Biologisch afbreekbare, efficiënte en ademende multifunctionele maskerfilter-Choi-2021-Advanced Science

Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Geavanceerde materialen en chemische technologie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Geavanceerde materialen en chemische technologie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Geavanceerde materialen en chemische technologie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Geavanceerde materialen en chemische technologie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Geavanceerde materialen en chemische technologie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republiek Korea
Geavanceerde materialen en chemische technologie, Universiteit voor Wetenschap en Technologie (UST), Daejeon, 34113 Republiek Korea
Gebruik de onderstaande link om de volledige tekstversie van dit artikel met je vrienden en collega's te delen. kom meer te weten.
Door de pandemie van het coronavirus en problemen met fijnstof (PM) in de lucht, is de vraag naar maskers exponentieel gegroeid. Traditionele maskerfilters op basis van statische elektriciteit en nanozeef zijn echter allemaal wegwerpbaar, niet-afbreekbaar of recyclebaar, wat ernstige afvalproblemen zal veroorzaken. Bovendien zal de eerste zijn functie verliezen onder vochtige omstandigheden, terwijl de laatste zal werken met een significante luchtdrukval en relatief snelle verstopping van de poriën zal optreden. Hier is een biologisch afbreekbaar, vochtbestendig, zeer goed ademend, hoogwaardig vezelmaskerfilter ontwikkeld. Kortom, twee biologisch afbreekbare ultrafijne vezels en nanovezelmatten zijn geïntegreerd in het Janus-membraanfilter en vervolgens gecoat met kationisch geladen chitosan nanohiskers. Dit filter is even efficiënt als het commerciële N95-filter en kan 98,3% van 2,5 µm PM verwijderen. Nanovezels schermen fijne deeltjes fysiek af en ultrafijne vezels zorgen voor een laag drukverschil van 59 Pa, wat geschikt is voor menselijke ademhaling. In tegenstelling tot de scherpe daling van de prestaties van commerciële N95-filters bij blootstelling aan vocht, is het prestatieverlies van dit filter verwaarloosbaar, dus het kan meerdere keren worden gebruikt omdat de permanente dipool van chitosan ultrafijne PM (bijvoorbeeld stikstof) adsorbeert. en zwaveloxiden). Het is belangrijk dat dit filter binnen 4 weken volledig vergaat in de gecomposteerde grond.
De huidige ongekende pandemie van het coronavirus (COVID-19) zorgt voor een enorme vraag naar maskers. [1] De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) schat dat er dit jaar maandelijks 89 miljoen medische maskers nodig zijn. [1] Niet alleen hebben gezondheidswerkers zeer efficiënte N95-maskers nodig, maar universele maskers voor alle individuen zijn ook onmisbare dagelijkse uitrusting geworden voor de preventie van deze infectieziekte van de luchtwegen. [1] Daarnaast bevelen relevante ministeries het dagelijks gebruik van wegwerpmaskers ten zeerste aan, [1] dit heeft geleid tot milieuproblemen in verband met grote hoeveelheden maskerafval.
Aangezien fijnstof (PM) momenteel het meest problematische luchtvervuilingsprobleem is, zijn maskers de meest effectieve tegenmaatregel geworden die beschikbaar is voor individuen. PM wordt onderverdeeld in PM2,5 en PM10 volgens de deeltjesgrootte (respectievelijk 2,5 en 10 m), wat op verschillende manieren ernstige gevolgen heeft voor de natuurlijke omgeving [2] en de kwaliteit van het menselijk leven. [2] Elk jaar veroorzaakt PM 4,2 miljoen sterfgevallen en 103,1 miljoen voor invaliditeit gecorrigeerde levensjaren. [2] PM2.5 vormt een bijzonder ernstige bedreiging voor de gezondheid en is officieel aangemerkt als kankerverwekkend van groep I. [2] Daarom is het tijd en belangrijk om een ​​efficiënt maskerfilter te onderzoeken en te ontwikkelen in termen van luchtdoorlatendheid en PM-verwijdering. [3]
Over het algemeen vangen traditionele vezelfilters PM op twee verschillende manieren op: door fysiek zeven op basis van nanovezels en elektrostatische adsorptie op basis van microvezels (Figuur 1a). Het gebruik van op nanovezels gebaseerde filters, met name elektrospun nanovezelmatten, is een effectieve strategie gebleken om PM te verwijderen, wat het resultaat is van uitgebreide materiaalbeschikbaarheid en controleerbare productstructuur. [3] De nanovezelmat kan deeltjes met de beoogde grootte verwijderen, wat wordt veroorzaakt door het verschil in grootte tussen de deeltjes en de poriën. [3] Vezels op nanoschaal moeten echter dicht op elkaar worden gestapeld om extreem kleine poriën te vormen, die vanwege het bijbehorende hoge drukverschil schadelijk zijn voor een comfortabele menselijke ademhaling. Bovendien zullen de kleine gaatjes onvermijdelijk relatief snel worden geblokkeerd.
Aan de andere kant wordt de smeltgeblazen ultrafijne vezelmat elektrostatisch geladen door een hoogenergetisch elektrisch veld, en zeer kleine deeltjes worden opgevangen door elektrostatische adsorptie. [4] Als representatief voorbeeld is het N95-ademhalingsapparaat een deeltjesfilterend gezichtsmasker dat voldoet aan de eisen van het National Institute of Occupational Safety and Health, omdat het ten minste 95% van de in de lucht zwevende deeltjes kan filteren. Dit type filter absorbeert ultrafijn fijnstof, dat meestal is samengesteld uit anionische stoffen zoals SO42− en NO3−, door sterke elektrostatische aantrekking. De statische lading op het oppervlak van de vezelmat wordt echter gemakkelijk afgevoerd in een vochtige omgeving, zoals bij vochtige menselijke ademhaling [4], wat resulteert in een afname van de adsorptiecapaciteit.
Om de filtratieprestaties verder te verbeteren of de afweging tussen verwijderingsefficiëntie en drukval op te lossen, worden filters op basis van nanovezels en microvezels gecombineerd met materialen met een hoge K, zoals koolstofmaterialen, metalen organische raamwerken en PTFE-nanodeeltjes. [4] De onzekere biologische toxiciteit en ladingsdissipatie van deze additieven zijn echter nog steeds onvermijdelijke problemen. [4] Met name deze twee typen traditionele filters zijn meestal niet afbreekbaar, zodat ze na gebruik uiteindelijk worden begraven op stortplaatsen of worden verbrand. Daarom is de ontwikkeling van verbeterde maskerfilters om deze afvalproblemen op te lossen en tegelijkertijd PM op een bevredigende en krachtige manier af te vangen een belangrijke huidige behoefte.
Om de bovenstaande problemen op te lossen, hebben we een Janus-membraanfilter vervaardigd dat is geïntegreerd met op poly(butyleensuccinaat) gebaseerde (PBS-gebaseerd) [5] microvezel- en nanovezelmatten. Het Janus-membraanfilter is gecoat met chitosan nano-whiskers (CsWs) [5] (Figuur 1b). Zoals we allemaal weten, is PBS een representatief biologisch afbreekbaar polymeer, dat ultrafijne vezels en nanovezel nonwovens kan produceren door middel van elektrospinnen. Vezels op nanoschaal vangen PM fysiek op, terwijl nanovezels op microschaal de drukval verminderen en fungeren als een CsW-raamwerk. Chitosan is een biogebaseerd materiaal waarvan is bewezen dat het goede biologische eigenschappen heeft, waaronder biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid en relatief lage toxiciteit [5], wat de angst kan verminderen die gepaard gaat met onbedoelde inademing van gebruikers. [5] Bovendien heeft chitosan kationische plaatsen en polaire amidegroepen. [5] Zelfs onder vochtige omstandigheden kan het polaire ultrafijne deeltjes (zoals SO42- en NO3-) aantrekken.
Hier rapporteren we een biologisch afbreekbaar, zeer efficiënt, vochtbestendig en lagedrukvalmaskerfilter op basis van gemakkelijk verkrijgbare biologisch afbreekbare materialen. Door de combinatie van fysiek zeven en elektrostatische adsorptie heeft het CsW-gecoate microvezel/nanovezel geïntegreerde filter een hoge PM2.5-verwijderingsefficiëntie (tot 98%) en tegelijkertijd is de maximale drukval op het dikste filter alleen Het is 59 Pa, geschikt voor menselijke ademhaling. Vergeleken met de aanzienlijke prestatievermindering die wordt vertoond door het commerciële N95-filter, vertoont dit filter een verwaarloosbaar verlies van PM-verwijderingsefficiëntie (<1%), zelfs wanneer het volledig nat is, vanwege de permanente CsW-lading. Daarnaast zijn onze filters in gecomposteerde grond binnen 4 weken volledig biologisch afbreekbaar. Vergeleken met andere onderzoeken met vergelijkbare concepten, waarbij het filterdeel is samengesteld uit biologisch afbreekbare materialen, of beperkte prestaties vertoont in potentiële biopolymeer nonwoven toepassingen, [6] toont dit filter direct de biologische afbreekbaarheid van geavanceerde functies (film S1, ondersteunende informatie).
Als onderdeel van het Janus-membraanfilter werden eerst nanovezel- en superfijne vezel-PBS-matten gemaakt. Daarom werden 11% en 12% PBS-oplossingen elektrospin om respectievelijk nanometer- en micrometervezels te produceren, vanwege hun verschil in viscositeit. [7] De gedetailleerde informatie over de eigenschappen van de oplossing en optimale omstandigheden voor elektrospinning staan ​​vermeld in de tabellen S1 en S2 in de ondersteunende informatie. Omdat de as-spun vezel nog steeds oplosmiddel bevat, wordt een extra watercoagulatiebad toegevoegd aan een typisch elektrospinapparaat, zoals weergegeven in figuur 2a. Bovendien kan het waterbad het frame ook gebruiken om de gecoaguleerde pure PBS-vezelmat te verzamelen, die verschilt van de vaste matrix in de traditionele omgeving (Figuur 2b). [7] De gemiddelde vezeldiameters van de microvezel- en nanovezelmatten zijn respectievelijk 2,25 en 0,51 µm, en de gemiddelde poriediameters zijn respectievelijk 13,1 en 3,5 µm (Figuur 2c, d). Aangezien het 9:1 chloroform/ethanol oplosmiddel snel verdampt nadat het uit het mondstuk is vrijgekomen, neemt het viscositeitsverschil tussen 11 en 12 gew.% oplossingen snel toe (Figuur S1, ondersteunende informatie). [7] Daarom kan een concentratieverschil van slechts 1 gew.% een significante verandering in vezeldiameter veroorzaken.
Alvorens de filterprestaties te controleren (Figuur S2, ondersteunende informatie), werden elektrospun nonwovens van standaarddikte vervaardigd om verschillende filters redelijk te vergelijken, omdat de dikte een belangrijke factor is die het drukverschil en de filtratie-efficiëntie van de filterprestaties beïnvloedt. Omdat nonwovens zacht en poreus zijn, is het moeilijk om de dikte van electrospun nonwovens direct te bepalen. De dikte van de stof is over het algemeen evenredig met de oppervlaktedichtheid (gewicht per oppervlakte-eenheid, basisgewicht). Daarom gebruiken we in deze studie het basisgewicht (gm-2) als een effectieve maatstaf voor de dikte. [8] De dikte wordt geregeld door de elektrospintijd te wijzigen, zoals weergegeven in figuur 2e. Naarmate de spintijd toeneemt van 1 minuut tot 10 minuten, neemt de dikte van de microvezelmat toe tot respectievelijk 0,2, 2,0, 5,2 en 9,1 gm-2. Op dezelfde manier werd de dikte van de nanovezelmat vergroot tot respectievelijk 0,2, 1,0, 2,5 en 4,8 gm-2. Microvezel- en nanovezelmatten worden door hun diktewaarden (gm-2) aangeduid als: M0.2, M2.0, M5.2 en M9.1, en N0.2, N1.0, N2.5 en N4. 8.
Het luchtdrukverschil (ΔP) van het gehele monster is een belangrijke indicator van de filterprestatie. [9] Ademen door een filter met een hoge drukval is oncomfortabel voor de gebruiker. Uiteraard wordt waargenomen dat de drukval toeneemt naarmate de dikte van het filter toeneemt, zoals weergegeven in figuur S3, ondersteunende informatie. De nanovezelmat (N4.8) vertoont een hogere drukval dan de microvezelmat (M5.2) bij een vergelijkbare dikte omdat de nanovezelmat kleinere poriën heeft. Terwijl de lucht door het filter gaat met een snelheid tussen 0,5 en 13,2 ms-1, neemt de drukval van de twee verschillende typen filters geleidelijk toe van 101 Pa tot 102 Pa. De dikte moet worden geoptimaliseerd om de drukval en de verwijdering van fijnstof in evenwicht te brengen efficiëntie; een luchtsnelheid van 1,0 ms-1 is redelijk omdat de tijd die de mens nodig heeft om door de mond te ademen ongeveer 1,3 ms-1 is. [10] In dit opzicht is de drukval van M5.2 en N4.8 acceptabel bij een luchtsnelheid van 1,0 ms-1 (minder dan 50 Pa) (Figuur S4, ondersteunende informatie). Houd er rekening mee dat de drukval van N95 en vergelijkbare Koreaanse filterstandaard (KF94) maskers respectievelijk 50 tot 70 Pa is. Verdere CsW-verwerking en micro/nano-filterintegratie kunnen de luchtweerstand verhogen; daarom hebben we, om de drukvalmarge te bieden, N2.5 en M2.0 geanalyseerd voordat we M5.2 en N4.8 analyseerden.
Bij een beoogde luchtsnelheid van 1,0 ms-1 werd de verwijderingsefficiëntie van PM1.0, PM2.5 en PM10 van PBS-microvezel- en nanovezelmatten bestudeerd zonder statische lading (Figuur S5, ondersteunende informatie). Er wordt waargenomen dat de efficiëntie van de verwijdering van PM in het algemeen toeneemt met de toename in dikte en PM-grootte. De verwijderingsefficiëntie van N2.5 is beter dan die van M2.0 vanwege de kleinere poriën. De verwijderingsefficiëntie van M2.0 voor PM1.0, PM2.5 en PM10 was respectievelijk 55,5%, 64,6% en 78,8%, terwijl de vergelijkbare waarden van N2.5 71,9%, 80,1% en 89,6% waren (Figuur 2f). We merkten dat het grootste verschil in efficiëntie tussen M2.0 en N2.5 PM1.0 is, wat aangeeft dat het fysieke zeven van het microvezelgaas effectief is voor PM op micron-niveau, maar niet voor PM op nano-niveau (Figuur S6, ondersteunende informatie). , M2.0 en N2.5 vertonen beide een laag PM-opvangvermogen van minder dan 90%. Bovendien is N2.5 mogelijk gevoeliger voor stof dan M2.0, omdat stofdeeltjes de kleinere poriën van N2.5 gemakkelijk kunnen verstoppen. Bij afwezigheid van statische lading is fysiek zeven beperkt in zijn vermogen om tegelijkertijd de vereiste drukval en verwijderingsefficiëntie te bereiken vanwege de wisselwerking tussen beide.
Elektrostatische adsorptie is de meest gebruikte methode om PM op een efficiënte manier af te vangen. [11] Over het algemeen wordt statische lading met kracht op het niet-geweven filter aangebracht via een elektrisch veld met hoge energie; deze statische lading wordt echter gemakkelijk afgevoerd onder vochtige omstandigheden, wat resulteert in het verlies van het vermogen om PM te vangen. [4] Als biogebaseerd materiaal voor elektrostatische filtratie hebben we CsW van 200 nm lang en 40 nm breed geïntroduceerd; vanwege hun ammoniumgroepen en polaire amidegroepen bevatten deze nanohiskers permanente kationische ladingen. De beschikbare positieve lading op het oppervlak van CsW wordt weergegeven door zijn zeta-potentiaal (ZP); CsW is gedispergeerd in water met een pH van 4,8 en hun ZP blijkt +49,8 mV te zijn (Figuur S7, ondersteunende informatie).
CsW-gecoate PBS-microvezels (ChMs) en nanovezels (ChNs) werden bereid door eenvoudige dompelcoating in 0,2 gew.% CsW-waterdispersie, wat de juiste concentratie is om de maximale hoeveelheid CsWs aan het oppervlak van PBS-vezels te hechten, zoals weergegeven in de figuur Getoond in figuur 3a en figuur S8, ondersteunende informatie. Het stikstofenergie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS)-beeld laat zien dat het oppervlak van de PBS-vezel uniform is gecoat met CsW-deeltjes, wat ook duidelijk is in het beeld van de scanning-elektronenmicroscoop (SEM) (Figuur 3b; Figuur S9, ondersteunende informatie) . Bovendien maakt deze coatingmethode het mogelijk dat geladen nanomaterialen het vezeloppervlak fijn kunnen wikkelen, waardoor het elektrostatische PM-verwijderingsvermogen wordt gemaximaliseerd (Figuur S10, ondersteunende informatie).
De efficiëntie van de PM-verwijdering van ChM en ChN werd bestudeerd (Figuur 3c). M2.0 en N2.5 werden gecoat met CsW om respectievelijk ChM2.0 en ChN2.5 te produceren. De verwijderingsefficiëntie van ChM2.0 voor PM1.0, PM2.5 en PM10 was respectievelijk 70,1%, 78,8% en 86,3%, terwijl de vergelijkbare waarden van ChN2.5 respectievelijk 77,0%, 87,7% en 94,6% waren. De CsW-coating verbetert de verwijderingsefficiëntie van M2.0 en N2.5 aanzienlijk, en het effect dat wordt waargenomen voor iets kleinere PM is significanter. In het bijzonder verhoogden chitosan nanohiskers de verwijderingsefficiëntie van M2.0's PM0.5 en PM1.0 met respectievelijk 15% en 13% (Figuur S11, ondersteunende informatie). Hoewel M2.0 moeilijk is om de kleinere PM1.0 uit te sluiten vanwege de relatief brede fibrillenafstand (Figuur 2c), adsorbeert ChM2.0 PM1.0 omdat de kationen en amiden in CsW's door ion-ion gaan, waardoor pool-ion-interactie wordt gekoppeld , en dipool-dipool interactie met stof. Vanwege de CsW-coating is de PM-verwijderingsefficiëntie van ChM2.0 en ChN2.5 net zo hoog als die van dikkere M5.2 en N4.8 (Tabel S3, ondersteunende informatie).
Interessant is dat, hoewel de efficiëntie van de verwijdering van PM sterk is verbeterd, de CsW-coating nauwelijks invloed heeft op de drukval. De drukval van ChM2.0 en ChN2.5 nam licht toe tot 15 en 23 Pa, bijna de helft van de toename die werd waargenomen voor M5.2 en N4.8 (Figuur 3d; Tabel S3, ondersteunende informatie). Coaten met biobased materialen is daarom een ​​geschikte methode om te voldoen aan de prestatie-eisen van twee basisfilters; dat wil zeggen, PM-verwijderingsefficiëntie en luchtdrukverschil, die elkaar uitsluiten. De verwijderingsefficiëntie van PM1.0 en PM2.5 van ChM2.0 en ChN2.5 is echter beide lager dan 90%; uiteraard moet deze prestatie worden verbeterd.
Een geïntegreerd filtersysteem bestaande uit meerdere membranen met geleidelijk veranderende vezeldiameters en poriegroottes kan bovenstaande problemen oplossen [12]. Het geïntegreerde luchtfilter heeft de voordelen van twee verschillende nanovezels en superfijne vezelnetten. In dit opzicht worden ChM en ChN eenvoudig gestapeld om geïntegreerde filters (Int-MN's) te produceren. Int-MN4.5 wordt bijvoorbeeld bereid met behulp van ChM2.0 en ChN2.5, en de prestaties worden vergeleken met ChN4.8 en ChM5.2 die vergelijkbare oppervlaktedichtheden hebben (dwz dikte). In het PM-verwijderingsefficiëntie-experiment werd de ultrafijne vezelzijde van Int-MN4.5 blootgesteld in de stoffige ruimte omdat de ultrafijne vezelzijde beter bestand was tegen verstopping dan de nanovezelzijde. Zoals weergegeven in figuur 4a, vertoont Int-MN4.5 een betere efficiëntie voor het verwijderen van PM en een drukverschil dan twee filters met één component, met een drukval van 37 Pa, vergelijkbaar met ChM5.2 en veel lager dan ChM5.2 ChN4. 8. Bovendien is de PM1.0-verwijderingsefficiëntie van Int-MN4.5 91% (Figuur 4b). Aan de andere kant vertoonde ChM5.2 niet zo'n hoge PM1.0-verwijderingsefficiëntie omdat de poriën groter zijn dan die van Int-MN4.5.


Posttijd: nov-03-2021