环保展 | 东华大学朱美芳院士/徐桂银教授团队Device: 蚕丝调控聚酯纤维膜实现高效低阻空气净化

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环保展了解到，大气颗粒物（PM）已被公认为会对全球环境造成重大危害，以及对人类健康和制造业都有不利影响。纤维过滤器已被广泛用于确保室内空气质量，但在过滤效率和空气阻力之间存在权衡问题。静电辅助驻极体过滤器是解决这一问题的一个很有前景的方法，但该过滤器依然存在过滤效率低、机械性能差、空气风阻大等问题。作者等用生物质蚕丝衍生物改性聚酯纤维膜，调控纤维膜表界面静电介导性能，开发了一种高效的空气滤膜材料。

内容介绍

环境颗粒物（PM）是一类微小的固体和液体颗粒，可以在空气中悬浮相对较长的时间。众所周知，接触PM会导致健康问题，包括各种呼吸道和心血管疾病，甚至神经系统疾病。随着PM直径的减小，它可以进一步渗透到呼吸道。例如，直径小于2.5 µm的PM（即PM2.5）可以深入细支气管和肺泡，引发急性和慢性呼吸道和心血管疾病。与较大的PM相比，较小的PM的较大的表面积与体积比也使它们能够更有效地在空气中携带有毒物质（例如重金属、微生物等）更长的时间和行进距离。直径为100 µm的PM通常需要4-9小时才能落地，而1 µm的颗粒需要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浓度超过世界卫生组织10微克每立方米的指导水平的地区。由于大多数人一生中80%以上的时间都在室内度过，室内空气过滤可以成为一种有效的权宜之计。室内去除PM最常见的技术是纤维膜过滤，其中PM被纤维捕获，同时让清洁空气通过。为了确保微米大小的PM具有高过滤效率，这些纤维需要紧密连接，这不可避免地增加了纤维膜的空气阻力。这种增加的空气阻力导致空气过滤器的能量需求更高，同时降低其空气流量。然而，强制空气流也可能降低过滤器的效率并提供操作成本。

静电辅助驻极体过滤器已被提出用于在不牺牲空气流的情况下提高过滤效率。该设计策略使用库仑力通过介电纤维膜产生电场来增加带电PM的去除，几种现有的静电辅助驻极体过滤器已证明对各种空气污染物具有良好的性能。虽然通过更高的气流可以获得更高的净化通量，但增加的气流会对纤维膜施加更大的风压，这可能导致过滤器变形甚至结构坍塌。提高过滤效率和最大限度地减少空气阻力的一种方法是使用静电响应纤维膜，该纤维膜可以提供相同通量的过滤效果，并具有大的气隙，因此对空气的阻力较小。

在这项工作中，作者提取了蚕丝衍生的丝素纳米纤维作为表面添加剂，通过涂层工艺对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）纤维处理，制备了丝素纳米纤维改性聚酯纤维膜(SNF@PET)（图1）。通过探讨SNF含量对PET纤维膜微观结构和力学性能的调节作用，研究了SNF对纤维膜结构抗风压稳定性的影响。

图文解析

图1. 蚕丝纳米纤维的材料结构及其修饰PET纤维膜的工艺。(A)蚕丝纳米纤维的材料结构和化学组成示意图。(B)蚕丝纳米纤维改性PET纤维膜的加工。

静电辅助空气过滤系统设计

使用静电辅助空气过滤系统评估了SNF@PET纤维膜去除PM的性能，如图2所示。该系统主要由空气供应系统、颗粒产生系统、颗粒充电系统、过滤器充电系统和信号检测系统组成。经过高效颗粒空气过滤器（HEPA）净化后的空气由供气系统吸入，首先通过流量稳定板将空气送入风道。同时，颗粒产生系统将测试污染物雾化和除湿，并以可控的方式喷射入管道。气流驱动污染物通过由一个钨尖和两个不锈钢环组成的直流电晕放电场，以7 kV的放电电压给颗粒充电。SNF@PET纤维膜被放置在一个由两个铜网组成的过滤器充电系统中，一个在DC 18 kV处充电，另一个接地。在电极化场中，带电粒子由气流驱动向SNF@PET纤维膜移动，并被SNF@PET纤维膜捕获。最后，信号检测系统测量纤维膜上、下游的颗粒数量、通过纤维膜的气流压降（即空气阻力），以及风管内的温度和湿度等信息。

图2. 颗粒过滤性能试验的实验设置。

空气净化性能分析

图3比较了SNF@PET纤维膜去除 PM 的性能。孔隙率为 98.4% 的PET纤维膜在直接过滤的情况下对 PM0.3-0.5的过滤效率仅为 1.3%，而且在 0.1 m/s的风速下空气阻力也很低，仅为 3.4 Pa。经过2wt% SNF改性后，过滤效率显著提高到 9.4%，与PET过滤器相比提高了 623%（图3a）。SNF的处理能有效改善PET纤维的表面粗糙度，增加纤维膜表面的活性面积，有利于提高可吸入颗粒物的附着能力。因此，与PET过滤器相比，SNF@PET过滤器的直接过滤效率明显更高。当SNF处理含量增加到 6wt% 时，SNF@PET过滤器的过滤效率略有下降。这种现象可归因于纤维表面形成的SNF聚合物封闭了纤维间的间隙，减少了可吸入颗粒物的附着表面积。与直接过滤相比，静电驱动过滤显著提高了PM0.3-0.5的过滤效率，从 1.3% 提高到 97.9%。静电场促使带电的PM加速飞向极化纤维并被其捕获。经过 SNF 处理后，静电过滤效率进一步提高到 99.7%。SNF是一种生物基驻极体材料，具有相对较高的偶极矩（3.5 D）。SNF 分子链可以自组装成无定形的软段和高度有序的结晶硬段，其中软段区域具有较大的自由体积，为偶极子运动提供了空间。相反，硬段有利于提高击穿强度。对 PET 纤维进行 SNF 处理可有效提高其介电性能，这在静电场建模中可以直观地看到。如图4所示，在空气中的两个平板电极之间随机分布着具有高介电常数的纤维。一个电极施加 +18 kV 电压，另一个电极接地（0 kV）。模拟 PET 纤维和 SNF@PET 纤维的电场分布分别如图4a 和图4b所示。可以看出，极化纤维周围的电场线发生了明显变形，这是原始电场和纤维周围感应电场共同作用的结果。在对两个电极之间的整个介质进行全局评估时，计算得出带有 PET 纤维介质的电容为 6.07×10^-5µF，而带有 SNF@PET 纤维介质的电容为 6.95×10^-5µF。电容增加了 14.5%，这有助于提高纤维膜的电荷存储能力，使纤维膜能够产生更强的感应电场，从而提高其捕获和装载 PM 的能力。

图3. SNF@PET纤维膜的PM过滤性能。(A)有无静电驱动的SNF@PET纤维膜的过滤效率。(B)在风速为0.1 m/s时，SNF@PET纤维膜的空气阻力和(C)质量因子。(D)SNF@PET纤维膜在不同空气速度下的过滤效率。(E)在0.2 m/s的空气速度下，SNF@PET（2wt% SNF）纤维膜的过滤效率和空气阻力。(F)SNF@PET纤维膜与文献中其他纤维膜对PM0.3-0.5过滤的性能比较。