Воздушный фильтр из прозрачного полиуретанового нановолокна для высокоэффективного улавливания PM2,5

Введение

Мелкие твердые частицы (ТЧ) состоят из различных твердых мелких частиц и капель, содержащих до сотен химических компонентов. ТЧ в основном состоят из трех основных химических веществ, включая водорастворимые ионы, углеродсодержащие соединения и другие неорганические соединения [1,2,3,4,5]. ТЧ образуются в основном в результате сжигания ископаемого топлива и мусора, они богаты токсичными веществами и вредными твердыми частицами [1, 3,4,5,6]. По размеру диаметра частиц ТЧ в основном делятся на ТЧ2,5 и ТЧ10, что означает, что аэродинамический диаметр частиц составляет менее 2,5 мкм и 10 мкм. PM10 остается в воздухе от нескольких минут до нескольких часов с ограниченным расстоянием полета; однако PM2,5 долго находится в атмосфере и может сохраняться от нескольких дней до нескольких недель [2, 5]. Даже если PM2,5 упадет на землю, ветер легко унесет их обратно в воздух. В процессе дыхания PM2,5 могут попадать в организм и накапливаться в трахее или легких, что отрицательно скажется на здоровье человека [7,8,9]. PM2,5 также оказывает большое влияние на климат и экологическую среду, например, на процесс выпадения осадков [10,11,12,13,14]. В последние 10 лет загрязнение воздуха PM2,5 становится все более серьезным, особенно в некоторых развивающихся странах, таких как Китай и Индия [4, 15]. В повседневной жизни жители этих стран часто сталкиваются с сильной дымкой. По этой причине очень необходимо принять некоторую защиту от PM2,5.

В настоящее время меры защиты от сильной дымки в основном сосредоточены на личной защите на открытом воздухе, например, ношении профессиональных противопылевых масок, которые могут эффективно фильтровать частицы [16, 17]. Средства индивидуальной защиты внутри помещений, такие как системы вентиляции и очиститель воздуха, дороги, сложны в установке и требуют замены фильтрующих элементов [6]. Внутренние воздушные фильтры обычно обеспечивают защиту воздуха в коммерческих зданиях из-за высокой стоимости насосных систем для активного воздухообмена. В последнее время в поле зрения потребителя входят два прозрачных воздушных фильтра для жилых домов у окон, пассивная вентиляция [17]. Один из них - это пористый мембранный фильтр, но его пористость очень мала, что означает невозможность высокой вентиляции. Другой - воздушный фильтр из нановолокна, пористость которого может достигать 70% и обеспечивать хорошую вентиляцию. Некоторые лаборатории изготовили различные оконные экраны для защиты воздуха в помещении с нановолокном. Например, Chen et al. [18] сообщили о воздушном фильтре, изготовленном с использованием электропряденого полимера ТПУ; Воздушный фильтр из нановолокна TPU очень эффективен для удаления PM2,5 (98,92%) с очень низким перепадом давления (10 Па). Халид и др. [19] сообщили об оконном экране из нановолокна, изготовленном по технологии прямого выдувания, который имеет хорошую оптическую прозрачность (80%) и высокую эффективность фильтрации PM2,5 (99%). Лю и др. [6] изготовили прозрачный воздушный фильтр методом электроспиннинга, который обеспечил высокую вентиляцию и высокую эффективность фильтрации PM2,5 (> 95,0%). Однако это исследование было проведено в лабораториях, а промышленный процесс изготовления фильтра из нановолокна мало изучен.

В последние годы технологии электроспиннинга уделяется большое внимание благодаря низкому энергопотреблению, простоте эксплуатации и экологически чистым методам получения нановолокон [20, 21]. Мембраны из нановолокна, полученные методом электроспиннинга, имеют высокую пористость, межсоединения микроканалов и высокую удельную поверхность [22,23,24,25,26,27,28,29]. Недавно наша команда разработала воздушный фильтр из нановолокна из ТПУ, который может производиться серийно с использованием прядильной фильеры [30, 31]. Этот воздушный фильтр обладает очень высокой термостойкостью, хорошей оптической прозрачностью 60%, высокой эффективностью удаления PM2,5 99,654%, длительным сроком службы, низким сопротивлением воздушному потоку (скорость вентиляции 3348 мм / с) и небольшим весом.

Экспериментальный

Материалы и инструменты

Полимер TPU был получен от Bayer Co., Ltd., Германия, с устойчивостью к разрыву, истиранию и защитой от ультрафиолета; проводящая сетка подложки предоставлена ​​компанией Qingdao Junada Technology Co., Ltd., Китай. N, N -диметилфомамид (DMF) и ацетон были предоставлены Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. Сканирующая электронная микроскопия (SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) используется для изучения морфологии волокон TPU. Автоматический тестер эффективности фильтрации для оценки эффективности фильтрации FX3300 Lab Air-IV был приобретен у Shanghai Lippo Co., Ltd., Китай. AFC-131 используется для проверки скорости вентиляции, приобретенной у Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. Thermo Scientific Nicolet iS5 используется для измерения инфракрасного излучения и анализа функциональных групп волоконных мембран из ТПУ. Оптический измеритель угла смачивания Theta был использован для анализа угла смачивания волоконной пленки TPU. Пропускание света оценивали с помощью ультрафиолетового спектрофотометра UV1901PC, приобретенного у Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd., Китай.

Подготовка нанофиброзных мембран

Мембрана из нановолокна TPU была изготовлена ​​на оборудовании для электропрядения NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.), которое показано на рис. 1а. Базовый блок имеет длину 2350 мм, ширину 2200 мм, высоту 2700 мм и вес 1980 кг. Сенсорный экран - ПЛК Сименс, мощность 30 кВ, ширина прядения 1,1 м. Средний диаметр волокна составляет около 120 нм, а вес мембраны из нановолокна составляет около 0,5 г на квадратный метр. Подложка подходит для целлюлозы, синтетического волокна и т. Д., А полимерный материал подходит для ТПУ, ПВП, ПАН и т. Д. Принцип электропрядения показан на рис. 1b, а схематическая диаграмма мембраны из нановолокна, полученной электропрядением. на рис. 1в. Раствор, используемый при электроспиннинге, предназначался для растворения различных масс TPU в смешанном растворителе при соотношении DMF и ацетона в объемном соотношении 1:1; напряжение вращения составляло положительное давление 30 кВ и отрицательное высокое давление - 30 кВ, что приводило к стабильной струе; скорость перемещения подложки 10 м / мин; а расстояние вращения регулировалось на уровне 200 мм. Температура и относительная влажность во время этого процесса поддерживались на уровне 25 ° C и относительной влажности 50%. Чтобы получить различные средние диаметры нановолокон, концентрацию TPU в растворе регулировали от 6 до 16 мас.%. Раствор TPU был электропряден на проводящую сетку в тех же условиях. Различные концентрации волоконных мембран из ТПУ были названы ТПУ-6, ТПУ-8, ТПУ-10, ТПУ-12, ТПУ-14 и ТПУ-16 соответственно.

Электропрядильное оборудование. а Изображение аппарата электроспиннинга, использованного в данной работе. б Принципиальная схема установки электроспиннинга с ротационными фильерами. c Мембрана из нановолокна в этом воздушном фильтре представляет собой образец, полученный с помощью устройства для электропрядения

Результаты и обсуждение

Характеристика морфологии и структур

Одним из важных направлений в характеристике мембран нановолокон является морфология поверхности мембраны. Морфологию мембраны из нановолокна TPU наблюдали с помощью SEM, и использовали напряжение 10 кВ, сканирующую систему визуализации. Как показано на рис. 2a-f, микроскопическая морфология нановолоконной мембраны, полученной из раствора TPU для электроспиннинга, показана при различных концентрациях TPU:6 мас.%, 8 мас.%, 10 мас.%, 12 мас.%, 14 мас.% И 16 мас.% Соответственно. Когда концентрация TPU составляет от 6 до 12 мас.% (Рис. 2a – d), появляется много бусинчатых нановолокон разных размеров. Это можно объяснить низкой вязкостью полимерной молекулярной цепи TPU при низкой концентрации раствора TPU. Поэтому в процессе электроспиннинга раствора ТПУ низкой концентрации выбросу было трудно противостоять растяжению силы электрического поля [32]. Кроме того, из-за вязкоупругости молекулярной цепочки TPU вытяжка, растянутая силой электрического поля, будет агрегироваться с образованием гранулированных нановолокон [33]. Однако по мере увеличения концентрации TPU вязкость раствора увеличивается, и в процессе электроспиннинга будут формироваться нановолокна вместо нановолокон с гранулами, поэтому нановолокна с гранулами становятся все меньше и меньше и в конечном итоге полностью исчезают (рис. 2e-f). С другой стороны, вязкость раствора является важным параметром, влияющим на диаметр нановолокна [34]. Когда концентрация раствора TPU увеличивается, вязкость раствора также увеличивается, поэтому диаметр нановолокна увеличивается, как показано на рис. 2a – f. Когда концентрация TPU превышает 14 мас.%, Диаметр нановолокон быстро увеличивается (рис. 2e – f). Средний диаметр нановолокна рассчитывается NanMeasurer. Средний диаметр нановолокна ТПУ составляет ~ 0,10 мкм, ~ 0,12 мкм, ~ 0,14 мкм, ~ 0,17 мкм, ~ 0,34 мкм и ~ 1,97 мкм, что соответствует ТПУ-6, ТПУ-8, ТПУ-10, ТПУ-12, ТПУ. -14, и ТПУ-16.

СЭМ-изображения электропряденого ТПУ. a – f СЭМ-изображения и распределения диаметров с концентрациями TPU 6, 8, 10, 12, 14 и 16 мас.% соответственно

Анализ инфракрасного спектра с преобразованием Фурье

Чтобы определить состав приготовленной мембраны из нановолокна TPU, необходимо провести анализ образца с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Сначала предварительно прогрейте оборудование в течение полутора часов, давление регулируется на уровне 15 МПа, рабочее напряжение - 220 В, температура окружающей среды - 20 ° C, влажность окружающей среды - 40%, частота - 50 градусов. Гц, а сила тока - 7,5 А. Результаты испытаний показаны на рис. 3, который, очевидно, совпадает с инфракрасным спектром полиуретана подложки. Спектр показан на рис. 3. Сильные пики поглощения наблюдались при волновых числах 3330,18 см ^-1 . , 2960,51 см ^-1 и 1215,86 см ^-1 , что указывает на наличие функциональных групп N – H и C – H. Поверхность нановолокна TPU имеет гидрофобные функциональные группы, а поверхность волоконной мембраны гладкая и плотная. Итак, подготовленный прозрачный воздушный фильтр выполняет определенную гидрофобную функцию. Из-за гидрофобной природы волоконной мембраны из ТПУ прозрачный воздушный фильтр из ТПУ может открывать окно в дождливые дни.

Состав мембраны из нановолокна ТПУ. Демонстрация TPU с помощью FTIR, указывающая на присутствие различных функциональных групп

Анализ эффективности фильтрации

Эффективность фильтрации - важнейший параметр для оценки прозрачных воздушных фильтров. Испытание эффективности фильтрации проводилось на различных волокнистых мембранах из ТПУ. В этом исследовании условия испытаний были такими же, температура составляла 20 ° C, относительная влажность 40,6%, расход 2,0 м ³ / ч, а загрязнители PM представляют собой аэрозольные частицы. Распределение твердых частиц по размерам и эффект фильтрации каждого образца показаны на рис. 4а. Эффективность фильтрации положительно коррелирует с размером частиц ТЧ. Для таких же размеров частиц PM, как PM2,5 (рис. 4b), при увеличении концентрации TPU с 6 до 12 мас.% Эффективность удаления значительно увеличивается, что можно объяснить тем, что мембрана изгибалась за счет нановолокна большего диаметра лучше устойчивы к частицам PM. Однако с увеличением концентрации TPU с 12 до 16 мас.% Увеличение расстояния между волокнами и исчезновение волокон бисерной нити приводит к значительному снижению эффективности удаления волокнистой мембраны из TPU [18]. Увеличение концентрации раствора затрудняет и замедляет удлинение струи электропрядения, что приводит к увеличению размера пор волокнистой мембраны из ТПУ. На рис. 4c – e показано прохождение твердых частиц через волокнистые мембраны различного диаметра. Больший диаметр волокна эффективно предотвращает прохождение PM через волоконную мембрану, и по мере увеличения концентрации TPU диаметр волокна становится больше, но расстояние между фазовыми волокнами также увеличивается, что приводит к снижению эффективности фильтрации. Самая высокая эффективность удаления ТЧ2,5 - у ТПУ-12. Когда диаметр частицы ≥ 0,525 мкм, эффективность удаления составляет 100%, а падение давления составляет всего 10 Па. Кроме того, эффективность удаления TPU-10 на PM2,5 составляет 99,654%.

Оценка эффективности фильтрации волоконной мембраны из ТПУ. а Эффективность удаления PM различных размеров с концентрациями TPU 6, 8, 10, 12, 14 и 16 мас.% Соответственно. б Эффективность удаления PM2,5 различных концентраций волоконных мембран TPU. c - е PM через волокнистые мембраны разного диаметра

Анализ скорости вентиляции

Поддержание высокой вентиляции - важное свойство для оценки производительности воздушного фильтра. Шесть образцов были протестированы на интенсивность вентиляции при одинаковых условиях. Площадь измерения составляла 20 см ² . и давление измерения составляло 200 Па. Скорость вентиляции мембран из нановолокна TPU различной концентрации показана на рис. 5а, и соответствующий перепад давления составляет 6 Па, 15 Па, 12 Па, 10 Па, 7 Па и 9 Па. Скорость вентиляции различных мембран из ТПУ сначала начинает падать, затем продолжает увеличиваться и, наконец, немного снижается, что соответствует увеличению концентрации раствора с 6 до 8 мас.%, От 8 до 14 мас.% И от 14 до 16 мас.%. На скорость вентиляции влияют две основные причины:плотность упаковки нановолокон и средний диаметр волокна [34]. Плотность упаковки нановолокон рассчитывается следующим образом:

Оценка скорости вентиляции волокнистой мембраны TPU. а Скорость вентиляции различных концентраций волоконных мембран TPU. б - е Воздух проходит через волокна разного диаметра

Здесь α - плотность упаковки нановолокон, W - базовая масса нановолоконной мембраны, ρ _f - плотность наноматериала, а Z - толщина пленки нановолокна. Скорость вентиляции начинает снижаться, прежде всего, за счет добавления нановолокон среднего диаметра ТПУ (рис. 5б, в). По мере увеличения концентрации TPU с 8 до 14 мас.% Уменьшение плотности упаковки нановолокон приводит к увеличению расстояния между нановолокнами, что благоприятно сказывается на скорости вентиляции, даже если диаметр нановолокон увеличивается (рис. 5г). Когда мембрана из нановолокна изготовлена ​​из раствора с концентрацией TPU от 14 до 16 мас.%, Диаметр нановолокна играет решающую роль в скорости вентиляции, и соответствующая скорость вентиляции несколько снижается (рис. 5e). Когда концентрация TPU увеличивается до 10 мас.%, Скорость вентиляции достигает 3480 мм / с, такая высокая скорость вентиляции эквивалентна пустому экрану без мембраны из нановолокна.

Анализ контактного угла

Гидрофобность является важным параметром для оценки эффективности воздушных фильтров, и смачиваемость полученной волокнистой мембраны из ТПУ измерялась методом DSA с использованием капли 5 мкл. Результаты показаны на рис. 6а – е, краевые углы составляют 138,6 °, 133,4 °, 128,5 °, 122,8 °, 112,7 ° и 107,7 °, что соответствует ТПУ-6, ТПУ-8, ТПУ-10, ТПУ- 12, ТПУ-14 и ТПУ-16. Угол смачивания всех образцов был больше 90 °, что указывает на то, что прозрачный воздушный фильтр, изготовленный из полимера TPU, является высокогидрофобным из-за гидрофобных функциональных групп на поверхности мембраны из нановолокна TPU, небольшой диаметр волокна приводит к гладкой поверхности мембраны и волокнистая мембрана плотной структуры. Однако по мере того, как концентрация TPU становится больше, угол смачивания становится все меньше и меньше (рис. 6g), потому что шероховатость поверхности волоконной мембраны становится больше. Связь между краевым углом смачивания и шероховатостью поверхности нановолоконной мембраны можно понять с помощью уравнения Венцеля, которое определяется следующим образом:

Определение угла смачивания волоконной мембраны из ТПУ. a – f Проверка краевого угла смачивания различных концентраций волоконных мембран TPU с использованием капель объемом 5 мкл. г Угол смачивания различных концентраций волоконной мембраны TPU. ч - я Капли на поверхности волокон разного диаметра.

Здесь r - коэффициент шероховатости поверхности, который представляет собой отношение фактической площади поверхности к геометрической площади проекции ( r ≥ 1), θ ^′ угол контакта шероховатой поверхности. Как показано на рис. 6h – i, с увеличением концентрации TPU диаметр нановолокна TPU увеличивается, а шероховатость поверхности мембраны из нановолокна увеличивается, что приводит к все более низкому углу смачивания.

Тестирование прозрачности и воспроизводимости

Еще один важный параметр прозрачного воздушного фильтра - трансмиссия; пропускание шести образцов было проверено, и результаты показаны на рис. 7a. Было обнаружено, что коэффициент пропускания сначала уменьшался, а затем увеличивался, что соответствовало увеличению концентрации TPU с 6 до 12 мас.% И с 12 до 16 мас.%. Когда концентрация TPU составляет от 6 до 12 мас.%, Коэффициент пропускания волоконной мембраны постепенно снижается, главным образом потому, что концентрация раствора вначале слишком низкая (например, 6 мас.% И 8 мас.%), И процесс электроспиннинга прерывается. не легко образуют волокна. Когда концентрация раствора увеличивается, концентрация раствора больше подходит для электроспиннинга, так что все больше и больше волокон формируется электроспиннингом. Диаметр нановолокна также увеличивается, а волокнистая мембрана становится все толще и толще, так что меньше света может проходить через волоконную мембрану. С другой стороны, поскольку концентрация раствора слишком мала, при электроспиннинге образуется большое количество шариков (рис. 2a – d), что препятствует прохождению света через волоконную мембрану. Когда концентрация раствора составляет от 12 до 16 мас.%, Коэффициент пропускания волоконной мембраны постепенно увеличивается, в основном из-за увеличения вязкости раствора и постепенного затруднения процесса электропрядения, в результате чего производится меньше нановолокна. Другая причина заключается в том, что по мере увеличения концентрации раствора нить из бисера исчезает, что способствует прохождению большего количества света через волоконную мембрану. Коэффициент пропускания 80%, 75%, 60%, 30%, 45% и 70%, что соответствует TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 и TPU-16. TPU-10 имеет не только эффективность фильтрации 99,654%, но и скорость передачи до 60%. На рис. 7б представлена ​​фотография мембраны из нановолокна ТПУ-10 с коэффициентом пропускания 60%. Для воздушных фильтров с пропусканием более 50% через комнату может пропускаться достаточно света, чтобы соответствовать требованиям внутреннего освещения.

Передаточные свойства волокнистой мембраны TPU. а Пропускание различных концентраций волоконной мембраны TPU. б Фотографии концентрации ТПУ прозрачных воздушных фильтров 10 мас.% При прозрачности 60%

Учитывая, что долговременная эффективность фильтрации и высокий воздушный поток являются важными факторами в воздушных фильтрах, мы переработали волокнистые мембраны из ТПУ и продолжили тестирование эффективности фильтрации и скорости вентиляции, и результаты показаны на рис. 8. На рис. 8а показаны полосы погрешностей для комбинированная эффективность удаления 10 циклов тестирования фильтрации PM2,5 нановолоконной мембраны TPU. После 10 проходов фильтрации TPU-10 эффективность фильтрации снизилась всего на 1,6% (с 99,4 до 97,8%). Кроме того, на рис. 8b показаны планки погрешностей для скорости аэрации в 10 испытательных циклах для волоконных мембран с различной концентрацией TPU. Скорость вентиляции менялась медленно и существенно не снижалась. После десяти дыхательных тестов скорость вентиляции снизилась только примерно на 10 мм / с, что указывает на очень стабильный эффект вентиляции.

Воспроизводимость скорости вентиляции и эффективности удаления композитной волоконной мембраны. а Воспроизводимость эффективности удаления. б Воспроизводимость скорости вентиляции

Заключение

Таким образом, мы используем вращающуюся формовочную фильеру для электропрядения, чтобы создать прозрачный воздушный фильтр, который можно производить в больших масштабах. За счет изменения концентрации полимера TPU в растворе достигается не только значительная эффективность удаления PM2,5 (99,654%), но также хорошая оптическая прозрачность (60%) и скорость вентиляции (3480 мм / с). Кроме того, проведя 10 циклов фильтрации и испытаний на удаление газа на прозрачном воздушном фильтре TPU, результаты показали, что эффективность фильтрации снизилась только на 1,6%, а скорость вентиляции изменялась очень медленно и практически не изменилась. Эти результаты показывают, что мембраны из нановолокна TPU, полученные методом электроспиннинга, обладают многими преимуществами, такими как хорошая водоотталкивающая способность, хорошая оптическая прозрачность, высокая скорость вентиляции и высокая эффективность фильтрации, которые могут использоваться в качестве фильтрующих материалов во многих областях.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.