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大氣顆粒物（PM）已被公認為會對全球環(huán)境造成重大危害，以及對人類健康和制造業(yè)都有不利影響。纖維過濾器已被廣泛用于確保室內(nèi)空氣質(zhì)量，但在過濾效率和空氣阻力之間存在權(quán)衡問題。靜電輔助駐極體過濾器是解決這一問題的一個很有前景的方法，但該過濾器依然存在過濾效率低、機械性能差、空氣風阻大等問題。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較長的時間。眾所周知，接觸PM會導(dǎo)致健康問題，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）更長的時間和行進距離。直徑為100 μm的PM通常需要4-9小時才能落地，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%以上的時間都在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣過濾可以成為一種有效的權(quán)宜之計。室內(nèi)去除PM最常見的技術(shù)是纖維膜過濾，其中PM被纖維捕獲，同時讓清潔空氣通過。為了確保微米大小的PM具有高過濾效率，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)致空氣過濾器的能量需求更高，同時降低其空氣流量。然而，強制空氣流也可能降低過濾器的效率并提供操作成本。

靜電輔助駐極體過濾器已被提出用于在不犧牲空氣流的情況下提高過濾效率。該設(shè)計策略使用庫侖力通過介電纖維膜產(chǎn)生電場來增加帶電PM的去除，幾種現(xiàn)有的靜電輔助駐極體過濾器已證明對各種空氣污染物具有良好的性能。雖然通過更高的氣流可以獲得更高的凈化通量，但增加的氣流會對纖維膜施加更大的風壓，這可能導(dǎo)致過濾器變形甚至結(jié)構(gòu)坍塌。提高過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濾效果，并具有大的氣隙，因此對空氣的阻力較小。

在這項工作中，作者提取了蠶絲衍生的絲素納米纖維作為表面添加劑，通過涂層工藝對聚對苯二甲酸乙二醇酯（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）。通過探討SNF含量對PET纖維膜微觀結(jié)構(gòu)和力學性能的調(diào)節(jié)作用，研究了SNF對纖維膜結(jié)構(gòu)抗風壓穩(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。

靜電輔助空氣過濾系統(tǒng)設(shè)計

使用靜電輔助空氣過濾系統(tǒng)評估了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)、過濾器充電系統(tǒng)和信號檢測系統(tǒng)組成。經(jīng)過高效顆?？諝膺^濾器（HEPA）凈化后的空氣由供氣系統(tǒng)吸入，首先通過流量穩(wěn)定板將空氣送入風道。同時，顆粒產(chǎn)生系統(tǒng)將測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)動污染物通過由一個鎢尖和兩個不銹鋼環(huán)組成的直流電暈放電場，以7 kV的放電電壓給顆粒充電。SNF@PET纖維膜被放置在一個由兩個銅網(wǎng)組成的過濾器充電系統(tǒng)中，一個在DC 18 kV處充電，另一個接地。在電極化場中，帶電粒子由氣流驅(qū)動向SNF@PET纖維膜移動，并被SNF@PET纖維膜捕獲。最后，信號檢測系統(tǒng)測量纖維膜上、下游的顆粒數(shù)量、通過纖維膜的氣流壓降（即空氣阻力），以及風管內(nèi)的溫度和濕度等信息。

圖2. 顆粒過濾性能試驗的實驗設(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纖維膜在直接過濾的情況下對 PM0.3-0.5的過濾效率僅為 1.3%，而且在 0.1 m/s的風速下空氣阻力也很低，僅為 3.4 Pa。經(jīng)過2wt% SNF改性后，過濾效率顯著提高到 9.4%，與PET過濾器相比提高了 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過濾器相比，SNF@PET過濾器的直接過濾效率明顯更高。當SNF處理含量增加到 6wt% 時，SNF@PET過濾器的過濾效率略有下降。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。與直接過濾相比，靜電驅(qū)動過濾顯著提高了PM0.3-0.5的過濾效率，從 1.3% 提高到 97.9%。靜電場促使帶電的PM加速飛向極化纖維并被其捕獲。經(jīng)過 SNF 處理后，靜電過濾效率進一步提高到 99.7%。SNF是一種生物基駐極體材料，具有相對較高的偶極矩（3.5 D）。SNF 分子鏈可以自組裝成無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，為偶極子運動提供了空間。相反，硬段有利于提高擊穿強度。對 PET 纖維進行 SNF 處理可有效提高其介電性能，這在靜電場建模中可以直觀地看到。如圖4所示，在空氣中的兩個平板電極之間隨機分布著具有高介電常數(shù)的纖維。一個電極施加 +18 kV 電壓，另一個電極接地（0 kV）。模擬 PET 纖維和 SNF@PET 纖維的電場分布分別如圖4a 和圖4b所示?？梢钥闯?，極化纖維周圍的電場線發(fā)生了明顯變形，這是原始電場和纖維周圍感應(yīng)電場共同作用的結(jié)果。在對兩個電極之間的整個介質(zhì)進行全局評估時，計算得出帶有 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能力，使纖維膜能夠產(chǎn)生更強的感應(yīng)電場，從而提高其捕獲和裝載 PM 的能力。

圖3. SNF@PET纖維膜的PM過濾性能。(A)有無靜電驅(qū)動的SNF@PET纖維膜的過濾效率。(B)在風速為0.1 m/s時，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濾效率。(E)在0.2 m/s的空氣速度下，SNF@PET（2wt% SNF）纖維膜的過濾效率和空氣阻力。(F)SNF@PET纖維膜與文獻中其他纖維膜對PM0.3-0.5過濾的性能比較。

圖4. 一個夾有纖維膜的平行板電容器周圍的靜電場分布。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的纖維膜過濾器。SNF可以增強的纖維膜的機械性能，提高PM的去除能力。當暴露在寬泛的溫度和濕度條件下時，纖維膜表現(xiàn)出良好的長期穩(wěn)定性和耐久性。該工作為室內(nèi)空氣凈化中經(jīng)濟高效的空氣過濾提供了廣闊的前景。