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大氣顆粒物（PM）已被公認(rèn)為會(huì)對(duì)全球環(huán)境造成重大危害，以及對(duì)人類健康和制造業(yè)都有不利影響。纖維過(guò)濾器.html'>過(guò)濾器已被廣泛用于確保室內(nèi)空氣質(zhì)量，但在過(guò)濾效率和空氣阻力之間存在權(quán)衡問(wèn)題。靜電輔助駐極體過(guò)濾器是解決這一問(wèn)題的一個(gè)很有前景的方法，但該過(guò)濾器依然存在過(guò)濾效率低、機(jī)械性能差、空氣風(fēng)阻大等問(wèn)題。作者等用生物質(zhì)蠶絲衍生物改性聚酯纖維膜，調(diào)控纖維膜表界面靜電介導(dǎo)性能，開發(fā)了一種高效的空氣濾膜材料。

內(nèi)容介紹

環(huán)境顆粒物（PM）是一類微小的固體和液體顆粒，可以在空氣中懸浮相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間。眾所周知，接觸PM會(huì)導(dǎo)致健康問(wèn)題，包括各種呼吸道和心血管疾病，甚至神經(jīng)系統(tǒng)疾病。隨著PM直徑的減小，它可以進(jìn)一步滲透到呼吸道。例如，直徑小于2.5 μm的PM（即PM2.5）可以深入細(xì)支氣管和肺泡，引發(fā)急性和慢性呼吸道和心血管疾病。與較大的PM相比，較小的PM的較大的表面積與體積比也使它們能夠更有效地在空氣中攜帶有毒物質(zhì)（例如重金屬、微生物等）更長(zhǎng)的時(shí)間和行進(jìn)距離。直徑為100 μm的PM通常需要4-9小時(shí)才能落地，而1 μm的顆粒需要19-98天，0.4 μm的粒子需要120-140天。

2019年，全球92%的人口生活在PM2.5濃度超過(guò)世界衛(wèi)生組織10微克每立方米的指導(dǎo)水平的地區(qū)。由于大多數(shù)人一生中80%以上的時(shí)間都在室內(nèi)度過(guò)，室內(nèi)空氣過(guò)濾可以成為一種有效的權(quán)宜之計(jì)。室內(nèi)去除PM最常見的技術(shù)是纖維膜過(guò)濾，其中PM被纖維捕獲，同時(shí)讓清潔空氣通過(guò)。為了確保微米大小的PM具有高過(guò)濾效率，這些纖維需要緊密連接，這不可避免地增加了纖維膜的空氣阻力。這種增加的空氣阻力導(dǎo)致空氣過(guò)濾器的能量需求更高，同時(shí)降低其空氣流量。然而，強(qiáng)制空氣流也可能降低過(guò)濾器的效率并提供操作成本。

靜電輔助駐極體過(guò)濾器已被提出用于在不犧牲空氣流的情況下提高過(guò)濾效率。該設(shè)計(jì)策略使用庫(kù)侖力通過(guò)介電纖維膜產(chǎn)生電場(chǎng)來(lái)增加帶電PM的去除，幾種現(xiàn)有的靜電輔助駐極體過(guò)濾器已證明對(duì)各種空氣污染物具有良好的性能。雖然通過(guò)更高的氣流可以獲得更高的凈化通量，但增加的氣流會(huì)對(duì)纖維膜施加更大的風(fēng)壓，這可能導(dǎo)致過(guò)濾器變形甚至結(jié)構(gòu)坍塌。提高過(guò)濾效率和最大限度地減少空氣阻力的一種方法是使用靜電響應(yīng)纖維膜，該纖維膜可以提供相同通量的過(guò)濾效果，并具有大的氣隙，因此對(duì)空氣的阻力較小。

在這項(xiàng)工作中，作者提取了蠶絲衍生的絲素納米纖維作為表面添加劑，通過(guò)涂層工藝對(duì)聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維處理，制備了絲素納米纖維改性聚酯纖維膜(SNF@PET)（圖1）。通過(guò)探討SNF含量對(duì)PET纖維膜微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的調(diào)節(jié)作用，研究了SNF對(duì)纖維膜結(jié)構(gòu)抗風(fēng)壓穩(wěn)定性的影響。

圖文解析

圖1. 蠶絲納米纖維的材料結(jié)構(gòu)及其修飾PET纖維膜的工藝。(A)蠶絲納米纖維的材料結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成示意圖。(B)蠶絲納米纖維改性PET纖維膜的加工。

靜電輔助空氣過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用靜電輔助空氣過(guò)濾系統(tǒng)評(píng)估了SNF@PET纖維膜去除PM的性能，如圖2所示。該系統(tǒng)主要由空氣供應(yīng)系統(tǒng)、顆粒產(chǎn)生系統(tǒng)、顆粒充電系統(tǒng)、過(guò)濾器充電系統(tǒng)和信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成。經(jīng)過(guò)高效顆?？諝膺^(guò)濾器（HEPA）凈化后的空氣由供氣系統(tǒng)吸入，首先通過(guò)流量穩(wěn)定板將空氣送入風(fēng)道。同時(shí)，顆粒產(chǎn)生系統(tǒng)將測(cè)試污染物霧化和除濕，并以可控的方式噴射入管道。氣流驅(qū)動(dòng)污染物通過(guò)由一個(gè)鎢尖和兩個(gè)不銹鋼環(huán)組成的直流電暈放電場(chǎng)，以7 kV的放電電壓給顆粒充電。SNF@PET纖維膜被放置在一個(gè)由兩個(gè)銅網(wǎng)組成的過(guò)濾器充電系統(tǒng)中，一個(gè)在DC 18 kV處充電，另一個(gè)接地。在電極化場(chǎng)中，帶電粒子由氣流驅(qū)動(dòng)向SNF@PET纖維膜移動(dòng)，并被SNF@PET纖維膜捕獲。最后，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量纖維膜上、下游的顆粒數(shù)量、通過(guò)纖維膜的氣流壓降（即空氣阻力），以及風(fēng)管內(nèi)的溫度和濕度等信息。

圖2. 顆粒過(guò)濾性能試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。

空氣凈化性能分析

圖3比較了SNF@PET纖維膜去除 PM 的性能?？紫堵蕿?98.4% 的PET纖維膜在直接過(guò)濾的情況下對(duì) PM0.3-0.5的過(guò)濾效率僅為 1.3%，而且在 0.1 m/s的風(fēng)速下空氣阻力也很低，僅為 3.4 Pa。經(jīng)過(guò)2wt% SNF改性后，過(guò)濾效率顯著提高到 9.4%，與PET過(guò)濾器相比提高了 623%（圖3a）。SNF的處理能有效改善PET纖維的表面粗糙度，增加纖維膜表面的活性面積，有利于提高可吸入顆粒物的附著能力。因此，與PET過(guò)濾器相比，SNF@PET過(guò)濾器的直接過(guò)濾效率明顯更高。當(dāng)SNF處理含量增加到 6wt% 時(shí)，SNF@PET過(guò)濾器的過(guò)濾效率略有下降。這種現(xiàn)象可歸因于纖維表面形成的SNF聚合物封閉了纖維間的間隙，減少了可吸入顆粒物的附著表面積。與直接過(guò)濾相比，靜電驅(qū)動(dòng)過(guò)濾顯著提高了PM0.3-0.5的過(guò)濾效率，從 1.3% 提高到 97.9%。靜電場(chǎng)促使帶電的PM加速飛向極化纖維并被其捕獲。經(jīng)過(guò) SNF 處理后，靜電過(guò)濾效率進(jìn)一步提高到 99.7%。SNF是一種生物基駐極體材料，具有相對(duì)較高的偶極矩（3.5 D）。SNF 分子鏈可以自組裝成無(wú)定形的軟段和高度有序的結(jié)晶硬段，其中軟段區(qū)域具有較大的自由體積，為偶極子運(yùn)動(dòng)提供了空間。相反，硬段有利于提高擊穿強(qiáng)度。對(duì) PET 纖維進(jìn)行 SNF 處理可有效提高其介電性能，這在靜電場(chǎng)建模中可以直觀地看到。如圖4所示，在空氣中的兩個(gè)平板電極之間隨機(jī)分布著具有高介電常數(shù)的纖維。一個(gè)電極施加 +18 kV 電壓，另一個(gè)電極接地（0 kV）。模擬 PET 纖維和 SNF@PET 纖維的電場(chǎng)分布分別如圖4a 和圖4b所示?？梢钥闯?，極化纖維周圍的電場(chǎng)線發(fā)生了明顯變形，這是原始電場(chǎng)和纖維周圍感應(yīng)電場(chǎng)共同作用的結(jié)果。在對(duì)兩個(gè)電極之間的整個(gè)介質(zhì)進(jìn)行全局評(píng)估時(shí)，計(jì)算得出帶有 PET 纖維介質(zhì)的電容為 6.07×10-5μF，而帶有 SNF@PET 纖維介質(zhì)的電容為 6.95×10-5μF。電容增加了 14.5%，這有助于提高纖維膜的電荷存儲(chǔ)能力，使纖維膜能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的感應(yīng)電場(chǎng)，從而提高其捕獲和裝載 PM 的能力。

圖3. SNF@PET纖維膜的PM過(guò)濾性能。(A)有無(wú)靜電驅(qū)動(dòng)的SNF@PET纖維膜的過(guò)濾效率。(B)在風(fēng)速為0.1 m/s時(shí)，SNF@PET纖維膜的空氣阻力和(C)質(zhì)量因子。(D)SNF@PET纖維膜在不同空氣速度下的過(guò)濾效率。(E)在0.2 m/s的空氣速度下，SNF@PET（2wt% SNF）纖維膜的過(guò)濾效率和空氣阻力。(F)SNF@PET纖維膜與文獻(xiàn)中其他纖維膜對(duì)PM0.3-0.5過(guò)濾的性能比較。

圖4. 一個(gè)夾有纖維膜的平行板電容器周圍的靜電場(chǎng)分布。上電極連接到電壓18 kV，并且下電極接地。(A) PET纖維和(B) SNF@PET纖維。

總結(jié)與展望

作者從生物質(zhì)蠶絲中提取了SNF，并使用浸漬工藝制備了SNF@PET的纖維膜過(guò)濾器。SNF可以增強(qiáng)的纖維膜的機(jī)械性能，提高PM的去除能力。當(dāng)暴露在寬泛的溫度和濕度條件下時(shí)，纖維膜表現(xiàn)出良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和耐久性。該工作為室內(nèi)空氣凈化中經(jīng)濟(jì)高效的空氣過(guò)濾提供了廣闊的前景。