Biológiailag lebomló, hatékony és lélegző, többcélú maszkszűrő-Choi-2021-Advanced Science

Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Koreai Köztársaság
Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Koreai Köztársaság
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Koreai Köztársaság
Az alábbi link segítségével megoszthatja a cikk teljes szöveges változatát barátaival és kollégáival. tudj meg többet.
A koronavírus-járvány és a levegőben lévő porral (PM) kapcsolatos problémák miatt a maszkok iránti kereslet exponenciálisan megnőtt. A statikus elektromosságon és nanoszűrőn alapuló hagyományos maszkszűrők azonban mind eldobhatók, nem lebomlanak vagy újrahasznosíthatók, ami komoly hulladékproblémákat okoz. Ráadásul az előbbi párás körülmények között elveszíti funkcióját, míg az utóbbi jelentős légnyomáseséssel üzemel és viszonylag gyors póruseltömődés lép fel. Itt egy biológiailag lebomló, nedvességálló, jól lélegző, nagy teljesítményű szálmaszk szűrőt fejlesztettek ki. Röviden, két biológiailag lebomló ultrafinom szálat és nanoszálas szőnyeget integrálnak a Janus membránszűrőbe, majd kationosan töltött kitozán nanobajszokkal vonják be. Ez a szűrő ugyanolyan hatékony, mint a kereskedelmi N95 szűrő, és a 2,5 µm PM 98,3%-át képes eltávolítani. A nanoszálak fizikailag szűrik a finom részecskéket, az ultrafinom szálak pedig alacsony, 59 Pa nyomáskülönbséget biztosítanak, ami alkalmas az emberi légzésre. Ellentétben a kereskedelmi N95 szűrők teljesítményének meredek csökkenésével, ha nedvességnek vannak kitéve, ennek a szűrőnek a teljesítményvesztesége elhanyagolható, ezért többször is használható, mivel a kitozán állandó dipólja adszorbeálja az ultrafinom PM-et (például nitrogént). És kén-oxidok). Fontos, hogy ez a szűrő 4 héten belül teljesen lebomjon a komposztált talajban.
A jelenlegi példátlan koronavírus-járvány (COVID-19) hatalmas keresletet generál a maszkok iránt. [1] Az Egészségügyi Világszervezet (WHO) becslése szerint ebben az évben minden hónapban 89 millió orvosi maszkra van szükség. [1] Nemcsak az egészségügyi szakembereknek van szükségük nagy hatékonyságú N95-ös maszkokra, hanem az általános célú maszkok minden egyén számára nélkülözhetetlen napi felszerelésekké váltak e légúti fertőző betegség megelőzésében. [1] Ezenkívül az illetékes minisztériumok nyomatékosan javasolják az eldobható maszkok mindennapos használatát, [1] ez a nagy mennyiségű maszkhulladékkal kapcsolatos környezeti problémákhoz vezetett.
Mivel jelenleg a részecskék (PM) jelentik a legproblémásabb légszennyezési problémát, a maszkok az egyének számára elérhető leghatékonyabb ellenintézkedésekké váltak. A PM részecskeméretük szerint (2,5 és 10 μm) PM2,5-re és PM10-re oszlik, ami különféle módon súlyosan befolyásolja a természeti környezetet [2] és az emberi élet minőségét. [2] A PM évente 4,2 millió halálesetet és 103,1 millió rokkantsággal korrigált életévet okoz. [2] A PM2,5 különösen komoly veszélyt jelent az egészségre, és hivatalosan az I. csoportba tartozó rákkeltő anyagok közé sorolják. [2] Ezért időszerű és fontos egy hatékony maszkszűrő kutatása és fejlesztése a légáteresztő képesség és a részecskeeltávolítás szempontjából. [3]
Általánosságban elmondható, hogy a hagyományos szálszűrők kétféle módon rögzítik a PM-et: nanoszálakon alapuló fizikai szitáláson és mikroszálakon alapuló elektrosztatikus adszorpción keresztül (1a. ábra). A nanoszál alapú szűrők, különösen az elektrofonású nanoszálas szőnyegek alkalmazása hatékony stratégiának bizonyult a PM eltávolítására, ami az anyag széles körű rendelkezésre állása és a szabályozható termékstruktúra eredménye. [3] A nanoszálas szőnyeg képes eltávolítani a cél méretű részecskéket, amit a részecskék és a pórusok közötti méretkülönbség okoz. [3] A nanoméretű szálakat azonban sűrűn kell egymásra rakni, hogy rendkívül kicsi pórusokat képezzenek, amelyek a kapcsolódó nagy nyomáskülönbség miatt károsak a kényelmes emberi légzésre. Ezenkívül a kis lyukak elkerülhetetlenül viszonylag gyorsan eltömődnek.
Másrészt az olvadékfúvott ultrafinom szálas szőnyeg elektrosztatikusan feltöltődik egy nagy energiájú elektromos térrel, és a nagyon kis részecskéket elektrosztatikus adszorpció rögzíti. [4] Példaként említjük, hogy az N95 légzőkészülék egy részecskeszűrős, arcmaszkos légzésvédő, amely megfelel az Országos Munkahelyi Biztonsági és Egészségügyi Intézet követelményeinek, mert a levegőben lévő részecskék legalább 95%-át képes kiszűrni. Ez a szűrőtípus erős elektrosztatikus vonzás révén elnyeli az ultrafinom PM-et, amely általában anionos anyagokból, például SO42− és NO3−ból áll. A rostos szőnyeg felületén lévő statikus töltés azonban könnyen eloszlik nedves környezetben, például nedves emberi légzésben [4], ami az adszorpciós kapacitás csökkenését eredményezi.
A szűrési teljesítmény további javítása vagy az eltávolítási hatékonyság és a nyomásesés közötti kompromisszum megoldása érdekében a nanoszálakon és mikroszálakon alapuló szűrőket magas k-értékű anyagokkal kombinálják, például szén anyagokkal, fém szerves keretekkel és PTFE nanorészecskékkel. [4] Azonban ezen adalékanyagok bizonytalan biológiai toxicitása és töltéselvezetése továbbra is elkerülhetetlen probléma. [4] A hagyományos szűrők e két típusa általában nem bomlik le, így végül hulladéklerakókba temetik, vagy használat után elégetik őket. Ezért fontos jelenlegi igény olyan továbbfejlesztett maszkszűrők kifejlesztése, amelyek megoldják ezeket a hulladékproblémákat, és ezzel egyidejűleg kielégítő és hatékony módon rögzítik a PM-et.
A fenti problémák megoldására egy Janus membránszűrőt gyártottunk poli(butilén-szukcinát) alapú (PBS alapú)[5] mikroszálas és nanoszálas szőnyegekkel integrálva. A Janus membránszűrő kitozán nano whiskerekkel (CsW) van bevonva [5] (1b. ábra). Mint mindannyian tudjuk, a PBS egy reprezentatív biológiailag lebomló polimer, amely ultrafinom szálas és nanoszálas nemszőtt anyagokat tud előállítani elektrofonással. A nanoméretű szálak fizikailag felfogják a PM-et, míg a mikroméretű nanoszálak csökkentik a nyomásesést, és CsW keretként működnek. A kitozán egy bioalapú anyag, amelyről bebizonyosodott, hogy jó biológiai tulajdonságokkal rendelkezik, beleértve a biológiai kompatibilitást, a biológiai lebonthatóságot és a viszonylag alacsony toxicitást, [5] ami csökkentheti a felhasználók véletlen belélegzésével járó szorongást. [5] Ezenkívül a kitozán kationos helyeket és poláris amidcsoportokat tartalmaz. [5] Még nedves körülmények között is képes magához vonzani a poláris ultrafinom részecskéket (például SO42- és NO3-).
Itt egy biológiailag lebomló, nagy hatékonyságú, nedvességálló és alacsony nyomású cseppmaszkos szűrőről számolunk be, amely könnyen hozzáférhető biológiailag lebomló anyagokon alapul. A fizikai szitálás és az elektrosztatikus adszorpció kombinációjának köszönhetően a CsW bevonatú mikroszálas/nanoszálas integrált szűrő magas PM2,5 eltávolítási hatásfokkal rendelkezik (akár 98%), ugyanakkor a legnagyobb nyomásesés a legvastagabb szűrőn csak 59 Pa, alkalmas emberi légzésre. Az N95 kereskedelmi szűrő által mutatott jelentős teljesítménycsökkenéshez képest ez a szűrő elhanyagolható (<1%) veszteséget mutat a PM eltávolítási hatékonyságában még teljesen nedves állapotban is, az állandó CsW töltés miatt. Ezenkívül szűrőink 4 héten belül teljesen biológiailag lebomlanak komposztált talajban. Összehasonlítva más hasonló koncepciójú tanulmányokkal, amelyekben a szűrőrész biológiailag lebomló anyagokból áll, vagy korlátozott teljesítményt mutat potenciális biopolimer nemszőtt alkalmazásokban [6], ez a szűrő közvetlenül mutatja a fejlett funkciók biológiai lebonthatóságát (S1 film, támogató információk).
A Janus membránszűrő komponenseként először nanoszálas és szuperfinom szálas PBS szőnyegeket készítettek. Ezért 11%-os, illetve 12%-os PBS-oldatokat elektrofonással készítettek nanométeres, illetve mikrométeres szálak előállítására, a viszkozitásbeli különbségük miatt. [7] Az oldat jellemzőivel és az optimális elektrofonálási feltételekkel kapcsolatos részletes információk az S1 és S2 táblázatokban találhatók, az alátámasztó információk között. Mivel a fonott szál még mindig tartalmaz maradék oldószert, egy további vízkoaguláló fürdőt adnak egy tipikus elektrofonó berendezéshez, amint az a 2a. ábrán látható. Ezenkívül a vízfürdő a keretet használhatja a koagulált tiszta PBS-szálas szőnyeg összegyűjtésére is, amely eltér a hagyományos beállításban alkalmazott szilárd mátrixtól (2b. ábra). [7] A mikroszálas és nanoszálas szőnyegek átlagos szálátmérője 2,25 és 0,51 µm, az átlagos pórusátmérő pedig 13,1 és 3,5 µm (2c, d ábra). Mivel a 9:1 arányú kloroform/etanol oldószer a fúvókából való kiszabadulás után gyorsan elpárolog, a 11 és 12 tömeg%-os oldatok viszkozitáskülönbsége gyorsan növekszik (S1 ábra, alátámasztó információ). [7] Ezért már csak 1 tömegszázalékos koncentrációkülönbség is jelentős szálátmérő változást okozhat.
A szűrőteljesítmény ellenőrzése előtt (S2 ábra, alátámasztó információ) a különböző szűrők ésszerű összehasonlítása érdekében szabványos vastagságú elektrofonású nemszőtt anyagokat gyártottak, mivel a vastagság fontos tényező, amely befolyásolja a szűrő teljesítményének nyomáskülönbségét és szűrési hatékonyságát. Mivel a nem szőtt textíliák puhák és porózusak, nehéz közvetlenül meghatározni az elektromosan fonott nemszőtt anyagok vastagságát. A szövet vastagsága általában arányos a felületi sűrűséggel (területegységre eső tömeg, alaptömeg). Ezért ebben a tanulmányban az alaptömeget (gm-2) használjuk a vastagság hatékony mértékeként. [8] A vastagságot az elektrofonálási idő változtatásával szabályozzuk, amint az a 2e. ábrán látható. Ahogy a centrifugálási idő 1 percről 10 percre nő, a mikroszálas szőnyeg vastagsága 0,2, 2,0, 5,2 és 9,1 gm-2-re nő. Ugyanígy a nanoszálas szőnyeg vastagságát 0,2, 1,0, 2,5 és 4,8 gm-2-re növeltük. A mikroszálas és nanoszálas szőnyegeket vastagságértékükkel (gm-2) jelölik: M0.2, M2.0, M5.2 és M9.1, valamint N0.2, N1.0, N2.5 és N4. 8.
A teljes minta légnyomás-különbsége (ΔP) a szűrő teljesítményének fontos mutatója. [9] A nagy nyomásesésű szűrőn keresztül történő légzés kényelmetlen a felhasználó számára. Természetesen megfigyelhető, hogy a nyomásesés növekszik a szűrő vastagságának növekedésével, amint az az S3 ábrán látható, amely alátámasztja. A nanoszálas szőnyeg (N4.8) nagyobb nyomásesést mutat, mint a mikroszálas (M5.2) szőnyeg hasonló vastagság mellett, mivel a nanoszálas szőnyeg kisebb pórusokkal rendelkezik. Amint a levegő 0,5 és 13,2 ms-1 közötti sebességgel halad át a szűrőn, a két különböző típusú szűrő nyomásesése fokozatosan 101 Pa-ról 102 Pa-ra nő. hatékonyság; az 1,0 ms-1 légsebesség ésszerű, mert az embernek körülbelül 1,3 ms-1 időre van szüksége a szájon keresztül történő légzéshez. [10] Ebből a szempontból az M5.2 és N4.8 nyomásesése 1,0 ms-1 (50 Pa-nál kisebb) légsebesség mellett elfogadható (S4 ábra, alátámasztó információ). Felhívjuk figyelmét, hogy az N95 és a hasonló koreai szűrőszabványú (KF94) maszkok nyomásesése 50-70 Pa. A további CsW feldolgozás és a mikro/nano szűrő integráció növelheti a légellenállást; ezért a nyomásesés biztosításához N2,5 és M2,0 elemzést végeztünk az M5,2 és N4,8 elemzése előtt.
1,0 ms-1 céllevegősebesség mellett a PBS mikroszálas és nanoszálas szőnyegek PM1,0, PM2,5 és PM10 eltávolításának hatékonyságát statikus töltés nélkül vizsgálták (S5 ábra, alátámasztó információ). Megfigyelhető, hogy a PM eltávolítási hatékonyság általában növekszik a vastagság és a PM méret növekedésével. Az N2.5 eltávolítási hatékonysága kisebb pórusainak köszönhetően jobb, mint az M2.0. Az M2,0 eltávolítási hatékonysága a PM1,0, PM2,5 és PM10 esetében 55,5%, 64,6% és 78,8% volt, míg az N2,5 hasonló értékei 71,9%, 80,1% és 89,6% (ábra) 2f). Észrevettük, hogy az M2.0 és az N2.5 közötti hatékonyságban a legnagyobb különbség a PM1.0, ami azt jelzi, hogy a mikroszálas háló fizikai szitálása mikron szintű PM esetén hatásos, nano szintű PM esetén viszont nem (ábra). S6, alátámasztó információ). , M2.0 és N2.5 egyaránt alacsony, 90%-nál kisebb PM-elfogó képességet mutatnak. Ezenkívül az N2.5 érzékenyebb lehet a porra, mint az M2.0, mivel a porrészecskék könnyen elzárhatják az N2.5 kisebb pórusait. Statikus töltés hiányában a fizikai szitálásnak korlátozott az a képessége, hogy egyszerre tudja elérni a kívánt nyomásesést és eltávolítási hatékonyságot a közöttük fennálló kompromisszum miatt.
Az elektrosztatikus adszorpció a legszélesebb körben használt módszer a PM hatékony rögzítésére. [11] Általánosságban elmondható, hogy a statikus töltést nagy energiájú elektromos mezőn keresztül erőltetik a nem szőtt szűrőre; ez a statikus töltés azonban nedves körülmények között könnyen eloszlik, ami a PM-befogási képesség elvesztését eredményezi. [4] Az elektrosztatikus szűréshez bioalapú anyagként 200 nm hosszú és 40 nm széles CsW-t vezettünk be; ammóniumcsoportjaik és poláris amidcsoportjaik miatt ezek a nanobajszok állandó kationos töltéseket tartalmaznak. A CsW felületén elérhető pozitív töltést a zéta potenciálja (ZP) reprezentálja; A CsW 4,8 pH-jú vízben van diszpergálva, és ZP-jük +49,8 mV (S7 ábra, alátámasztó információ).
A CsW bevonatú PBS mikroszálakat (ChMs) és nanoszálakat (ChNs) egyszerű mártással állítottuk elő 0,2 tömegszázalékos CsW vizes diszperzióba, amely a megfelelő koncentráció a maximális mennyiségű CsW rögzítéséhez a PBS szálak felületéhez, amint az a ábra A 3a ábrán és az S8 ábrán látható, alátámasztó információ. A nitrogénenergia-diszperzív röntgenspektroszkópiás (EDS) kép azt mutatja, hogy a PBS szál felülete egyenletesen van bevonva CsW részecskékkel, ami a pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) képén is jól látszik (3b. ábra; S9 ábra, alátámasztó információ) . Ezenkívül ez a bevonási módszer lehetővé teszi, hogy a töltött nanoanyagok finoman beburkolják a szál felületét, ezáltal maximalizálva az elektrosztatikus részecskeeltávolítási képességet (S10 ábra, alátámasztó információ).
A ChM és ChN PM eltávolítási hatékonyságát tanulmányozták (3c. ábra). Az M2.0-t és az N2.5-öt CsW-vel vonták be, hogy ChM2.0-t és ChN2.5-öt kapjanak. A ChM2.0 eltávolítási hatékonysága a PM1.0, PM2.5 és PM10 esetében 70,1%, 78,8% és 86,3%, míg a ChN2.5 hasonló értékei 77,0%, 87,7% és 94,6% voltak. A CsW bevonat nagymértékben javítja az M2,0 és N2,5 eltávolítási hatékonyságát, és a valamivel kisebb PM-nél megfigyelt hatás jelentősebb. A kitozán nanobajusz különösen 15%-kal, illetve 13%-kal növelte az M2.0 PM0.5 és PM1.0 eltávolítási hatékonyságát (S11. ábra, alátámasztó információ). Bár az M2.0-ból nehéz kizárni a kisebb PM1.0-t viszonylag széles száltávolsága miatt (2c. ábra), a ChM2.0 adszorbeálja a PM1.0-t, mivel a CsW-k kationjai és amidjai ion-ionon haladnak át, összekapcsolva a pólus-ion kölcsönhatást. és a dipól-dipól kölcsönhatás a porral. CsW bevonatának köszönhetően a ChM2.0 és ChN2.5 PM eltávolítási hatékonysága olyan magas, mint a vastagabb M5.2 és N4.8 (S3 táblázat, alátámasztó információk).
Érdekes módon, bár a PM eltávolítási hatékonysága jelentősen javult, a CsW bevonat alig befolyásolja a nyomásesést. A ChM2.0 és ChN2.5 nyomásesése enyhén 15 és 23 Pa-ra nőtt, ami csaknem fele az M5.2 és N4.8 esetében megfigyelt növekedésnek (3d. ábra; S3 táblázat, alátámasztó információ). Ezért a bioalapú anyagokkal való bevonás megfelelő módszer két alapvető szűrő teljesítménykövetelményeinek teljesítésére; vagyis a PM eltávolítási hatékonyság és a légnyomáskülönbség, amelyek kölcsönösen kizárják egymást. A ChM2.0 és a ChN2.5 PM1.0 és PM2.5 eltávolítási hatékonysága azonban mindkettő 90%-nál alacsonyabb; nyilván ezen a teljesítményen javítani kell.
Egy integrált, több membránból álló, fokozatosan változó szálátmérővel és pórusmérettel rendelkező szűrőrendszer megoldhatja a fenti problémákat [12]. Az integrált légszűrő a két különböző nanoszál és a szuperfinom szálháló előnyeivel rendelkezik. Ebben a tekintetben a ChM és a ChN egyszerűen egymásra helyezve integrált szűrőket (Int-MN) állít elő. Például az Int-MN4.5-öt ChM2.0 és ChN2.5 felhasználásával állítják elő, és teljesítményét összehasonlítják a hasonló területi sűrűséggel (vagyis vastagsággal) rendelkező ChN4.8-val és ChM5.2-vel. A PM-eltávolítási hatékonysági kísérletben az Int-MN4.5 ultrafinom száloldalát a poros helyiségben szabadították fel, mivel az ultrafinom száloldal jobban ellenállt az eltömődésnek, mint a nanoszálas oldal. A 4a. ábrán látható módon az Int-MN4.5 jobb PM-eltávolítási hatékonyságot és nyomáskülönbséget mutat, mint két egykomponensű szűrő, 37 Pa nyomáseséssel, ami hasonló a ChM5.2-hez, és sokkal alacsonyabb, mint a ChM5.2 ChN4. 8. Ezenkívül az Int-MN4.5 PM1.0 eltávolítási hatékonysága 91% (4b. ábra). Másrészt a ChM5.2 nem mutatott ilyen magas PM1.0 eltávolítási hatékonyságot, mert pórusai nagyobbak, mint az Int-MN4.5-é.


Feladás időpontja: 2021.11.03