl koncentrací pouze 1 % hm. může způsobit významnou změnu průměru vlákna.
Před kontrolou výkonu filtru (obrázek S2, podpůrné informace), aby bylo možné přiměřeně porovnat různé filtry, byly vyrobeny elektricky zvlákňované netkané textilie standardní tloušťky, protože tloušťka je důležitým faktorem, který ovlivňuje rozdíl tlaků a účinnost filtrace výkonu filtru. Protože netkané textilie jsou měkké a porézní, je obtížné přímo určit tloušťku elektricky zvlákňovaných netkaných textilií. Tloušťka tkaniny je obecně úměrná hustotě povrchu (hmotnost na jednotku plochy, plošná hmotnost). Proto v této studii používáme plošnou hmotnost (gm-2) jako efektivní měřítko tloušťky. [8] Tloušťka se řídí změnou doby elektrostatického zvlákňování, jak je znázorněno na obrázku 2e. Jak se doba odstřeďování prodlužuje z 1 minuty na 10 minut, tloušťka rohože z mikrovlákna se zvyšuje na 0,2, 2,0, 5,2 a 9,1 gm-2. Stejným způsobem byla tloušťka nanovlákenné rohože zvýšena na 0,2, 1,0, 2,5 a 4,8 gm-2. Rohože z mikrovláken a nanovláken se označují svými hodnotami tloušťky (gm-2) jako: M0,2, M2,0, M5,2 a M9,1 a N0,2, N1,0, N2,5 a N4. 8.
Rozdíl tlaku vzduchu (ΔP) celého vzorku je důležitým ukazatelem výkonu filtru. [9] Dýchání přes filtr s vysokou tlakovou ztrátou je pro uživatele nepříjemné. Přirozeně je pozorováno, že pokles tlaku se zvyšuje s rostoucí tloušťkou filtru, jak je znázorněno na obrázku S3, podpůrné informace. Rohož z nanovláken (N4.8) vykazuje vyšší tlakovou ztrátu než rohož z mikrovlákna (M5.2) při srovnatelné tloušťce, protože rohož z nanovláken má menší póry. Jak vzduch prochází filtrem rychlostí mezi 0,5 a 13,2 ms-1, tlaková ztráta dvou různých typů filtrů se postupně zvyšuje ze 101 Pa na 102 Pa. Tloušťka by měla být optimalizována tak, aby vyrovnala pokles tlaku a odstranění PM účinnost; rychlost vzduchu 1,0 ms-1 je rozumná, protože doba, kterou člověk potřebuje k dýchání ústy, je asi 1,3 ms-1. [10] V tomto ohledu je pokles tlaku M5.2 a N4.8 přijatelný při rychlosti vzduchu 1,0 ms-1 (méně než 50 Pa) (obrázek S4, podpůrné informace). Vezměte prosím na vědomí, že tlaková ztráta masky N95 a podobných korejských standardních filtračních masek (KF94) je 50 až 70 Pa. Další zpracování CsW a integrace mikro/nano filtru může zvýšit odpor vzduchu; proto, abychom zajistili rezervu poklesu tlaku, analyzovali jsme N2.5 a M2.0 před analýzou M5.2 a N4.8.
Při cílové rychlosti vzduchu 1,0 ms-1 byla studována účinnost odstraňování PM1,0, PM2,5 a PM10 mikrovláknových a nanovlákenných rohoží PBS bez statického náboje (obrázek S5, podpůrné informace). Bylo pozorováno, že účinnost odstraňování PM se obecně zvyšuje s rostoucí tloušťkou a velikostí PM. Účinnost odstraňování N2,5 je lepší než u M2,0 díky jeho menším pórům. Účinnost odstraňování M2.0 pro PM1.0, PM2.5 a PM10 byla 55,5 %, 64,6 % a 78,8 %, zatímco podobné hodnoty N2,5 byly 71,9 %, 80,1 % a 89,6 % (obr. 2f). Všimli jsme si, že největší rozdíl v účinnosti mezi M2.0 a N2.5 je PM1.0, což naznačuje, že fyzické prosévání mikrovláknové sítě je účinné pro PM na úrovni mikronů, ale není účinné pro PM na nanoúrovni (obr. S6, podpůrné informace). , M2.0 a N2.5 oba vykazují nízkou schopnost zachycování PM nižší než 90 %. Kromě toho může být N2.5 náchylnější k prachu než M2.0, protože prachové částice mohou snadno zablokovat menší póry N2.5. V nepřítomnosti statického náboje je fyzikální prosévání omezeno ve své schopnosti dosáhnout požadovaného poklesu tlaku a účinnosti odstraňování ve stejnou dobu kvůli vzájemnému kompromisu mezi nimi.
Elektrostatická adsorpce je nejrozšířenější metodou pro efektivní zachycení PM. [11] Obecně je statický náboj násilně aplikován na netkaný filtr prostřednictvím elektrického pole s vysokou energií; tento statický náboj se však ve vlhkých podmínkách snadno rozptýlí, což vede ke ztrátě schopnosti zachytit částice. [4] Jako biologický materiál pro elektrostatickou filtraci jsme zavedli CsW o délce 200 nm a šířce 40 nm; díky svým amoniovým skupinám a polárním amidovým skupinám obsahují tyto nanovláknové struktury permanentní kationtové náboje. Dostupný kladný náboj na povrchu CsW je reprezentován jeho zeta potenciálem (ZP); CsW je dispergován ve vodě o pH 4,8 a jejich ZP je +49,8 mV (obrázek S7, podpůrné informace).
CsW potažená PBS mikrovlákna (ChMs) a nanovlákna (ChNs) byla připravena jednoduchým máčením v 0,2 hm% CsW vodní disperzi, což je vhodná koncentrace pro připojení maximálního množství CsW k povrchu PBS vláken, jak je znázorněno na obrázku obrázek Zobrazený na obrázku 3a a obrázku S8, podpůrné informace. Snímek rentgenové spektroskopie s disperzní energií dusíku (EDS) ukazuje, že povrch vlákna PBS je rovnoměrně potažen částicemi CsW, což je také patrné na snímku ze skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) (obrázek 3b; obrázek S9, podpůrné informace) . Tato metoda potahování navíc umožňuje nabitým nanomateriálům jemně obalit povrch vlákna, čímž se maximalizuje schopnost elektrostatického odstraňování PM (obrázek S10, podpůrné informace).
Byla studována účinnost odstraňování PM ChM a ChN (obrázek 3c). M2.0 a N2.5 byly potaženy CsW za vzniku ChM2.0 a ChN2.5, v daném pořadí. Účinnost odstranění ChM2.0 pro PM1.0, PM2.5 a PM10 byla 70,1 %, 78,8 % a 86,3 %, zatímco podobné hodnoty ChN2,5 byly 77,0 %, 87,7 % a 94,6 %. Povlak CsW výrazně zlepšuje účinnost odstraňování M2.0 a N2.5 a účinek pozorovaný u mírně menších PM je významnější. Konkrétně chitosanové nanovlákna zvýšily účinnost odstraňování M2.0 PM0.5 a PM1.0 o 15 % a 13 % (obrázek S11, podpůrné informace). Ačkoli je pro M2.0 obtížné vyloučit menší PM1.0 kvůli jeho relativně širokému rozestupu fibril (obrázek 2c), ChM2.0 adsorbuje PM1.0, protože kationty a amidy v CsW procházejí iontově-iontovou interakcí pól-iont a interakce dipól-dipól s prachem. Díky povlaku CsW je účinnost odstraňování PM u ChM2.0 a ChN2.5 stejně vysoká jako u silnějších M5.2 a N4.8 (tabulka S3, podpůrné informace).
Je zajímavé, že ačkoliv se účinnost odstraňování částic výrazně zlepšila, povlak CsW téměř neovlivňuje pokles tlaku. Pokles tlaku ChM2.0 a ChN2.5 se mírně zvýšil na 15 a 23 Pa, což je téměř polovina zvýšení pozorovaného u M5.2 a N4.8 (obrázek 3d; tabulka S3, podpůrné informace). Potahování biologickými materiály je proto vhodnou metodou pro splnění požadavků na výkon dvou základních filtrů; tj. účinnost odstraňování PM a rozdíl tlaku vzduchu, které se vzájemně vylučují. Nicméně účinnost odstraňování PM1.0 a PM2.5 ChM2.0 a ChN2.5 jsou obě nižší než 90 %; tento výkon je samozřejmě potřeba zlepšit.
Výše uvedené problémy může vyřešit integrovaný filtrační systém složený z více membrán s postupně se měnícími průměry vláken a velikostí pórů [12]. Integrovaný vzduchový filtr má výhody dvou různých nanovláken a superjemných vlákenných sítí. V tomto ohledu jsou ChM a ChN jednoduše naskládány, aby vytvořily integrované filtry (Int-MN). Například Int-MN4.5 je připraven s použitím ChM2.0 a ChN2.5 a jeho výkon je porovnáván s ChN4.8 a ChM5.2, které mají podobné plošné hustoty (tj. tloušťku). V experimentu účinnosti odstraňování PM byla strana s ultrajemnými vlákny Int-MN4.5 vystavena v prašné místnosti, protože strana s ultrajemnými vlákny byla odolnější vůči zanášení než strana nanovláken. Jak je znázorněno na obrázku 4a, Int-MN4.5 vykazuje lepší účinnost odstraňování PM a tlakový rozdíl než dva jednosložkové filtry, s tlakovou ztrátou 37 Pa, což je podobné ChM5.2 a mnohem nižší než ChM5.2 ChN4. 8. Kromě toho je účinnost odstraňování PM1.0 u Int-MN4.5 91 % (obrázek 4b). Na druhou stranu ChM5.2 nevykazoval tak vysokou účinnost odstraňování PM1.0, protože jeho póry jsou větší než póry Int-MN4.5.


Čas odeslání: List-03-2021