Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republyk Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republyk Korea
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Republyk Korea
Brûk de link hjirûnder om de folsleine tekstferzje fan dit artikel te dielen mei jo freonen en kollega's.lear mear.
Fanwegen de pandemy fan coronavirus en problemen yn ferbân mei dieltsjes (PM) yn 'e loft, is de fraach nei maskers eksponentieel tanommen.Tradysjonele maskerfilters basearre op statyske elektrisiteit en nano-sieve binne lykwols allegear wegwerp, net-ôfbrekber of recycleber, wat serieuze ôffalproblemen feroarsaakje sil.Dêrnjonken sil de eardere syn funksje ûnder fochtige omstannichheden ferlieze, wylst de lêste sil operearje mei in signifikante loftdrukfal en relatyf snelle pore-ferstopping sil foarkomme.Hjir is in biodegradearber, fochtbestindich, heul ademend, heechweardich fibermaskerfilter ûntwikkele.Koartsein, twa biodegradable ultrafine fezels en nanofiber matten wurde yntegrearre yn de Janus membraan filter, en dan bedekt mei kationically opladen chitosan nanowhiskers.Dit filter is like effisjint as it kommersjele N95-filter en kin 98.3% fan 2.5 µm PM fuortsmite.Nanofibers fysyk skerm fyn dieltsjes, en ultrafine fezels jouwe in lege druk ferskil pa 59 Pa, dat is geskikt foar minsklik sykheljen.Yn tsjinstelling ta de skerpe delgong yn prestaasjes fan kommersjele N95 filters doe't bleatsteld oan focht, de prestaasjes ferlies fan dit filter is negligible, dus it kin brûkt wurde meardere kearen omdat de permaninte dipole fan chitosan adsorbs ultrafine PM (Bygelyks, stikstof).En sweveloksiden).It is wichtich dat dit filter yn 'e kompostearre grûn binnen 4 wiken folslein ûntbrekt.
De hjoeddeistige ungewoane pandemy fan coronavirus (COVID-19) driuwt in enoarme fraach nei maskers.[1] De Wrâldsûnensorganisaasje (WHO) skat dat 89 miljoen medyske maskers dit jier elke moanne nedich binne.[1] Net allinich hawwe professionals yn sûnenssoarch hege-effisjinsje N95-maskers nedich, mar maskers foar algemiene doelen foar alle yndividuen binne ek ûnmisbere deistige apparatuer wurden foar de previnsje fan dizze respiratoire ynfeksjesykte.[1] Derneist advisearje relevante ministearjes it gebrûk fan wegwerpmaskers alle dagen sterk oan, [1] dit hat laat ta miljeuproblemen yn ferbân mei grutte hoemannichten maskerôffal.
Sûnt particulate matter (PM) op it stuit it meast problematyske probleem fan luchtfersmoarging is, binne maskers de meast effektive tsjinmaatregel wurden dy't beskikber binne foar partikulieren.PM is ferdield yn PM2.5 en PM10 neffens de partikelgrutte (2.5 en 10μm respektivelik), wat de natuerlike omjouwing [2] en de kwaliteit fan it minsklik libben op ferskate wizen serieus beynfloedet.[2] Alle jierren feroarsake PM 4,2 miljoen deaden en 103,1 miljoen libbensjierren oanpast oan handikapten.[2] PM2.5 foarmet in bysûnder serieuze bedriging foar sûnens en wurdt offisjeel oanwiisd as in groep I carcinogen.[2] Dêrom is it op 'e tiid en wichtich om in effisjint maskerfilter te ûndersykjen en te ûntwikkeljen yn termen fan luchtpermeabiliteit en PM-ferwidering.[3]
Yn 't algemien fange tradysjonele glêstriedfilters PM op twa ferskillende manieren: troch fysike siven basearre op nanofibers en elektrostatyske adsorpsje basearre op mikrofibers (figuer 1a).It brûken fan nanofiber-basearre filters, benammen electrospun nanofiber matten, hat bewiisd te wêzen in effektive strategy foar it fuortheljen fan PM, dat is it gefolch fan wiidweidige materiaal beskikberens en kontrolearber produkt struktuer.[3] De nanofibermat kin dieltsjes fan 'e doelgrutte ferwiderje, wat wurdt feroarsake troch it grutte ferskil tusken de dieltsjes en de poaren.[3] Fibers op nano-skaal moatte lykwols ticht steapele wurde om ekstreem lytse poarjes te foarmjen, dy't skealik binne foar noflike minsklike sykheljen troch it byhearrende hege drukferskil.Dêrneist wurde de lytse gatten ûnûntkomber relatyf fluch blokkearre.
Oan 'e oare kant, de meltblown ultra-fine fiber mat wurdt elektrostatysk opladen troch in hege-enerzjy elektrysk fjild, en hiel lytse dieltsjes wurde fongen troch elektrostatyske adsorption.[4] As represintatyf foarbyld is de N95-respirator in partikelfilterjende gesichtsmasker-respirator dy't foldocht oan 'e easken fan it Nasjonaal Ynstitút foar Beropsfeiligens en Sûnens, om't it op syn minst 95% fan luchtpartikels kin filterje.Dit type filter absorbearret ultrafine PM, dat meastentiids is gearstald út anionyske stoffen lykas SO42- en NO3-, troch sterke elektrostatyske attraksje.De statyske lading op it oerflak fan 'e glêstriedmat wurdt lykwols maklik ferdwûn yn in fochtige omjouwing, lykas fûn yn fochtige minsklike sykheljen, [4] wat resulteart yn in fermindering fan adsorpsjekapasiteit.
Om de filtraasjeprestaasjes fierder te ferbetterjen of de kompromis op te lossen tusken effisjinsje fan ferwidering en drukfal, wurde filters basearre op nanofibers en mikrofibers kombineare mei hege-k materialen, lykas koalstofmaterialen, metalen organyske kaders, en PTFE-nanopartikels.[4] De ûnwisse biologyske toxiciteit en ladingsdissipaasje fan dizze tafoegings binne lykwols noch ûnûntkombere problemen.[4] Benammen dizze twa soarten tradisjonele filters binne meastentiids net-degradable, sadat se úteinlik wurde begroeven yn stoartplakken of ferbaarnd nei gebrûk.Dêrom is de ûntwikkeling fan ferbettere maskerfilters om dizze ôffalproblemen op te lossen en tagelyk PM op in befredigjende en krêftige manier te fangen is in wichtige aktuele needsaak.
Om de boppesteande problemen op te lossen, hawwe wy in Janus-membraanfilter makke yntegreare mei poly(butylene succinate)-basearre (PBS-basearre) [5] mikrofiber- en nanofibermatten.It Janus membraanfilter is bedekt mei chitosan nano whiskers (CsWs) [5] (figuer 1b).Lykas wy allegear witte, is PBS in represintatyf biologysk ôfbrekbere polymeer, dat ultrafine fibers en nanofiber nonwovens kin produsearje troch elektrospinning.Nano-skaal fezels fysyk trap PM, wylst mikro-skaal nano-fibers ferminderje druk drop en fungearje as in CsW ramt.Chitosan is in bio-basearre materiaal dat is bewiisd te hawwen goede biologyske eigenskippen, ynklusyf biocompatibility, biodegradability en relatyf lege toxicity, [5] dat kin ferminderjen de eangst ferbûn mei tafallige ynhalaasje fan brûkers.[5] Dêrnjonken hat chitosan kationyske plakken en polêre amidegroepen.[5] Sels ûnder fochtige omstannichheden kin it polêre ultrafine dieltsjes oanlûke (lykas SO42- en NO3-).
Hjir melde wy in biodegradabel, hege effisjinsje, fochtbestindich en leechdruk dropmaskerfilter basearre op maklik beskikber biodegradabele materialen.Troch de kombinaasje fan fysike sieving en elektrostatyske adsorpsje hat it CsW-coated mikrofiber / nanofiber yntegreare filter in hege PM2.5-ferwideringseffisjinsje (oant 98%), en tagelyk is de maksimale drukfal op it dikste filter allinne It is 59 Pa, geskikt foar minsklik sykheljen.Yn ferliking mei de signifikante prestaasjesdegradaasje útstald troch it N95-kommersjele filter, toant dit filter in negatyf ferlies fan PM-ferwideringseffisjinsje (<1%), sels as folslein wiet, fanwegen de permaninte CsW-lading.Derneist binne ús filters binnen 4 wiken folslein biologysk ôfbrekber yn komposteare grûn.Yn ferliking mei oare stúdzjes mei ferlykbere begripen, dêr't de filter diel is gearstald út biodegradable materialen, of toant beheinde prestaasjes yn potinsjele biopolymer nonwoven applikaasjes, [6] dit filter direkt toant Biodegradability fan avansearre funksjes (film S1, stypjende ynformaasje).
As ûnderdiel fan de Janus membraan filter, nanofiber en superfine fiber PBS matten waarden earst taret.Dêrom waarden 11% en 12% PBS-oplossingen elektrospunen om respektivelik nanometer- en mikrometerfezels te produsearjen, fanwege har ferskil yn viskositeit.[7] De detaillearre ynformaasje fan de oplossing skaaimerken en optimale electrospinning betingsten wurde neamd yn tabellen S1 en S2, yn de stypjende ynformaasje.Sûnt de as-spun fiber noch befettet oerbleaune solvent, wurdt in ekstra wetter coagulasjonsbad tafoege oan in typysk electrospinning apparaat, lykas werjûn yn figuer 2a.Dêrnjonken kin it wetterbad ek it frame brûke om de koagulearre suvere PBS-fibermat te sammeljen, dy't oars is fan 'e fêste matrix yn' e tradisjonele ynstelling (figuer 2b).[7] De gemiddelde fiberdiameters fan 'e mikrofiber- en nanofibermatten binne respektivelik 2,25 en 0,51 µm, en de gemiddelde poardiameters binne respektivelik 13,1 en 3,5 µm (figuer 2c, d).As it 9: 1 chloroform / ethanol-oplosmiddel rap ferdampt nei't se út 'e sproeier frijlitten binne, nimt it viskositeitferskil tusken 11 en 12 wt% oplossingen rap ta (figuer S1, stypjende ynformaasje).[7] Dêrom kin in konsintraasjeferskil fan mar 1 wt% in signifikante feroaring yn fiberdiameter feroarsaakje.
Foardat it kontrolearjen fan de filterprestaasjes (figuer S2, stypjende ynformaasje), om ferskate filters ridlik te fergelykjen, waarden electrospun nonwovens fan standert dikte makke, om't de dikte in wichtige faktor is dy't ynfloed hat op it drukferskil en filtraasje-effisjinsje fan 'e filterprestaasjes.Sûnt nonwovens binne sêft en poreus, is it dreech om direkt te bepalen de dikte fan electrospun nonwovens.De dikte fan de stof is oer it generaal evenredich mei de oerflak tichtens (gewicht per ienheid gebiet, basis gewicht).Dêrom brûke wy yn dizze stúdzje basisgewicht (gm-2) as in effektive maat foar dikte.[8] De dikte wurdt regele troch in feroaring fan de electrospinning tiid, lykas werjûn yn figuer 2e.As de spintiid ferheget fan 1 minút nei 10 minuten, nimt de dikte fan 'e mikrofibermat ta respektivelik 0,2, 2,0, 5,2 en 9,1 gm-2.Op deselde wize waard de dikte fan 'e nanofibermatte ferhege nei respektivelik 0,2, 1,0, 2,5 en 4,8 gm-2.Mikrofiber- en nanofibermatten wurde oanwiisd troch har diktewearden (gm-2) as: M0.2, M2.0, M5.2 en M9.1, en N0.2, N1.0, N2.5 en N4. 8.
It loftdrukferskil (ΔP) fan 'e heule stekproef is in wichtige yndikator fan filterprestaasjes.[9] Atme troch in filter mei in hege drukfal is ûngemaklik foar de brûker.Natuerlik wurdt observearre dat de drukfal tanimt as de dikte fan it filter tanimt, lykas werjûn yn figuer S3, stypjende ynformaasje.De nanofibermat (N4.8) lit in hegere drukfal sjen as de mikrofiber (M5.2) mat op in fergelykbere dikte, om't de nanofibermat lytsere poarjes hat.As de lucht troch it filter giet mei in snelheid tusken 0,5 en 13,2 ms-1, nimt de drukfal fan de twa ferskillende soarten filters stadichoan ta fan 101 Pa oant 102 Pa. effisjinsje;in luchtsnelheid fan 1,0 ms-1 is ridlik omdat de tiid dy't it duorret foar minsken om troch de mûle te sykheljen sa'n 1,3 ms-1 is.[10] Yn dit ferbân is de drukfal fan M5.2 en N4.8 akseptabel by in luchtsnelheid fan 1,0 ms-1 (minder as 50 Pa) (figuer S4, stypjende ynformaasje).Tink derom dat de drukfal fan N95 en ferlykbere Koreaanske filterstandertmaskers (KF94) 50 oan 70 Pa respektivelik is.Fierdere CsW-ferwurking en mikro- / nanofilteryntegraasje kinne luchtferset ferheegje;dêrom, foar in foarsjen druk drop marzje, wy analysearre N2.5 en M2.0 foar analysearjen M5.2 en N4.8.
By in doelluchtsnelheid fan 1.0 ms-1 waard de effisjinsje fan PM1.0, PM2.5 en PM10 fan PBS-mikrofiber- en nanofibermatten studearre sûnder statyske lading (figuer S5, stypjende ynformaasje).It wurdt opmurken dat de effisjinsje fan PM-ferwidering oer it algemien tanimt mei de tanimming fan dikte en PM-grutte.De ferwidering effisjinsje fan N2.5 is better as M2.0 troch syn lytsere poarjes.De ferwideringseffisjinsjes fan M2.0 foar PM1.0, PM2.5 en PM10 wiene respektivelik 55.5%, 64.6% en 78.8%, wylst de ferlykbere wearden fan N2.5 71.9%, 80.1% en 89.6% wiene (figuer 2 f).Wy hawwe opmurken dat it grutste ferskil yn effisjinsje tusken M2.0 en N2.5 PM1.0 is, wat oanjout dat de fysike sieving fan it mikrofibermesh effektyf is foar PM op mikronnivo, mar net effektyf is foar PM op nanonivo (Figure) S6, stypjende ynformaasje)., M2.0 en N2.5 litte beide in lege PM capture fermogen fan minder as 90%.Dêrneist kin N2.5 mear gefoelich foar stof as M2.0, omdat stof dieltsjes kinne maklik blokkearje de lytsere poarjes fan N2.5.By it ûntbrekken fan statyske lading is fysike siven beheind yn syn fermogen om tagelyk de fereaske drukfal en effisjinsje te berikken fanwegen de ôfwikseljende relaasje tusken har.
Elektrostatyske adsorpsje is de meast brûkte metoade om PM op in effisjinte manier te fangen.[11] Algemien, statyske lading wurdt mei geweld tapast op de non-woven filter troch in hege-enerzjy elektrysk fjild;lykwols, dizze statyske lading wurdt maklik ferspraat ûnder fochtige omstannichheden, resultearret yn it ferlies fan PM capture fermogen.[4] As bio-basearre materiaal foar elektrostatyske filtration, wy yntrodusearre 200 nm lang en 40 nm breed CsW;Troch har ammoniumgroepen en polêre amidegroepen befetsje dizze nanowhiskers permaninte kationyske ladingen.De beskikbere positive lading op it oerflak fan CsW wurdt fertsjintwurdige troch syn zeta potinsjeel (ZP);CsW wurdt ferspraat yn wetter mei in pH fan 4.8, en harren ZP wurdt fûn te wêzen +49.8 mV (Figure S7, stypjende ynformaasje).
CsW-coated PBS mikrofibers (ChMs) en nanofibers (ChNs) waarden taret troch ienfâldige dip coating yn 0.2 wt% CsW wetter dispersion, dat is de passende konsintraasje te heakjen it maksimum bedrach fan CsWs oan it oerflak fan PBS fezels, lykas werjûn yn de figuer werjûn yn figuer 3a en figuer S8, stypjende ynformaasje.De stikstof enerzjy dispersive X-ray spektroskopy (EDS) ôfbylding lit sjen dat it oerflak fan de PBS glêstried is unifoarm coated mei CsW dieltsjes, dat is ek evident yn it skennen elektroanenmikroskoop (SEM) ôfbylding (figuer 3b; figuer S9, stypjende ynformaasje) .Dêrnjonken makket dizze Dizze coatingmetoade opladen nanomaterialen mooglik om it glêstriedflak fyn te wrapjen, en maksimalisearje dêrmei de elektrostatyske PM-ferwideringsmooglikheid (figuer S10, stypjende ynformaasje).
De effisjinsje fan PM-ferwidering fan ChM en ChN waard studearre (figuer 3c).M2.0 en N2.5 waarden coated mei CsW te produsearje ChM2.0 en ChN2.5, respektivelik.De ferwideringseffisjinsjes fan ChM2.0 foar PM1.0, PM2.5 en PM10 wiene respektivelik 70.1%, 78.8% en 86.3%, wylst de ferlykbere wearden fan ChN2.5 respektivelik 77.0%, 87.7% en 94.6% wiene.De CsW-coating ferbettert de effisjinsje fan it fuortheljen fan M2.0 en N2.5 sterk, en it effekt waarnommen foar wat lytsere PM is wichtiger.Benammen chitosan nanowhiskers fergrutte de ferwideringseffisjinsje fan M2.0's PM0.5 en PM1.0 troch respektivelik 15% en 13% (figuer S11, stypjende ynformaasje).Hoewol't M2.0 is dreech om út te sluten de lytsere PM1.0 fanwege syn relatyf brede fibril spacing (figuer 2c), ChM2.0 adsorbearret PM1.0 omdat de kationen en amides yn CsWs passe troch ion-ion, coupling Pole-ion ynteraksje , en dipoal-dipoal ynteraksje mei stof.Troch syn CsW-coating is de effisjinsje fan PM-ferwidering fan ChM2.0 en ChN2.5 sa heech as dy fan dikkere M5.2 en N4.8 (Tabel S3, stypjende ynformaasje).
Ynteressant, hoewol de effisjinsje fan PM-ferwidering sterk ferbettere is, hat de CsW-coating amper ynfloed op de drukfal.De druk drop fan ChM2.0 en ChN2.5 tanommen in bytsje nei 15 en 23 Pa, hast de helte fan de ferheging waarnommen foar M5.2 en N4.8 (figuer 3d; tabel S3, stypjende ynformaasje).Dêrom is coating mei bio-basearre materialen in gaadlike metoade om te foldwaan oan de prestaasjeseasken fan twa basisfilters;dat is, PM removal effisjinsje en lucht druk ferskil, dy't ûnderling eksklusyf.Lykwols, de PM1.0 en PM2.5 removal effisjinsje fan ChM2.0 en ChN2.5 binne beide leger as 90%;fansels, dizze prestaasje moat wurde ferbettere.
In yntegrearre filtration systeem gearstald út meardere membranen mei stadichoan feroarjende fiber diameters en pore maten kinne oplosse de boppesteande problemen [12].It yntegreare luchtfilter hat de foardielen fan twa ferskillende nanofibers en superfine fibernetten.Yn dit ferbân wurde ChM en ChN gewoan steapele om yntegreare filters (Int-MN's) te produsearjen.Bygelyks, Int-MN4.5 wurdt taret mei ChM2.0 en ChN2.5, en syn prestaasje wurdt fergelike mei ChN4.8 en ChM5.2 dy't hawwe ferlykbere areal tichtens (dat wol sizze dikte).Yn it PM-ferwidering-effisjinsje-eksperimint waard de ultrafine fiberside fan Int-MN4.5 bleatsteld yn 'e stoffige keamer, om't de ultrafine fiberside mear resistint wie foar ferstopping as de nanofiber side.Lykas werjûn yn figuer 4a, Int-MN4.5 toant better PM removal effisjinsje en druk ferskil as twa single-komponint filters, mei in druk drop pa 37 Pa, dat is gelyk oan ChM5.2 en folle leger as ChM5.2 ChN4.8. Dêrneist is de PM1.0 removal effisjinsje fan Int-MN4.5 91% (figuer 4b).Oan 'e oare kant hat ChM5.2 net sa'n hege PM1.0-ferwideringseffisjinsje sjen litten, om't syn poaren grutter binne as dy fan Int-MN4.5.
Posttiid: Nov-03-2021
