Filtru de mască multifuncțional biodegradabil, eficient și respirabil-Choi-2021-Advanced Science

Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Materiale avansate și inginerie chimică, Universitatea de Știință și Tehnologie (UST), Daejeon, 34113 Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Materiale avansate și inginerie chimică, Universitatea de Știință și Tehnologie (UST), Daejeon, 34113 Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Materiale avansate și inginerie chimică, Universitatea de Știință și Tehnologie (UST), Daejeon, 34113 Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Materiale avansate și inginerie chimică, Universitatea de Știință și Tehnologie (UST), Daejeon, 34113 Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Materiale avansate și inginerie chimică, Universitatea de Știință și Tehnologie (UST), Daejeon, 34113 Republica Coreea
Centrul de Cercetare în Chimie Biobased al Institutului Coreean de Tehnologie Chimică (KRICT), Ulsan, 44429, Republica Coreea
Materiale avansate și inginerie chimică, Universitatea de Știință și Tehnologie (UST), Daejeon, 34113 Republica Coreea
Utilizați linkul de mai jos pentru a partaja versiunea text integrală a acestui articol prietenilor și colegilor dvs. Aflați mai multe.
Din cauza pandemiei de coronavirus și a problemelor legate de particulele (PM) din aer, cererea de măști a crescut exponențial. Cu toate acestea, filtrele tradiționale de mască bazate pe electricitate statică și nano sită sunt toate de unică folosință, nedegradabile sau reciclabile, ceea ce va cauza probleme serioase de deșeuri. În plus, primul își va pierde funcția în condiții umede, în timp ce cel din urmă va funcționa cu o scădere semnificativă a presiunii aerului și se va produce înfundarea relativ rapidă a porilor. Aici, a fost dezvoltat un filtru de mască din fibre biodegradabil, rezistent la umiditate, foarte respirabil și de înaltă performanță. Pe scurt, două fibre ultrafine biodegradabile și covorașe de nanofibră sunt integrate în filtrul cu membrană Janus și apoi acoperite cu nanowhiskers de chitosan încărcate cationic. Acest filtru este la fel de eficient ca filtrul comercial N95 și poate elimina 98,3% din 2,5 µm PM. Nanofibrele ecranează fizic particulele fine, iar fibrele ultrafine oferă o diferență de presiune scăzută de 59 Pa, care este potrivită pentru respirația umană. Spre deosebire de scăderea bruscă a performanței filtrelor comerciale N95 atunci când sunt expuse la umiditate, pierderea de performanță a acestui filtru este neglijabilă, așa că poate fi folosit de mai multe ori deoarece dipolul permanent al chitosanului adsorb PM ultrafin (de exemplu, azot). Și oxizi de sulf). Este important ca acest filtru să se descompună complet în solul compostat în decurs de 4 săptămâni.
Actuala pandemie de coronavirus (COVID-19) fără precedent generează o cerere uriașă de măști. [1] Organizația Mondială a Sănătății (OMS) estimează că 89 de milioane de măști medicale sunt necesare în fiecare lună în acest an. [1] Nu numai că profesioniștii din domeniul sănătății au nevoie de măști N95 de înaltă eficiență, dar măștile de uz general pentru toți indivizii au devenit, de asemenea, echipamente zilnice indispensabile pentru prevenirea acestei boli infecțioase respiratorii. [1] În plus, ministerele relevante recomandă cu tărie folosirea măștilor de unică folosință în fiecare zi, [1] acest lucru a dus la probleme de mediu legate de cantități mari de deșeuri de măști.
Întrucât particulele în suspensie (PM) reprezintă în prezent cea mai problematică problemă de poluare a aerului, măștile au devenit cea mai eficientă contramăsură disponibilă pentru indivizi. PM este împărțit în PM2,5 și PM10 în funcție de dimensiunea particulelor (2,5 și respectiv 10μm), ceea ce afectează grav mediul natural [2] și calitatea vieții umane în diferite moduri. [2] În fiecare an, PM provoacă 4,2 milioane de decese și 103,1 milioane de ani de viață ajustați pentru dizabilități. [2] PM2.5 reprezintă o amenințare deosebit de gravă la adresa sănătății și este desemnat oficial ca cancerigen de grup I. [2] Prin urmare, este oportun și important să cercetăm și să dezvoltăm un filtru de mască eficient în ceea ce privește permeabilitatea aerului și îndepărtarea PM. [3]
În general, filtrele tradiționale din fibre captează PM în două moduri diferite: prin cernerea fizică pe bază de nanofibre și prin adsorbție electrostatică pe bază de microfibre (Figura 1a). Utilizarea filtrelor pe bază de nanofibre, în special a covorașelor din nanofibră electrofilate, s-a dovedit a fi o strategie eficientă pentru îndepărtarea PM, care este rezultatul disponibilității extinse a materialelor și al structurii controlabile a produsului. [3] Covorașul din nanofibră poate îndepărta particulele de dimensiunea țintă, care este cauzată de diferența de dimensiune dintre particule și pori. [3] Cu toate acestea, fibrele la scară nanometrică trebuie să fie stivuite dens pentru a forma pori extrem de mici, care sunt dăunătoare respirației umane confortabile din cauza diferenței de presiune ridicată asociată. În plus, găurile mici vor fi inevitabil blocate relativ repede.
Pe de altă parte, covorașul din fibre ultrafine suflate prin topire este încărcat electrostatic de un câmp electric de înaltă energie, iar particulele foarte mici sunt captate prin adsorbție electrostatică. [4] Ca exemplu reprezentativ, respiratorul N95 este un respirator cu mască facială cu filtrare a particulelor care îndeplinește cerințele Institutului Național de Securitate și Sănătate Ocupațională, deoarece poate filtra cel puțin 95% din particulele din aer. Acest tip de filtru absoarbe PM ultrafin, care este de obicei compus din substanțe anionice precum SO42− și NO3−, printr-o puternică atracție electrostatică. Cu toate acestea, sarcina statică de pe suprafața covorașului de fibre este ușor disipată într-un mediu umed, cum ar fi cea găsită în respirația umană umedă, [4] rezultând o scădere a capacității de adsorbție.
Pentru a îmbunătăți și mai mult performanța de filtrare sau pentru a rezolva compromisul dintre eficiența de îndepărtare și căderea de presiune, filtrele bazate pe nanofibre și microfibre sunt combinate cu materiale de înaltă k, cum ar fi materiale de carbon, cadre metalice organice și nanoparticule de PTFE. [4] Cu toate acestea, toxicitatea biologică incertă și disiparea sarcinii acestor aditivi sunt încă probleme inevitabile. [4] În special, aceste două tipuri de filtre tradiționale sunt de obicei nedegradabile, așa că vor fi în cele din urmă îngropate în gropi de gunoi sau incinerate după utilizare. Prin urmare, dezvoltarea unor filtre de mască îmbunătățite pentru a rezolva aceste probleme de deșeuri și, în același timp, a capta PM într-o manieră satisfăcătoare și puternică este o nevoie actuală importantă.
Pentru a rezolva problemele de mai sus, am fabricat un filtru cu membrană Janus integrat cu covorașe din microfibră și nanofibră pe bază de poli(butilen succinat) (pe bază de PBS)[5]. Filtrul cu membrană Janus este acoperit cu nano mustăți de chitosan (CsWs) [5] (Figura 1b). După cum știm cu toții, PBS este un polimer biodegradabil reprezentativ, care poate produce fibre ultrafine și nanofibre nețesute prin electrofilare. Fibrele la scară nano captează fizic PM, în timp ce nanofibrele la scară micro reduc căderea de presiune și acționează ca un cadru CsW. Chitosanul este un material pe bază de bio care s-a dovedit a avea proprietăți biologice bune, inclusiv biocompatibilitate, biodegradabilitate și toxicitate relativ scăzută, [5] care poate reduce anxietatea asociată cu inhalarea accidentală a utilizatorilor. [5] În plus, chitosanul are situsuri cationice și grupări amide polare. [5] Chiar și în condiții umede, poate atrage particule ultrafine polare (cum ar fi SO42- și NO3-).
Aici, raportăm un filtru de mască biodegradabil, de înaltă eficiență, rezistent la umiditate și cu cădere de presiune scăzută, bazat pe materiale biodegradabile ușor disponibile. Datorită combinației dintre cernerea fizică și adsorbția electrostatică, filtrul integrat din microfibră/nanofibră acoperit cu CsW are o eficiență ridicată de îndepărtare a PM2.5 (până la 98%) și, în același timp, căderea maximă de presiune pe cel mai gros filtru este doar Este 59 Pa, potrivit pentru respirația umană. În comparație cu degradarea semnificativă a performanței prezentată de filtrul comercial N95, acest filtru prezintă o pierdere neglijabilă a eficienței de îndepărtare a PM (<1%) chiar și atunci când este complet umed, datorită încărcării permanente CsW. În plus, filtrele noastre sunt complet biodegradabile în sol compostat în decurs de 4 săptămâni. În comparație cu alte studii cu concepte similare, în care partea filtrului este compusă din materiale biodegradabile, sau prezintă performanțe limitate în potențiale aplicații de biopolimer nețesut, [6] acest filtru arată în mod direct Biodegradabilitatea caracteristicilor avansate (filmul S1, informații de sprijin).
Ca o componentă a filtrului cu membrană Janus, au fost pregătite mai întâi covorașe PBS din nanofibră și fibre superfine. Prin urmare, 11% și 12% soluții de PBS au fost electrofilate pentru a produce fibre nanometrice și, respectiv, micrometrice, datorită diferenței lor de vâscozitate. [7] Informațiile detaliate despre caracteristicile soluției și condițiile optime de electrofilare sunt enumerate în tabelele S1 și S2, în informațiile justificative. Deoarece fibra ca filare conține încă solvent rezidual, la un dispozitiv tipic de electrofilare se adaugă o baie de coagulare suplimentară, așa cum se arată în Figura 2a. În plus, baia de apă poate folosi și cadrul pentru a colecta covorașul de fibre PBS pur coagulat, care este diferit de matricea solidă în setarea tradițională (Figura 2b). [7] Diametrele medii ale fibrelor covorașelor din microfibră și nanofibre sunt de 2,25 și, respectiv, 0,51 µm, iar diametrele medii ale porilor sunt de 13,1 și, respectiv, 3,5 µm (Figura 2c, d). Pe măsură ce solventul cloroform/etanol 9:1 se evaporă rapid după ce a fost eliberat din duză, diferența de vâscozitate între soluțiile de 11 și 12% în greutate crește rapid (Figura S1, informații de sprijin). [7] Prin urmare, o diferență de concentrație de numai 1% în greutate poate provoca o schimbare semnificativă a diametrului fibrei.
Înainte de a verifica performanța filtrului (Figura S2, informații justificative), pentru a compara diverse filtre în mod rezonabil, au fost fabricate nețesute electrofilare de grosime standard, deoarece grosimea este un factor important care afectează diferența de presiune și eficiența de filtrare a performanței filtrului. Deoarece materialele nețesute sunt moi și poroase, este dificil să se determine direct grosimea materialelor nețesute electrofilate. Grosimea țesăturii este în general proporțională cu densitatea suprafeței (greutate pe unitate de suprafață, greutate de bază). Prin urmare, în acest studiu, folosim greutatea de bază (gm-2) ca măsură eficientă a grosimii. [8] Grosimea este controlată prin modificarea timpului de electrofilare, așa cum se arată în Figura 2e. Pe măsură ce timpul de filare crește de la 1 minut la 10 minute, grosimea covorașului din microfibră crește la 0,2, 2,0, 5,2 și, respectiv, 9,1 gm-2. În același mod, grosimea covorașului din nanofibră a fost crescută la 0,2, 1,0, 2,5 și, respectiv, 4,8 gm-2. Covorașele din microfibră și nanofibră sunt desemnate prin valorile lor de grosime (gm-2) ca: M0.2, M2.0, M5.2 și M9.1 și N0.2, N1.0, N2.5 și N4. 8.
Diferența de presiune a aerului (ΔP) a întregului eșantion este un indicator important al performanței filtrului. [9] Respirația printr-un filtru cu o cădere mare de presiune este incomod pentru utilizator. În mod firesc, se observă că scăderea de presiune crește pe măsură ce grosimea filtrului crește, așa cum se arată în Figura S3, informații de sprijin. Covorașul din nanofibră (N4.8) prezintă o cădere de presiune mai mare decât covorașul din microfibră (M5.2) la o grosime comparabilă, deoarece covorașul din nanofibră are pori mai mici. Pe măsură ce aerul trece prin filtru cu o viteză între 0,5 și 13,2 ms-1, căderea de presiune a celor două tipuri diferite de filtre crește treptat de la 101 Pa la 102 Pa. Grosimea trebuie optimizată pentru a echilibra căderea de presiune și îndepărtarea PM. eficienţă; o viteză a aerului de 1,0 ms-1 este rezonabilă deoarece timpul necesar oamenilor pentru a respira prin gură este de aproximativ 1,3 ms-1. [10] În acest sens, scăderea de presiune a M5.2 și N4.8 este acceptabilă la o viteză a aerului de 1,0 ms-1 (mai puțin de 50 Pa) (Figura S4, informații justificative). Vă rugăm să rețineți că scăderea de presiune a măștilor N95 și similare cu filtru coreean standard (KF94) este de 50 până la 70 Pa, respectiv. Procesarea suplimentară CsW și integrarea filtrului micro/nano pot crește rezistența aerului; prin urmare, pentru a oferi o marjă de cădere de presiune, am analizat N2.5 și M2.0 înainte de a analiza M5.2 și N4.8.
La o viteză țintă a aerului de 1,0 ms-1, eficiența de îndepărtare a PM1.0, PM2.5 și PM10 a covorașelor din microfibră și nanofibră PBS a fost studiată fără sarcină statică (Figura S5, informații justificative). Se observă că eficiența de îndepărtare a PM crește în general odată cu creșterea grosimii și mărimii PM. Eficiența de îndepărtare a N2.5 este mai bună decât M2.0 datorită porilor mai mici. Eficiența de îndepărtare a lui M2.0 pentru PM1.0, PM2.5 și PM10 a fost de 55,5%, 64,6% și, respectiv, 78,8%, în timp ce valorile similare ale N2.5 au fost de 71,9%, 80,1% și 89,6% (Figura 2f). Am observat că cea mai mare diferență de eficiență între M2.0 și N2.5 este PM1.0, ceea ce indică faptul că cernerea fizică a plasei de microfibră este eficientă pentru PM la nivel de microni, dar nu este eficientă pentru PM la nivel nano (Figura S6, informații de sprijin). , M2.0 și N2.5 arată ambele o capacitate scăzută de captare a PM mai mică de 90%. În plus, N2.5 poate fi mai susceptibil la praf decât M2.0, deoarece particulele de praf pot bloca cu ușurință porii mai mici ai N2.5. În absența sarcinii statice, cernerea fizică este limitată în capacitatea sa de a obține în același timp scăderea de presiune necesară și eficiența de îndepărtare din cauza relației de compromis dintre ele.
Adsorbția electrostatică este metoda cea mai utilizată pentru a capta PM într-un mod eficient. [11] În general, sarcina statică este aplicată forțat filtrului nețesut printr-un câmp electric de mare energie; totuși, această sarcină statică este ușor disipată în condiții umede, ceea ce duce la pierderea capacității de captare a PM. [4] Ca material pe bază de bio pentru filtrarea electrostatică, am introdus CsW de 200 nm lungime și 40 nm lățime; datorită grupărilor lor de amoniu și amidelor polare, aceste nanomuștați conțin încărcături cationice permanente. Sarcina pozitivă disponibilă pe suprafața CsW este reprezentată de potențialul său zeta (ZP); CsW este dispersat în apă cu un pH de 4,8, iar ZP-ul lor este de +49,8 mV (Figura S7, informații justificative).
Microfibrele PBS (ChMs) și nanofibrele (ChNs) acoperite cu CsW au fost preparate prin acoperire simplă prin scufundare în dispersie de apă CsW de 0,2% în greutate, care este concentrația adecvată pentru a atașa cantitatea maximă de CsW la suprafața fibrelor PBS, așa cum se arată în figura Afișată în Figura 3a și Figura S8, informații de sprijin. Imaginea spectroscopiei cu raze X cu dispersie de energie azotului (EDS) arată că suprafața fibrei PBS este acoperită uniform cu particule CsW, ceea ce este evident și în imaginea microscopului electronic cu scanare (SEM) (Figura 3b; Figura S9, informații de sprijin) . În plus, această metodă de acoperire permite nanomaterialelor încărcate să învelească fin suprafața fibrei, maximizând astfel capacitatea electrostatică de îndepărtare a PM (Figura S10, informații de sprijin).
Eficiența de îndepărtare a PM a ChM și ChN a fost studiată (Figura 3c). M2.0 și N2.5 au fost acoperite cu CsW pentru a produce ChM2.0 și, respectiv, ChN2.5. Eficiența de îndepărtare a ChM2.0 pentru PM1.0, PM2.5 și PM10 a fost de 70,1%, 78,8% și respectiv 86,3%, în timp ce valorile similare ale ChN2.5 au fost de 77,0%, 87,7% și respectiv 94,6%. Acoperirea CsW îmbunătățește foarte mult eficiența de îndepărtare a M2.0 și N2.5, iar efectul observat pentru PM puțin mai mic este mai semnificativ. În special, nanowhiskers de chitosan au crescut eficiența de îndepărtare a PM0.5 și PM1.0 a lui M2.0 cu 15% și, respectiv, 13% (Figura S11, informații de sprijin). Deși M2.0 este dificil de exclus PM1.0 mai mic din cauza distanței sale fibrile relativ largi (Figura 2c), ChM2.0 adsorb PM1.0 deoarece cationii și amidele din CsW trec prin ion-ion, cuplând interacțiunea Pol-ion și interacțiunea dipol-dipol cu ​​praful. Datorită acoperirii sale CsW, eficiența de îndepărtare a PM a ChM2.0 și ChN2.5 este la fel de mare ca cea a M5.2 și N4.8 mai groase (Tabel S3, informații justificative).
Interesant, deși eficiența de îndepărtare a PM este mult îmbunătățită, acoperirea CsW afectează cu greu căderea de presiune. Căderea de presiune a ChM2.0 și ChN2.5 a crescut ușor la 15 și 23 Pa, aproape jumătate din creșterea observată pentru M5.2 și N4.8 (Figura 3d; Tabelul S3, informații justificative). Prin urmare, acoperirea cu materiale pe bază de bio este o metodă potrivită pentru a îndeplini cerințele de performanță a două filtre de bază; adică eficiența de îndepărtare a PM și diferența de presiune a aerului, care se exclud reciproc. Cu toate acestea, eficiența de îndepărtare a PM1.0 și PM2.5 a ChM2.0 și ChN2.5 este ambele mai mici de 90%; evident, această performanță trebuie îmbunătățită.
Un sistem de filtrare integrat compus din multiple membrane cu diametrele fibrelor și dimensiunile porilor care se schimbă treptat poate rezolva problemele de mai sus [12]. Filtrul de aer integrat are avantajele a două nanofibre diferite și rețele de fibre superfine. În acest sens, ChM și ChN sunt pur și simplu stivuite pentru a produce filtre integrate (Int-MN). De exemplu, Int-MN4.5 este preparat folosind ChM2.0 și ChN2.5, iar performanța sa este comparată cu ChN4.8 și ChM5.2 care au densități de suprafață similare (adică grosime). În experimentul de eficiență de îndepărtare a PM, partea cu fibre ultrafine a Int-MN4.5 a fost expusă în camera prăfuită, deoarece partea cu fibre ultrafine a fost mai rezistentă la înfundare decât partea cu nanofibră. După cum se arată în Figura 4a, Int-MN4.5 arată o eficiență mai bună de îndepărtare a PM și o diferență de presiune mai bună decât două filtre cu o singură componentă, cu o cădere de presiune de 37 Pa, care este similară cu ChM5.2 și mult mai mică decât ChM5.2 ChN4. 8. În plus, eficiența de îndepărtare a PM1.0 a Int-MN4.5 este de 91% (Figura 4b). Pe de altă parte, ChM5.2 nu a arătat o eficiență atât de mare de îndepărtare a PM1.0, deoarece porii săi sunt mai mari decât cei ai Int-MN4.5.


Ora postării: 03-nov-2021