Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Republic of Korea
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Materiali Avanzati è Ingegneria Chimica, Università di Scienza è Tecnulugia (UST), Daejeon, 34113 Repubblica di Corea
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A causa di a pandemia di coronavirus è di prublemi ligati à a materia particulata (PM) in l'aria, a dumanda di maschere hè cresciuta in modu esponenziale.Tuttavia, i filtri di maschera tradiziunali basati nantu à l'elettricità statica è nano sieve sò tutti dispunibuli, micca degradabili o riciclabili, chì pruvucanu gravi prublemi di rifiuti.Inoltre, u primu perderà a so funzione in cundizioni umidi, mentre chì l'ultime operarà cù una caduta di pressione di l'aria significativa è un incrudumentu di poru relativamente veloce.Quì, hè statu sviluppatu un filtru di maschere in fibra biodegradabile, resistente à l'umidità, altamente traspirante è d'altu rendiment.In cortu, duie fibre ultrafine biodegradabili è stuoie nanofiber sò integrate in u filtru di a membrana Janus, è poi rivestiti cù nanowhiskers di chitosanu carichi cationichi.Stu filtru hè efficiente cum'è u filtru N95 cummerciale è pò sguassà 98,3% di 2,5 µm PM.Nanofibres schermu fisicu particelle fini, è fibre ultrafine furnisce una differenza di pressione bassa di 59 Pa, chì hè adattatu per a respirazione umana.Cuntrariu à u forte calata di u funziunamentu di i filtri N95 cummirciali quandu sò esposti à l'umidità, a perdita di rendiment di stu filtru hè insignificante, perchè pò esse usatu parechje volte perchè u dipolu permanente di chitosan adsorbe PM ultrafine (per esempiu, nitrogenu).È ossidi di sulfuru).Hè impurtante chì stu filtru si decompone completamente in a terra composta in 4 simane.
L'attuale pandemia di coronavirus (COVID-19) senza precedenti conduce una grande dumanda di maschere.[1] L'Organizazione Mondiale di a Salute (OMS) stima chì 89 milioni di maschere mediche sò necessarie ogni mese questu annu.[1] Ùn solu i prufessiunali di a salute anu bisognu di maschere N95 d'alta efficienza, ma e maschere di scopu generale per tutti l'individui sò diventate ancu un equipamentu indispensabile di ogni ghjornu per a prevenzione di sta malatia infettiva respiratoria.[1] Inoltre, i ministeri pertinenti ricumandenu fermamente l'usu di maschere dispunibuli ogni ghjornu, [1] questu hà purtatu à prublemi ambientali ligati à grandi quantità di rifiuti di maschere.
Siccomu a materia particulata (PM) hè attualmente u prublema più problematicu di a contaminazione di l'aria, e maschere sò diventate a contramisura più efficace dispunibile per l'individui.PM hè divisu in PM2.5 è PM10 secondu a dimensione di particella (2.5 è 10μm rispettivamente), chì affetta seriamente l'ambienti naturali [2] è a qualità di a vita umana in diversi modi.[2] Ogni annu, PM causa 4,2 milioni di morti è 103,1 milioni di anni di vita adattati per disabili.[2] PM2.5 presenta una minaccia particularmente seria per a salute è hè ufficialmente designatu cum'è carcinogenu di u gruppu I.[2] Per quessa, hè puntuale è impurtante di ricerca è sviluppà un filtru di maschera efficiente in quantu à a permeabilità di l'aria è a rimozione di PM.[3]
In generale, i filtri di fibra tradiziunali catturanu PM in dui modi diffirenti: per mezu di criscimentu fisicu basatu in nanofibre è adsorbimentu elettrostaticu basatu in microfibre (Figura 1a).L'usu di filtri basati in nanofibre, in particulare i tappe di nanofibra elettrospun, hà dimustratu esse una strategia efficace per sguassà PM, chì hè u risultatu di una larga disponibilità di materiale è di una struttura di produttu cuntrullabile.[3] U tappettu di nanofibra pò caccià particeddi di a dimensione di destinazione, chì hè causata da a diferenza di dimensione trà e particelle è i pori.[3] Tuttavia, e fibre nano-scala anu da esse densamente impilate per furmà pori estremamente chjuchi, chì sò dannusu à a respirazione umana cunfortu per via di a differenza di alta pressione assuciata.Inoltre, i picculi buchi seranu inevitabilmente bluccati relativamente rapidamente.
Per d 'altra banda, u tappettu di fibra ultrafine meltblown hè carica elettrostaticamente da un campu elettricu d'alta energia, è particelle assai chjuche sò catturate da l'adsorzione elettrostatica.[4] Cum'è un esempiu rappresentativu, u respiratore N95 hè un respiratore di maschera facciale filtrante di particelle chì risponde à i requisiti di l'Istitutu Naziunale di Sicurezza è Salute Occupational perchè pò filtrà almenu u 95% di e particelle in l'aria.Stu tipu di filtru assorbe PM ultrafine, chì hè generalmente cumpostu di sustanzi anionici cum'è SO42− è NO3−, attraversu una forte attrazione elettrostatica.In ogni casu, a carica statica nantu à a superficia di u tappettu di fibra hè facilmente dissipata in un ambiente umitu, cum'è si trova in a respirazione umana umida, [4] risultatu in una diminuzione di a capacità di adsorption.
In ordine à migliurà u funziunamentu di filtration o risolviri u trade-off trà efficienza rimuzzioni è caduta di prissioni, filtri basatu nantu nanofibers è microfibers sò cumminati cù materiali high-k, cum'è materiali di carbone, frameworks metalliche organiche, è nanoparticule PTFE.[4] Tuttavia, a toxicità biologica incerta è a dissipazione di carica di questi additivi sò sempre prublemi inevitabbili.[4] In particulare, sti dui tipi di filtri tradiziunali ùn sò generalmente micca degradabili, perch'elli saranu eventualmente intarrati in discarica o incinerati dopu l'usu.Per quessa, u sviluppu di filtri di maschere migliurati per risolve questi prublemi di rifiuti è à u stessu tempu catturà PM in una manera satisfactoria è putente hè una esigenza attuale impurtante.
Per risolve i prublemi sopra, avemu fabricatu un filtru di membrana Janus integratu cù stuoie di microfibra è nanofibre basate in poly(butilene succinate) (PBS-based) [5].U filtru di membrana di Janus hè rivestitu cù nano whiskers di chitosan (CsWs) [5] (Figura 1b).Comu tutti sapemu, PBS hè un polimeru biodegradable rappresentativu, chì pò pruduce fibre ultrafine è nanofibre nonwovens attraversu l'elettrospinning.E fibre nano-scala intrappolanu fisicamente PM, mentre chì e nano-fibre micro-scala riducenu a caduta di pressione è agiscenu cum'è un quadru CsW.Chitosan hè un materiale bio-basatu chì hè statu pruvatu à avè boni proprietà biologiche, cumprese biocompatibilità, biodegradabilità è tossicità relativamente bassa, [5] chì ponu riduce l'ansietà assuciata à l'inalazione accidentale di l'utilizatori.[5] Inoltre, u chitosan hà siti cationichi è gruppi amidi polari.[5] Ancu in cundizioni umidi, pò attruverà particelle ultrafini polari (cum'è SO42- è NO3-).
Quì, raportemu un filtru di maschera biodegradabile, d'alta efficienza, a prova di umidità è di bassa pressione basatu nantu à materiali biodegradabili prontamente dispunibili.A causa di a cumminazione di vagliatura fisica è adsorbimentu elettrostaticu, u filtru integratu di microfibra / nanofibra rivestita di CsW hà una alta efficienza di rimozione PM2.5 (finu à 98%), è à u stessu tempu, a caduta di pressione massima nantu à u filtru più grossu hè. solu Hè 59 Pa, adattatu per a respirazione umana.Paragunatu à a degradazione significativa di u rendiment esibita da u filtru cummerciale N95, stu filtru mostra una perdita insignificante di l'efficienza di rimozione di PM (<1%) ancu quandu hè cumplettamente bagnata, per via di a carica CsW permanente.Inoltre, i nostri filtri sò completamente biodegradabili in terra composta in 4 settimane.In cunfrontu cù altri studii cù cuncetti simili, in quale a parte di u filtru hè cumpostu di materiali biodegradabili, o mostra un rendimentu limitatu in l'applicazioni potenziali di biopolimeru nonwoven, [6] stu filtru mostra direttamente Biodegradabilità di funziunalità avanzata (filmu S1, supporting information).
Cum'è un cumpunente di u filtru di membrana Janus, sò stati prima preparati tappetini PBS nanofibra è fibra superfine.Dunque, 11% è 12% suluzioni PBS sò stati electrospun per pruduce fibre nanometru è micrometru, rispettivamente, per via di a so differenza di viscosità.[7] L'infurmazioni detallati di e caratteristiche di a suluzione è e cundizioni ottimali di l'elettrospinning sò listati in i Tabella S1 è S2, in l'infurmazioni di supportu.Siccomu a fibra as-spun cuntene sempre solvente residuale, un bagnu di coagulazione d'acqua addiziale hè aghjuntu à un dispositivu elettrospinning tipicu, cum'è mostra in Figura 2a.Inoltre, u bagnu di l'acqua pò ancu aduprà u quadru per cullà a matera di fibra PBS pura coagulata, chì hè sfarente da a matrice solida in u locu tradiziunale (Figura 2b).[7] I diametri di fibra media di i tappetti di microfibra è nanofibra sò 2,25 è 0,51 µm, rispettivamente, è i diametri di poru mediu sò 13,1 è 3,5 µm, rispettivamente (Figura 2c, d).Siccomu u solvente di cloroformu / etanolu 9: 1 si evapora rapidamente dopu esse liberatu da l'ugello, a diferenza di viscosità trà 11 è 12% in peso di soluzioni aumenta rapidamente (Figura S1, infurmazione di sustegnu).[7] Dunque, una diferenza di cuncentrazione di solu 1% in peso pò causà un cambiamentu significativu in u diametru di a fibra.
Prima di verificà a prestazione di u filtru (Figura S2, infurmazione di supportu), per paragunà diversi filtri ragiunate, sò stati fabbricati nonwovens elettrofilati di spessore standard, perchè u spessore hè un fattore impurtante chì influenza a differenza di pressione è l'efficienza di filtrazione di u rendiment di u filtru.Siccomu i nonwovens sò morbidi è porosi, hè difficiule di determinà direttamente u grossu di i nonwovens electrospun.U grossu di u tela hè generalmente proporzionale à a densità di a superficia (pesu per unità di area, pesu di basa).Per quessa, in stu studiu, usemu u pesu di basa (gm-2) cum'è una misura efficace di u grossu.[8] U gruixu hè cuntrullatu da cambià u tempu di electrospinning, cum'è mostra in a Figura 2e.Quandu u tempu di filatura aumenta da 1 minuti à 10 minuti, u gruixu di u tappettu di microfibra aumenta à 0,2, 2,0, 5,2 è 9,1 gm-2, rispettivamente.In u listessu modu, u gruixu di a nanofibra hè stata aumentata à 0,2, 1,0, 2,5 è 4,8 gm-2, rispettivamente.I tappetini in microfibra è nanofibra sò designati da i so valori di spessore (gm-2) cum'è: M0.2, M2.0, M5.2 è M9.1, è N0.2, N1.0, N2.5 è N4. 8.
A diferenza di pressione di l'aria (ΔP) di tutta a mostra hè un indicatore impurtante di u rendiment di u filtru.[9] A respirazione attraversu un filtru cù una caduta di pressione alta hè incunificatu per l'utilizatori.Naturalmente, hè osservatu chì a caduta di pressione aumenta cum'è u gruixu di u filtru aumenta, cum'è mostra in Figura S3, infurmazione di sustegnu.U tappettu di nanofibra (N4.8) mostra una caduta di pressione più altu ch'è u tappettu di microfibra (M5.2) à un spessore paragunabile perchè u tappettu di nanofibra hà pori più chjuchi.Quandu l'aria passa per u filtru à una vitezza trà 0,5 è 13,2 ms-1, a caduta di pressione di i dui tipi di filtri aumenta gradualmente da 101 Pa à 102 Pa. U gruixu deve esse ottimisatu per equilibrà a caduta di pressione è a rimozione di PM. efficienza;una velocità di l'aria di 1,0 ms-1 hè ragiunate perchè u tempu chì ci vole à l'omu per respira per a bocca hè di circa 1,3 ms-1.[10] In questu sensu, a caduta di pressione di M5.2 è N4.8 hè accettabile à una velocità di l'aria di 1.0 ms-1 (menu di 50 Pa) (Figura S4, infurmazione di sustegnu).Per piacè nutate chì a caduta di pressione di e maschere N95 è simili filtri standard coreani (KF94) hè di 50 à 70 Pa, rispettivamente.Ulteriori trasfurmazioni CsW è integrazione di filtru micro / nano ponu aumentà a resistenza di l'aria;dunque, in ordine per furnisce u margine di caduta di pressione, avemu analizatu N2.5 è M2.0 prima di analizà M5.2 è N4.8.
À una velocità di l'aria di destinazione di 1.0 ms-1, l'efficienza di rimozione di PM1.0, PM2.5 è PM10 di microfibra PBS è stuoie nanofibra hè stata studiata senza carica statica (Figura S5, infurmazione di sustegnu).Hè osservatu chì l'efficienza di rimozione di PM aumenta in generale cù l'aumentu di u grossu è a dimensione di PM.L'efficienza di rimuzione di N2.5 hè megliu cà M2.0 per via di i so pori più chjuchi.L'efficienza di rimozione di M2.0 per PM1.0, PM2.5 è PM10 eranu 55.5%, 64.6% è 78.8%, rispettivamente, mentre chì i valori simili di N2.5 eranu 71.9%, 80.1% è 89.6% (Figura). 2f).Avemu nutatu chì a più grande differenza di efficienza trà M2.0 è N2.5 hè PM1.0, chì indica chì u filamentu fisicu di a reta di microfibra hè efficace per PM à livellu di micron, ma ùn hè micca efficace per PM nano-livellu (Figura). S6, infurmazione di sustegnu)., M2.0 è N2.5 mostranu tramindui una capacità di cattura PM bassa di menu di 90%.Inoltre, N2.5 pò esse più suscettibile à a polvera cà M2.0, perchè e particelle di polvera ponu facilmente bluccà i pori più chjuchi di N2.5.In l'absenza di carica statica, a filtrazione fisica hè limitata in a so capacità di ottene a caduta di pressione necessaria è l'efficienza di rimozione à u stessu tempu per via di a relazione di scambiu trà elli.
L'adsorzione elettrostatica hè u metudu più utilizatu per catturà PM in modu efficiente.[11] In generale, a carica statica hè applicata in forza à u filtru non-tessutu attraversu un campu elettricu d'alta energia;in ogni modu, sta carica statica hè facilmente dissipata in cundizioni umidi, risultatu in a perdita di capacità di cattura PM.[4] Cum'è un materiale bio-basatu per a filtrazione elettrostatica, avemu introduttu 200 nm long è 40 nm wide CsW;per via di i so gruppi di ammonium è di i gruppi amidi polari, sti nanowhiskers cuntenenu carichi cationici permanenti.A carica pusitiva dispunibule nantu à a superficia di CsW hè rapprisintata da u so potenziale zeta (ZP);CsW hè dispersatu in l'acqua cù un pH di 4,8, è u so ZP si trova à + 49,8 mV (Figura S7, infurmazione di sustegnu).
I microfibre PBS (ChMs) è nanofibre (ChNs) rivestiti di CsW sò stati preparati da un semplice dip coating in 0.2 wt% CsW dispersione d'acqua, chì hè a cuncentrazione adatta per aghjunghje a quantità massima di CsWs à a superficia di fibre PBS, cum'è mostra in u Figura Mostrata in Figura 3a è Figura S8, infurmazione di sustegnu.L'immagine di spettroscopia di raghji X (EDS) dispersiva di l'energia di nitrogenu mostra chì a superficia di a fibra PBS hè uniformemente rivestita di particelle CsW, chì hè ancu evidenti in l'imaghjini di u microscopiu elettronicu à scanning (SEM) (Figura 3b; Figura S9, infurmazione di sustegnu) .Inoltre, stu metudu di stu rivestimentu permette à i nanomateriali caricati di avvolgere finamente a superficia di a fibra, maximizendu cusì a capacità di rimozione elettrostatica di PM (Figura S10, infurmazione di sustegnu).
L'efficienza di rimozione PM di ChM è ChN hè stata studiata (Figura 3c).M2.0 è N2.5 sò stati rivestiti cù CsW per pruduce ChM2.0 è ChN2.5, rispettivamente.L'efficienze di rimozione di ChM2.0 per PM1.0, PM2.5 è PM10 eranu 70.1%, 78.8% è 86.3%, rispettivamente, mentre chì i valori simili di ChN2.5 eranu 77.0%, 87.7% è 94.6% rispettivamente.U revestimentu CsW migliurà assai l'efficienza di rimozione di M2.0 è N2.5, è l'effettu osservatu per PM ligeramente più chjucu hè più significativu.In particulare, i nanowhiskers di chitosan anu aumentatu l'efficienza di rimuzione di PM0.5 è PM1.0 di M2.0 da 15% è 13%, rispettivamente (Figura S11, infurmazione di sustegnu).Ancu se M2.0 hè difficiule di escludiri u PM1.0 più chjucu per via di a so spaziatura di fibrilla relativamente larga (Figura 2c), ChM2.0 adsorbe PM1.0 perchè i cationi è l'amidi in CsWs passanu per ion-ion, coupling Pole-ion interaction. , è l'interazione dipolu-dipolu cù a polvera.A causa di u so revestimentu CsW, l'efficienza di rimozione PM di ChM2.0 è ChN2.5 hè altu cum'è quella di M5.2 è N4.8 più grossi (Table S3, supporting information).
Curiosamente, anche se l'efficienza di rimozione di PM hè assai migliurata, u revestimentu CsW ùn affetta pocu a caduta di pressione.A caduta di pressione di ChM2.0 è ChN2.5 hà aumentatu ligeramente à 15 è 23 Pa, quasi a mità di l'aumentu osservatu per M5.2 è N4.8 (Figura 3d; Table S3, infurmazione di sustegnu).Dunque, u revestimentu cù materiali bio-basati hè un metudu adattatu per risponde à i requisiti di prestazione di dui filtri basi;vale à dì, l'efficienza di rimozione di PM è a differenza di pressione di l'aria, chì sò mutualmente esclusivi.In ogni casu, l'efficienza di rimozione PM1.0 è PM2.5 di ChM2.0 è ChN2.5 sò tramindui più bassu di 90%;ovviamente, sta prestazione deve esse migliurata.
Un sistema di filtrazione integrata cumpostu di multiple membrane cù diametri di fibre è dimensioni di pori chì cambianu gradualmente pò risolve i prublemi sopra [12].U filtru di l'aria integrata hà i vantaghji di duie nanofibre differenti è rete di fibre superfine.In questu sensu, ChM è ChN sò simpliciamente impilati per pruduce filtri integrati (Int-MN).Per esempiu, Int-MN4.5 hè preparatu cù ChM2.0 è ChN2.5, è a so prestazione hè paragunata cù ChN4.8 è ChM5.2 chì anu densità di l'area simili (ie grossu).In l'esperimentu di l'efficienza di rimozione di PM, u latu di fibra ultrafine di Int-MN4.5 hè statu espostu in a stanza polverosa perchè u latu di fibra ultrafine era più resistente à l'otturazione di u latu di nanofibra.Cum'è mostra in a Figura 4a, Int-MN4.5 mostra una megliu efficienza di rimozione PM è differenza di pressione di dui filtri unicu cumpunenti, cù una caduta di pressione di 37 Pa, chì hè simile à ChM5.2 è assai più bassu di ChM5.2 ChN4.8. Inoltre, l'efficienza di rimuzione PM1.0 di Int-MN4.5 hè 91% (Figura 4b).Per d 'altra banda, ChM5.2 ùn hà micca mostratu una tale efficienza di rimozione PM1.0 perchè i so pori sò più grande di quelli di Int-MN4.5.
Tempu di Postu: Nov-03-2021
