Прозрачный полиуретановый нановолоконный фильтр: ультраэффективный захват PM2.5 для чистого воздуха

Аннотация

Мелкодисперсные частицы (PM) серьезно влияют на жизнь людей: здоровье, климат, экология. Недавно многие исследователи используют электроспиннинг для получения нановолоконных воздушных фильтров для эффективного удаления PM. Однако равномерное электроспиннинг полимерных волокон на сетку окна достигается только в лаборатории, промышленное масштабирование остается сложной задачей. Здесь сообщаем о методе электроспиннинга с вращающимся шарообразным спиннеретом для крупномасштабного осаждения термопластичного полиуретана (TPU) на проводящую сетку с производительностью 1000 м²/день. Изменяя концентрацию TPU в растворе, достигается эффективность удаления PM2.5 до 99,654% при хорошей оптической прозрачности 60%, угол смачивания 128,5° и скорость вентиляции 3480 мм/с. После 10 циклов фильтрации эффективность снижается всего на 1,6%. Этот прозрачный воздушный фильтр на TPU нановолокнах обладает отличной фильтрующей эффективностью и вентиляцией, эффективно обеспечивая качество воздуха в жилых зданиях.

Введение

Мелкодисперсные частицы (PM) состоят из различных твердых частиц и капель с сотнями химических компонентов. Основные вещества: водорастворимые ионы, углеродсодержащие соединения, неорганические соединения [1–5]. Главные источники — сжигание ископаемого топлива и мусора, PM богато токсичными веществами [1, 3–6]. По аэрадинмическому диаметру PM делят на PM2.5 и PM10 (<2,5 и <10 мкм). PM10 висит в воздухе минуты-часы с ограниченным переносом; PM2.5 остается в атмосфере дни-недели [2, 5]. Даже осевшее PM2.5 легко поднимает ветер. При дыхании PM2.5 проникает в организм, накапливается в трахее и легких, вредя здоровью [7–9]. PM2.5 также влияет на климат и экологию, например, на осадки [10–14]. За последние 10 лет загрязнение PM2.5 усилилось, особенно в развивающихся странах (Китай, Индия) [4, 15]. Люди там часто сталкиваются с сильным смогом, поэтому защита от PM2.5 необходима.

Текущие меры защиты от смога в основном касаются уличной индивидуальной защиты: профессиональные респираторы, эффективно фильтрующие PM [16, 17]. Внутренняя защита (вентиляционные системы, очистители воздуха) дорога, сложна в установке, требует замены фильтров [6]. Воздушные фильтры обычно используются в коммерческих зданиях из-за высокой стоимости систем принудительного обмена воздуха. Недавно на рынок для жилых зданий вышли два типа прозрачных фильтров для пассивной вентиляции через окна [17]. Один — пористый мембранный фильтр, но его пористость очень низка, высокая вентиляция недостижима. Другой — нановолоконный воздушный фильтр, пористость до 70%, высокая вентиляция. Лаборатории разрабатывали различные النافذة экраны с нановолокнами. Chen et al. [18] — фильтр из электроспинненного TPU: эффективность PM2.5 98,92% при очень низком падении давления (10 Па). Khalid et al. [19] — нановолоконный оконный экран методом прямого надувания: прозрачность 80%, эффективность PM2.5 99%. Liu et al. [6] — прозрачный фильтр электроспиннингом: высокая вентиляция и эффективность PM2.5 >95%. Однако эти исследования лабораторные, промышленный процесс нановолоконных фильтров мало изучен.

В последние годы электроспиннинг привлек внимание благодаря низкому энергопотреблению, простоте и экологичности [20, 21]. Нановолоконные мембраны имеют высокую пористость, взаимосвязанные микро-нано каналы, большую удельную площадь [22–29]. Недавно наша команда разработала TPU нановолоконный воздушный фильтр, который можно массово производить с использованием шарообразного спиннерета [30, 31]. Этот фильтр обладает высокой термической стабильностью, хорошей оптической прозрачностью 60%, высокой эффективностью удаления PM2.5 99,654%, долгим сроком службы, низким аэродинамическим сопротивлением (скорость вентиляции 3348 мм/с) и малым весом.

Эксперимент

Материалы и приборы

Полимер TPU от Bayer Co., Ltd. (Германия) — стойкий к разрыву, абразиву, УФ. Проводящая сетка-субстрат от Qingdao Junada Technology Co., Ltd. (Китай). N,N-диметилформамид (DMF) и ацетон от Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. SEM (Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) для морфологии TPU волокон. Автоматический тестер фильтрации FX3300 Lab Air-IV (Shanghai Lippo Co., Ltd.) для оценки фильтрации. AFC-131 (Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd.) для измерения скорости вентиляции. FTIR Thermo Scientific Nicolet iS5 для анализа функциональных групп. Оптический контактный угломер Theta для угла смачивания. Спектрофотометр UV1901PC (Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd.) для светопропускания.

Приготовление нановолоконных мембран

TPU нановолоконная мембрана изготовлена электроспиннингом на оборудовании NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.), показанном на рис. 1a. Основной блок: 2350×2200×2700 мм, вес 1980 кг. Сенсорный экран Siemens PLC, напряжение 30 кВ, ширина спиннинга 1,1 м. Средний диаметр волокна ~120 нм, вес мембраны ~0,5 г/м². Субстрат подходит для целлюлозы, синтетических волокон; полимеры — TPU, PVP, PAN и др. Принцип электроспиннинга на рис. 1b, схема мембраны — рис. 1c. Раствор: TPU в смеси DMF/ацетон 1:1 (объемное соотношение); спиннинговое напряжение +30 кВ и -30 кВ (стабильный струйный режим); скорость субстрата 10 м/мин; дистанция спиннинга 200 мм. Температура 25 °C, влажность 50% RH. Для получения разных средних диаметров концентрацию TPU меняли от 6 до 16 масс.%. TPU раствор электроспиннили на проводящую сетку в одинаковых условиях. Образцы названы TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14, TPU-16.

Результаты и обсуждение

Характеристика морфологии и структуры

Важный аспект характеристики мембран нановолокон — морфология поверхности. Морфологию TPU нановолоконной мембраны изучали SEM (10 кВ). Рис. 2a–f: микроскопические морфологии при концентрациях TPU 6, 8, 10, 12, 14, 16 масс.%. При 6–12 масс.% (рис. 2a–d) наблюдаются многочисленные бусиноподобные нановолокна разного размера. Это связано с низкой вязкостью полимерной цепи TPU при низкой концентрации раствора. При электроспиннинге низкоконцентрированного раствора струя трудно сопротивляется растяжению электрического поля [32]. Из-за вязкоупругости цепей TPU, растянутых электрическим полем, они агрегируются в бусиноподобные нановолокна [33]. С ростом концентрации TPU вязкость раствора растет, электроспиннинг формирует нановолокна вместо бусиноподобных, поэтому их число уменьшается и полностью исчезает (рис. 2e–f). Вязкость раствора — важный параметр, влияющий на диаметр нановолокна [34]. При увеличении концентрации TPU вязкость растет, диаметр нановолокна увеличивается (рис. 2a–f). При концентрации >14 масс.% диаметр быстро растет (рис. 2e–f). Средние диаметры (NanMeasurer): ~0,10; 0,12; 0,14; 0,17; 0,34; 1,97 мкм для TPU-6, -8, -10, -12, -14, -16 соответственно.

Анализ Фурье-преобразования ИК-спектра

Для идентификации состава TPU нановолоконной мембраны провели ФТИР-анализ. Предварительный нагрев оборудования 1,5 часа, давление 15 МПа, напряжение 220 В, температура 20 °C, влажность 40%, частота 50 Гц, ток 7,5 А. Результаты на рис. 3, они совпадают с ИК-спектром исходного полиуретана. Сильные пики поглощения при 3330,18; 2960,51; 1215,86 см^-1 указывают на наличие N-H и C-H функциональных групп. Поверхность TPU нановолокна имеет гидрофобные функциональные группы, поверхность мембраны гладкая и плотная. Поэтому прозрачный воздушный фильтр обладает гидрофобными свойствами. Благодаря гидрофобности TPU мембраны, фильтр можно открывать в дождливые дни.

Анализ фильтрующей эффективности

Фильтрующая эффективность — ключевой параметр прозрачных воздушных фильтров. Тестировали разные TPU волоконные мембраны в одинаковых условиях: температура 20 °C, влажность 40,6%, расход 2,0 м³/ч, PM загрязнители — аэрозольные частицы. Распределение размеров PM и эффект фильтрации для каждого образца на рис. 4a. Эффективность положительно коррелирует с размером частиц PM. Для одного размера, например PM2.5 (рис. 4b), при увеличении концентрации TPU с 6 до 12 масс.% эффективность значительно возрастает, что связано с тем, что мембрана из нановолокон большего диаметра лучше удерживает PM. Однако при дальнейшем увеличении концентрации с 12 до 16 масс.% увеличение расстояния между волокнами и исчезновение бусиноподобных волокон приводит к резкому снижению эффективности [18]. Рост концентрации затрудняет и замедляет вытяжение струи, увеличивая поры мембраны. Рис. 4c–e показывают прохождение частиц через мембраны разного диаметра. Больший диаметр эффективно препятствует прохождению PM, но при большем TPU расстояние между волокнами тоже растет, снижая эффективность. Максимальная эффективность PM2.5 у TPU-12. При диаметре частиц ≥0,525 мкм эффективность 100%, падение давления всего 10 Па. TPU-10 дает эффективность PM2.5 99,654%.

Анализ скорости вентиляции

Высокая вентиляция — важное свойство воздушного фильтра. Шесть образцов тестировали в одинаковых условиях: площадь 20 см², давление 200 Па. Рис. 5a: скорость вентиляции для разных концентраций TPU; соответствующие падения давления: 6, 15, 12, 10, 7, 9 Па. Скорость сначала падает, затем растет, потом слегка падает при увеличении концентрации 6→8, 8→14, 14→16 масс.%. Две основные причины: плотность упаковки нановолокон и средний диаметр волокна [34]. Плотность упаковки α = W/(ρ_fZ) (1), где W — площадная масса мембраны, ρ_f — плотность наноматериала, Z — толщина пленки. Начальное падение вентиляции обусловлено увеличением среднего диаметра нановолокон (рис. 5b, c). При росте концентрации 8→14 масс.% снижение плотности упаковки увеличивает расстояние между волокнами, что благоприятствует вентиляции, несмотря на рост диаметра (рис. 5d). При 14→16 масс.% диаметр волокна играет решающую роль, вентиляция слегка падает (рис. 5e). При концентрации TPU 10 масс.% вентиляция достигает 3480 мм/с, эквивалентная чистой сетке без нановолоконной мембраны.

Анализ угла смачивания

Гидрофобность — важный параметр воздушных фильтров. Смачиваемость TPU мембраны измеряли методом DSA капли 5 мкл. Рис. 6a–f: углы смачивания 138,6°; 133,4°; 128,5°; 122,8°; 112,7°; 107,7° для TPU-6, -8, -10, -12, -14, -16. Все углы >90°, что подтверждает высокую гидрофобность прозрачного фильтра из TPU благодаря гидрофобным группам на поверхности нановолокон, малый диаметр дает гладкую поверхность и плотную структуру. Однако с ростом концентрации TPU угол смачивания снижается (рис. 6g), так как шероховатость поверхности растет. Связь угла смачивания и шероховатости описывается уравнением Венцеля: cos θ' = r cos θ (2), где r — коэффициент шероховатости (r ≥ 1), θ' — угол на шероховатой поверхности. На рис. 6h–i: с ростом концентрации TPU диаметр нановолокна увеличивается, шероховатость растет, угол смачивания снижается.

Тестирование прозрачности и воспроизводимости

Пропускание света — еще один важный параметр. Прозрачность шести образцов измерена, результаты на рис. 7a. Прозрачность сначала падает, потом растет при увеличении концентрации 6→12 и 12→16 масс.%. При 6→12 масс.% прозрачность снижается: при очень низкой концентрации (6, 8 масс.%) электроспиннинг с трудом формирует волокна; при повышении концентрации раствор становится более подходящим, формируется больше волокон, диаметр растет, мембрана утолщается, проходит меньше света. Кроме того, при низкой концентрации образуется много бусин (рис. 2a–d), что препятствует прохождению света. При 12→16 масс.% прозрачность растет: вязкость раствора растет, электроспиннинг становится сложнее, образуется меньше нановолокон; исчезают бусины, что способствует прохождению света. Прозрачность: 80%, 75%, 60%, 30%, 45%, 70% для TPU-6, -8, -10, -12, -14, -16. TPU-10 обеспечивает эффективность 99,654% и прозрачность 60%. Фото TPU-10 мембраны на рис. 7b. Для фильтров с прозрачностью >50% достаточно света проходит в помещение для освещения.

Учитывая важность долгосрочной фильтрующей способности и высокого воздушного потока, провели циклические тесты фильтрации и вентиляции TPU мембран (рис. 8). Рис. 8a: погрешность суммарной эффективности удаления PM2.5 за 10 циклов. После 10 проходов TPU-10 эффективность снизилась только на 1,6% (с 99,4% до 97,8%). Рис. 8b: погрешность скоростей вентиляции за 10 циклов для разных концентраций. Скорость меняется медленно, незначительно. После 10 циклов вентиляция снизилась всего на ~10 мм/с, что показывает высокую стабильность вентиляционного эффекта.

Заключение

Используя вращающийся шарообразный спиннерет для электроспиннинга, создан прозрачный воздушный фильтр, который можно производить в большом масштабе. Изменяя концентрацию TPU в растворе, достигнута высокая эффективность удаления PM2.5 (99,654%), хорошая оптическая прозрачность (60%) и скорость вентиляции (3480 мм/с). Циклические тесты (10 циклов) показали снижение эффективности всего на 1,6% и очень медленное изменение вентиляции. Эти результаты указывают на множество преимуществ TPU нановолоконных мембран, приготовленных электроспиннингом: хорошая водоотталкивающая способность, оптическая прозрачность, высокая вентиляция, высокая фильтрующая производительность, что позволяет использовать их как фильтрующие материалы во многих областях.

Доступность данных и материалов

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