Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 สาธารณรัฐเกาหลี
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobase Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, สาธารณรัฐเกาหลี
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 สาธารณรัฐเกาหลี
ใช้ลิงก์ด้านล่างเพื่อแบ่งปันข้อความฉบับเต็มของบทความนี้กับเพื่อนและเพื่อนร่วมงานของคุณเรียนรู้เพิ่มเติม.
เนื่องจากการแพร่ระบาดของไวรัสโคโรนาและปัญหาที่เกี่ยวข้องกับฝุ่นละออง (PM) ในอากาศ ความต้องการหน้ากากจึงเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณอย่างไรก็ตาม แผ่นกรองหน้ากากแบบดั้งเดิมที่ใช้ไฟฟ้าสถิตย์และตะแกรงนาโนเป็นแบบใช้แล้วทิ้ง ย่อยสลายไม่ได้ หรือรีไซเคิลได้ ซึ่งจะทำให้เกิดปัญหาขยะร้ายแรงนอกจากนี้ แบบแรกจะสูญเสียการทำงานภายใต้สภาวะที่มีความชื้น ในขณะที่แบบหลังจะทำงานโดยมีความกดอากาศลดลงอย่างมากและจะเกิดการอุดตันของรูขุมขนค่อนข้างเร็วที่นี่ได้มีการพัฒนาแผ่นกรองหน้ากากไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงที่ย่อยสลายได้ ป้องกันความชื้น ระบายอากาศได้ดีกล่าวโดยสรุปคือ เส้นใยละเอียดพิเศษที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ 2 ชนิดและแผ่นใยนาโนถูกรวมเข้ากับตัวกรองเมมเบรนของ Janus แล้วเคลือบด้วยไคโตซานนาโนวิสเกอร์ที่มีประจุบวกตัวกรองนี้มีประสิทธิภาพเท่ากับตัวกรอง N95 เชิงพาณิชย์ และสามารถกำจัด PM 2.5 µm ได้ 98.3%เส้นใยนาโนทำหน้าที่กรองอนุภาคละเอียด และเส้นใยละเอียดพิเศษให้ความแตกต่างของความดันต่ำที่ 59 Pa ซึ่งเหมาะสำหรับการหายใจของมนุษย์ตรงกันข้ามกับประสิทธิภาพที่ลดลงอย่างรวดเร็วของตัวกรอง N95 เชิงพาณิชย์เมื่อสัมผัสกับความชื้น การสูญเสียประสิทธิภาพของตัวกรองนี้ถือว่าน้อยมาก ดังนั้นจึงสามารถใช้งานได้หลายครั้งเนื่องจากไดโพลถาวรของไคโตซานจะดูดซับ PM ขนาดเล็กมาก (เช่น ไนโตรเจน)และซัลเฟอร์ออกไซด์).เป็นสิ่งสำคัญที่ตัวกรองนี้จะสลายตัวในดินที่หมักแล้วอย่างสมบูรณ์ภายใน 4 สัปดาห์
การระบาดใหญ่ของไวรัสโคโรนา (COVID-19) ที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อนในปัจจุบันกำลังผลักดันให้เกิดความต้องการหน้ากากอนามัยอย่างมาก[1] องค์การอนามัยโลก (WHO) ประมาณการว่าจำเป็นต้องมีหน้ากากทางการแพทย์ 89 ล้านชิ้นทุกเดือนในปีนี้[1] บุคลากรทางการแพทย์ไม่เพียงแต่ต้องการหน้ากาก N95 ที่มีประสิทธิภาพสูง แต่หน้ากากเอนกประสงค์สำหรับทุกคนก็กลายเป็นอุปกรณ์ประจำวันที่ขาดไม่ได้ในการป้องกันโรคติดเชื้อทางเดินหายใจนี้[1] นอกจากนี้ กระทรวงที่เกี่ยวข้องยังแนะนำอย่างยิ่งให้ใช้หน้ากากแบบใช้แล้วทิ้งทุกวัน [1] สิ่งนี้นำไปสู่ปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการทิ้งหน้ากากจำนวนมาก
เนื่องจากฝุ่นละออง (PM) เป็นปัญหามลพิษทางอากาศที่เป็นปัญหามากที่สุดในปัจจุบัน หน้ากากจึงกลายเป็นมาตรการรับมือที่มีประสิทธิภาพที่สุดสำหรับแต่ละบุคคลPM แบ่งออกเป็น PM2.5 และ PM10 ตามขนาดอนุภาค (2.5 และ 10μm ตามลำดับ) ซึ่งส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ [2] และคุณภาพชีวิตของมนุษย์ในรูปแบบต่างๆ[2] ทุกปี PM ทำให้เสียชีวิต 4.2 ล้านคนและ 103.1 ล้านคนพิการตลอดอายุขัย[2] PM2.5 เป็นภัยคุกคามร้ายแรงต่อสุขภาพและถูกกำหนดอย่างเป็นทางการให้เป็นสารก่อมะเร็งกลุ่มที่ 1[2] ดังนั้น การวิจัยและพัฒนาตัวกรองหน้ากากที่มีประสิทธิภาพในแง่ของการซึมผ่านของอากาศและการกำจัด PM จึงเป็นเรื่องสำคัญและทันท่วงที[3]
โดยทั่วไปแล้ว ตัวกรองไฟเบอร์แบบดั้งเดิมจะดักจับ PM ได้สองวิธี: ผ่านการกรองทางกายภาพโดยใช้เส้นใยนาโน และการดูดซับด้วยไฟฟ้าสถิตโดยใช้ไมโครไฟเบอร์ (รูปที่ 1a)การใช้ตัวกรองที่มีเส้นใยนาโน โดยเฉพาะเสื่อเส้นใยนาโนแบบอิเล็กโทรสปัน ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นกลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพในการกำจัด PM ซึ่งเป็นผลมาจากวัสดุที่มีอยู่อย่างมากมายและโครงสร้างผลิตภัณฑ์ที่ควบคุมได้[3] แผ่นใยนาโนสามารถขจัดอนุภาคขนาดเป้าหมายได้ ซึ่งเกิดจากความแตกต่างของขนาดระหว่างอนุภาคและรูขุมขน[3] อย่างไรก็ตาม เส้นใยขนาดนาโนจำเป็นต้องวางซ้อนกันหนาแน่นเพื่อสร้างรูพรุนที่เล็กมาก ซึ่งเป็นอันตรายต่อการหายใจที่สะดวกสบายของมนุษย์เนื่องจากความแตกต่างของความดันสูงที่เกี่ยวข้องนอกจากนี้รูเล็ก ๆ จะถูกปิดกั้นอย่างรวดเร็วอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
ในทางกลับกัน แผ่นไฟเบอร์เนื้อละเอียดพิเศษของ Meltblown จะถูกประจุไฟฟ้าสถิตโดยสนามไฟฟ้าพลังงานสูง และอนุภาคขนาดเล็กมากจะถูกดักจับโดยการดูดซับด้วยไฟฟ้าสถิต[4] เพื่อเป็นตัวอย่าง เครื่องช่วยหายใจ N95 เป็นเครื่องช่วยหายใจแบบหน้ากากกรองอนุภาคที่ตรงตามข้อกำหนดของ National Institute of Occupational Safety and Health เนื่องจากสามารถกรองอนุภาคในอากาศได้อย่างน้อย 95%ตัวกรองชนิดนี้จะดูดซับ PM ที่ละเอียดมาก ซึ่งมักจะประกอบด้วยสารประจุลบ เช่น SO42− และ NO3− ผ่านแรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิตที่รุนแรงอย่างไรก็ตาม ประจุไฟฟ้าสถิตบนพื้นผิวของแผ่นไฟเบอร์จะกระจายตัวได้ง่ายในสภาพแวดล้อมที่ชื้น เช่น พบได้จากการหายใจของมนุษย์ที่ชื้น [4] ส่งผลให้ความสามารถในการดูดซับลดลง
เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการกรองให้ดียิ่งขึ้นหรือแก้ปัญหาการแลกเปลี่ยนระหว่างประสิทธิภาพการกำจัดและแรงดันตก ตัวกรองที่ใช้เส้นใยนาโนและไมโครไฟเบอร์จะรวมกับวัสดุคุณภาพสูง เช่น วัสดุคาร์บอน โครงสร้างโลหะอินทรีย์ และอนุภาคนาโน PTFE[4] อย่างไรก็ตาม ความเป็นพิษทางชีวภาพที่ไม่แน่นอนและการกระจายประจุของสารเติมแต่งเหล่านี้ยังคงเป็นปัญหาที่หลีกเลี่ยงไม่ได้[4] โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไส้กรองแบบดั้งเดิมทั้งสองประเภทนี้มักไม่สามารถย่อยสลายได้ ดังนั้นในที่สุดพวกมันจะถูกฝังในหลุมฝังกลบหรือถูกเผาหลังการใช้งานดังนั้นการพัฒนาตัวกรองหน้ากากที่ดีขึ้นเพื่อแก้ปัญหาของเสียเหล่านี้และในขณะเดียวกันก็สามารถดักจับ PM ได้ในลักษณะที่น่าพึงพอใจและทรงพลังจึงเป็นความต้องการที่สำคัญในปัจจุบัน
เพื่อแก้ปัญหาข้างต้น เราได้ผลิตแผ่นกรองเมมเบรน Janus ที่รวมเข้ากับไมโครไฟเบอร์และนาโนไฟเบอร์ที่ผลิตจากโพลี(บิวทิลีนซัคซิเนต) (อิงตาม PBS)[5]ตัวกรองเมมเบรนของ Janus เคลือบด้วยไคโตซานนาโนมัสเซิล (CsWs) [5] (รูปที่ 1b)อย่างที่เราทราบกันดีว่า PBS เป็นตัวแทนโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ซึ่งสามารถผลิตเส้นใยละเอียดพิเศษและเส้นใยนาโนที่ไม่ทอผ่านการปั่นด้วยไฟฟ้าเส้นใยนาโนขนาดนาโนดักจับ PM ในขณะที่เส้นใยนาโนขนาดไมโครช่วยลดแรงดันตกและทำหน้าที่เป็นกรอบ CsWไคโตซานเป็นวัสดุชีวภาพที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีคุณสมบัติทางชีวภาพที่ดี รวมถึงความเข้ากันได้ทางชีวภาพ ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพ และความเป็นพิษค่อนข้างต่ำ [5] ซึ่งสามารถลดความวิตกกังวลที่เกี่ยวข้องกับการสูดดมโดยไม่ได้ตั้งใจของผู้ใช้[5] นอกจากนี้ ไคโตซานยังมีไซต์ที่เป็นประจุบวกและหมู่โพลาร์เอไมด์[5] แม้ในสภาวะที่มีความชื้น มันสามารถดึงดูดอนุภาคละเอียดพิเศษที่มีขั้ว (เช่น SO42- และ NO3-)
ที่นี่ เรารายงานตัวกรองหน้ากากแบบหล่นที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ ประสิทธิภาพสูง ป้องกันความชื้น และแรงดันต่ำ โดยอ้างอิงจากวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพที่หาได้ง่ายเนื่องจากการผสมผสานระหว่างการกรองทางกายภาพและการดูดซับไฟฟ้าสถิต ตัวกรองรวมไมโครไฟเบอร์/นาโนไฟเบอร์ที่เคลือบด้วย CsW จึงมีประสิทธิภาพการกำจัด PM2.5 สูง (สูงถึง 98%) และในขณะเดียวกัน แรงดันตกสูงสุดบนตัวกรองที่หนาที่สุดคือ เพียง 59 Pa เหมาะสำหรับการหายใจของมนุษย์เมื่อเปรียบเทียบกับประสิทธิภาพการทำงานที่ลดลงอย่างเห็นได้ชัดจากตัวกรองเชิงพาณิชย์ N95 ตัวกรองนี้แสดงการสูญเสียประสิทธิภาพการกำจัด PM เพียงเล็กน้อย (<1%) แม้ในขณะที่เปียกน้ำทั้งหมด เนื่องจากการชาร์จ CsW แบบถาวรนอกจากนี้ ไส้กรองของเรายังย่อยสลายได้อย่างสมบูรณ์ในดินหมักภายใน 4 สัปดาห์เมื่อเปรียบเทียบกับการศึกษาอื่นๆ ที่มีแนวคิดคล้ายคลึงกัน ซึ่งในส่วนของตัวกรองประกอบด้วยวัสดุที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ หรือแสดงประสิทธิภาพที่จำกัดในการใช้งานโพลิเมอร์ชีวภาพแบบไม่ทอ [6] ตัวกรองนี้แสดงให้เห็นโดยตรงถึงความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพของคุณสมบัติขั้นสูง (ภาพยนตร์ S1, ข้อมูลสนับสนุน)
ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบของตัวกรองเมมเบรนของ Janus จึงมีการเตรียมแผ่นรอง PBS เส้นใยนาโนและเส้นใยพิสิฐก่อนดังนั้น สารละลาย PBS 11% และ 12% จึงถูกปั่นด้วยไฟฟ้าเพื่อผลิตเส้นใยนาโนเมตรและไมโครเมตร ตามลำดับ เนื่องจากความแตกต่างของความหนืด[7] ข้อมูลรายละเอียดของคุณลักษณะของสารละลายและสภาวะการปั่นด้วยไฟฟ้าที่เหมาะสมที่สุดแสดงอยู่ในตาราง S1 และ S2 ในข้อมูลสนับสนุนเนื่องจากเส้นใย as-spun ยังคงมีตัวทำละลายเหลืออยู่ จึงเพิ่มอ่างจับตัวเป็นก้อนของน้ำเพิ่มเติมลงในอุปกรณ์ปั่นด้วยไฟฟ้าทั่วไป ดังแสดงในรูปที่ 2aนอกจากนี้ อ่างน้ำยังสามารถใช้เฟรมเพื่อรวบรวมแผ่นไฟเบอร์ PBS บริสุทธิ์ที่จับตัวเป็นก้อน ซึ่งแตกต่างจากเมทริกซ์แบบทึบในการตั้งค่าแบบดั้งเดิม (รูปที่ 2b)[7] เส้นผ่านศูนย์กลางเส้นใยเฉลี่ยของเสื่อไมโครไฟเบอร์และนาโนไฟเบอร์คือ 2.25 และ 0.51 µm ตามลำดับ และเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนเฉลี่ยคือ 13.1 และ 3.5 µm ตามลำดับ (รูปที่ 2c, d)เนื่องจากคลอโรฟอร์ม/ตัวทำละลายเอทานอลในอัตราส่วน 9:1 ระเหยอย่างรวดเร็วหลังจากปล่อยออกจากหัวฉีด ความแตกต่างของความหนืดระหว่างสารละลาย 11 และ 12 % โดยน้ำหนักจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว (รูปที่ S1 ข้อมูลสนับสนุน)[7] ดังนั้น ความแตกต่างของความเข้มข้นเพียง 1 % โดยน้ำหนักอาจทำให้เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ
ก่อนตรวจสอบประสิทธิภาพของตัวกรอง (รูปที่ S2 ข้อมูลสนับสนุน) เพื่อเปรียบเทียบตัวกรองต่างๆ อย่างมีเหตุผล จึงผลิตผ้าไม่ทอด้วยไฟฟ้าที่มีความหนามาตรฐาน เนื่องจากความหนาเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อความแตกต่างของแรงดันและประสิทธิภาพการกรองของประสิทธิภาพของตัวกรองเนื่องจากผ้าไม่ทอมีความนุ่มและมีรูพรุน จึงเป็นเรื่องยากที่จะกำหนดความหนาของผ้าไม่ทอด้วยไฟฟ้าโดยตรงโดยทั่วไป ความหนาของผ้าจะเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่นของพื้นผิว (น้ำหนักต่อหน่วยพื้นที่, น้ำหนักพื้นฐาน)ดังนั้น ในการศึกษานี้ เราจึงใช้น้ำหนักพื้นฐาน (gm-2) เป็นการวัดความหนาที่มีประสิทธิภาพ[8] ความหนาถูกควบคุมโดยการเปลี่ยนเวลาการปั่นด้วยไฟฟ้า ดังแสดงในรูปที่ 2eเมื่อเวลาปั่นเพิ่มขึ้นจาก 1 นาทีเป็น 10 นาที ความหนาของแผ่นไมโครไฟเบอร์จะเพิ่มเป็น 0.2, 2.0, 5.2 และ 9.1 gm-2 ตามลำดับในทำนองเดียวกัน ความหนาของเสื่อนาโนไฟเบอร์ก็เพิ่มขึ้นเป็น 0.2, 1.0, 2.5 และ 4.8 gm-2 ตามลำดับเสื่อไมโครไฟเบอร์และนาโนไฟเบอร์ถูกกำหนดโดยค่าความหนา (gm-2) เป็น: M0.2, M2.0, M5.2 และ M9.1 และ N0.2, N1.0, N2.5 และ N4 8.
ความแตกต่างของความดันอากาศ (ΔP) ของตัวอย่างทั้งหมดเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของประสิทธิภาพของตัวกรอง[9] การหายใจผ่านตัวกรองที่มีแรงดันตกคร่อมสูงนั้นไม่สะดวกสำหรับผู้ใช้โดยธรรมชาติแล้ว จะสังเกตเห็นว่าแรงดันตกเพิ่มขึ้นเมื่อความหนาของตัวกรองเพิ่มขึ้น ดังแสดงในรูปที่ S3 ซึ่งเป็นข้อมูลสนับสนุนแผ่นใยนาโน (N4.8) แสดงแรงดันตกที่สูงกว่าแผ่นไมโครไฟเบอร์ (M5.2) ที่ความหนาพอๆ กัน เนื่องจากแผ่นใยนาโนมีรูพรุนที่เล็กกว่าเมื่ออากาศผ่านตัวกรองด้วยความเร็วระหว่าง 0.5 และ 13.2 ms-1 ความดันลดลงของตัวกรองทั้งสองประเภทที่แตกต่างกันจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นจาก 101 Pa เป็น 102 Pa ควรปรับความหนาให้เหมาะสมที่สุดเพื่อให้ความดันลดลงและการกำจัด PM สมดุลกัน ประสิทธิภาพ;ความเร็วลม 1.0 มิลลิวินาที-1 นั้นสมเหตุสมผล เพราะเวลาที่มนุษย์ใช้หายใจทางปากนั้นอยู่ที่ประมาณ 1.3 มิลลิวินาที-1[10] ในเรื่องนี้ ความดันลดลงของ M5.2 และ N4.8 เป็นที่ยอมรับได้ที่ความเร็วลม 1.0 มิลลิวินาที-1 (น้อยกว่า 50 Pa) (รูปที่ S4 ข้อมูลสนับสนุน)โปรดทราบว่าแรงดันตกของหน้ากาก N95 และตัวกรองมาตรฐานเกาหลีที่คล้ายกัน (KF94) คือ 50 ถึง 70 Pa ตามลำดับการประมวลผล CsW เพิ่มเติมและการรวมตัวกรองไมโคร/นาโนสามารถเพิ่มแรงต้านอากาศได้ดังนั้น เพื่อให้ค่าความดันลดลง เราจึงวิเคราะห์ N2.5 และ M2.0 ก่อนวิเคราะห์ M5.2 และ N4.8
ที่ความเร็วลมเป้าหมาย 1.0 ms-1 ประสิทธิภาพการกำจัด PM1.0, PM2.5 และ PM10 ของ PBS ไมโครไฟเบอร์และเสื่อนาโนไฟเบอร์ได้รับการศึกษาโดยไม่มีประจุไฟฟ้าสถิต (รูปที่ S5 ข้อมูลสนับสนุน)เป็นที่สังเกตได้ว่าประสิทธิภาพการกำจัด PM โดยทั่วไปจะเพิ่มขึ้นตามความหนาและขนาด PM ที่เพิ่มขึ้นประสิทธิภาพการกำจัด N2.5 ดีกว่า M2.0 เนื่องจากมีรูพรุนที่เล็กกว่าประสิทธิภาพการกำจัด M2.0 สำหรับ PM1.0, PM2.5 และ PM10 เท่ากับ 55.5%, 64.6% และ 78.8% ตามลำดับ ในขณะที่ค่า N2.5 ที่ใกล้เคียงกันคือ 71.9%, 80.1% และ 89.6% (รูปที่ 2ฉ).เราสังเกตเห็นว่าความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดในประสิทธิภาพระหว่าง M2.0 และ N2.5 คือ PM1.0 ซึ่งบ่งชี้ว่าการกรองทางกายภาพของตาข่ายไมโครไฟเบอร์มีผลกับ PM ระดับไมครอน แต่ไม่มีผลกับ PM ระดับนาโน (รูปที่ S6, ข้อมูลสนับสนุน)., M2.0 และ N2.5 แสดงความสามารถในการจับภาพ PM ต่ำที่น้อยกว่า 90%นอกจากนี้ N2.5 อาจไวต่อฝุ่นมากกว่า M2.0 เนื่องจากอนุภาคฝุ่นสามารถปิดกั้นรูขุมขนที่เล็กกว่าของ N2.5 ได้อย่างง่ายดายในกรณีที่ไม่มีประจุไฟฟ้าสถิตย์ การกรองทางกายภาพจะถูกจำกัดในด้านความสามารถในการบรรลุแรงดันตกคร่อมที่ต้องการและประสิทธิภาพการกำจัดในเวลาเดียวกัน เนื่องจากความสัมพันธ์ระหว่างการแลกเปลี่ยนระหว่างกัน
การดูดซับด้วยไฟฟ้าสถิตเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการดักจับ PM อย่างมีประสิทธิภาพ[11] โดยทั่วไป ประจุไฟฟ้าสถิตย์จะถูกบังคับให้ใช้กับตัวกรองแบบไม่ทอผ่านสนามไฟฟ้าพลังงานสูงอย่างไรก็ตาม ประจุไฟฟ้าสถิตนี้จะกระจายไปได้ง่ายภายใต้สภาวะที่มีความชื้น ส่งผลให้ความสามารถในการดักจับ PM ลดลง[4] ในฐานะวัสดุชีวภาพสำหรับการกรองด้วยไฟฟ้าสถิต เราแนะนำ CsW ยาว 200 นาโนเมตรและกว้าง 40 นาโนเมตร;เนื่องจากกลุ่มแอมโมเนียมและกลุ่มโพลาร์เอไมด์ นาโนวิสเกอร์เหล่านี้จึงมีประจุบวกแบบถาวรประจุบวกที่มีอยู่บนพื้นผิวของ CsW แสดงด้วยศักย์ซีตา (ZP)CsW กระจายตัวในน้ำที่มีค่า pH 4.8 และพบว่า ZP อยู่ที่ +49.8 mV (รูปที่ S7 ข้อมูลสนับสนุน)
ไมโครไฟเบอร์ PBS ที่เคลือบด้วย CsW (ChMs) และเส้นใยนาโน (ChNs) ถูกเตรียมโดยการเคลือบแบบจุ่มอย่างง่ายในการกระจายน้ำ 0.2 wt% CsW ซึ่งเป็นความเข้มข้นที่เหมาะสมในการติดปริมาณ CsW สูงสุดที่พื้นผิวของเส้นใย PBS ดังที่แสดงไว้ใน รูปที่แสดงในรูปที่ 3a และรูปที่ S8 ข้อมูลสนับสนุนภาพเอ็กซ์เรย์สเปกโทรสโกปีแบบกระจายพลังงานไนโตรเจน (EDS) แสดงให้เห็นว่าพื้นผิวของเส้นใย PBS ถูกเคลือบอย่างสม่ำเสมอด้วยอนุภาค CsW ซึ่งเห็นได้ชัดในภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) (รูปที่ 3b; รูปที่ S9, ข้อมูลสนับสนุน) .นอกจากนี้ วิธีการเคลือบนี้ช่วยให้วัสดุนาโนที่มีประจุสามารถห่อหุ้มพื้นผิวไฟเบอร์ได้อย่างละเอียด จึงเพิ่มความสามารถในการกำจัด PM แบบไฟฟ้าสถิตได้สูงสุด (รูปที่ S10 ข้อมูลสนับสนุน)
ศึกษาประสิทธิภาพการกำจัด PM ของ ChM และ ChN (รูปที่ 3c)M2.0 และ N2.5 ถูกเคลือบด้วย CsW เพื่อผลิต ChM2.0 และ ChN2.5 ตามลำดับประสิทธิภาพการกำจัดของ ChM2.0 สำหรับ PM1.0, PM2.5 และ PM10 คือ 70.1%, 78.8% และ 86.3% ตามลำดับ ในขณะที่ ChN2.5 ค่าใกล้เคียงกันคือ 77.0%, 87.7% และ 94.6% ตามลำดับการเคลือบ CsW ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกำจัด M2.0 และ N2.5 อย่างมาก และผลที่สังเกตได้จาก PM ที่เล็กกว่าเล็กน้อยนั้นมีความสำคัญมากกว่าโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไคโตซานนาโนวิสเกอร์เพิ่มประสิทธิภาพการกำจัด PM0.5 และ PM1.0 ของ M2.0 ขึ้น 15% และ 13% ตามลำดับ (รูปที่ S11 ข้อมูลสนับสนุน)แม้ว่า M2.0 นั้นยากที่จะแยก PM1.0 ที่เล็กกว่าออกเนื่องจากระยะห่างของไฟบริลที่ค่อนข้างกว้าง (รูปที่ 2c) แต่ ChM2.0 ดูดซับ PM1.0 เนื่องจากไอออนบวกและเอไมด์ใน CsWs ผ่านไอออน-ไอออน การมีเพศสัมพันธ์ระหว่างขั้ว-ไอออน และปฏิกิริยาไดโพล-ไดโพลกับฝุ่นเนื่องจากการเคลือบ CsW ประสิทธิภาพการกำจัด PM ของ ChM2.0 และ ChN2.5 จึงสูงเท่ากับ M5.2 และ N4.8 ที่หนากว่า (ตารางที่ S3 ข้อมูลสนับสนุน)
ที่น่าสนใจคือ แม้ว่าประสิทธิภาพการกำจัด PM จะดีขึ้นอย่างมาก แต่การเคลือบ CsW แทบไม่ส่งผลต่อแรงดันตกแรงดันตกคร่อมของ ChM2.0 และ ChN2.5 เพิ่มขึ้นเล็กน้อยเป็น 15 และ 23 Pa เกือบครึ่งหนึ่งของการเพิ่มขึ้นที่สังเกตได้สำหรับ M5.2 และ N4.8 (รูปที่ 3 มิติ ตาราง S3 ข้อมูลสนับสนุน)ดังนั้นการเคลือบผิวด้วยวัสดุชีวภาพจึงเป็นวิธีการที่เหมาะสมเพื่อตอบสนองความต้องการด้านประสิทธิภาพของตัวกรองพื้นฐานสองชนิดนั่นคือประสิทธิภาพการกำจัด PM และความแตกต่างของแรงดันอากาศซึ่งไม่เกิดร่วมกันอย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพการกำจัด PM1.0 และ PM2.5 ของ ChM2.0 และ ChN2.5 นั้นต่ำกว่า 90% ทั้งคู่เห็นได้ชัดว่าประสิทธิภาพนี้จำเป็นต้องได้รับการปรับปรุง
ระบบการกรองแบบผสมผสานที่ประกอบด้วยเมมเบรนหลายตัวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยและขนาดรูพรุนค่อยๆ เปลี่ยนแปลงสามารถแก้ปัญหาข้างต้นได้ [12]ตัวกรองอากาศในตัวมีข้อดีของเส้นใยนาโนสองชนิดที่แตกต่างกันและตาข่ายเส้นใยละเอียดพิเศษในเรื่องนี้ ChM และ ChN จะถูกซ้อนกันเพื่อสร้างตัวกรองในตัว (Int-MN)ตัวอย่างเช่น Int-MN4.5 เตรียมโดยใช้ ChM2.0 และ ChN2.5 และเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับ ChN4.8 และ ChM5.2 ซึ่งมีความหนาแน่นของพื้นที่ใกล้เคียงกัน (เช่น ความหนา)ในการทดลองประสิทธิภาพการกำจัด PM ด้านเส้นใยละเอียดพิเศษของ Int-MN4.5 ถูกเปิดเผยในห้องที่มีฝุ่นมาก เนื่องจากด้านเส้นใยละเอียดพิเศษมีความทนทานต่อการอุดตันมากกว่าด้านเส้นใยนาโนดังที่แสดงในรูปที่ 4a Int-MN4.5 แสดงประสิทธิภาพการกำจัด PM และความแตกต่างของแรงดันได้ดีกว่าตัวกรองแบบองค์ประกอบเดียว 2 ชิ้น โดยมีแรงดันตกที่ 37 Pa ซึ่งคล้ายกับ ChM5.2 และต่ำกว่า ChM5.2 ChN4 มาก8. นอกจากนี้ ประสิทธิภาพการกำจัด PM1.0 ของ Int-MN4.5 คือ 91% (รูปที่ 4b)ในทางกลับกัน ChM5.2 ไม่ได้แสดงประสิทธิภาพการกำจัด PM1.0 ที่สูงขนาดนั้น เนื่องจากรูพรุนของมันใหญ่กว่าของ Int-MN4.5
เวลาโพสต์: พ.ย.-03-2564
