Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Lýðveldið Kóreu
Kórea Institute of Chemical Technology (KRICT) Biobased Chemistry Research Center, Ulsan, 44429, Lýðveldið Kóreu
Advanced Materials and Chemical Engineering, University of Science and Technology (UST), Daejeon, 34113 Lýðveldið Kóreu
Notaðu hlekkinn hér að neðan til að deila fullri textaútgáfu þessarar greinar með vinum þínum og samstarfsmönnum.læra meira.
Vegna kransæðaveirufaraldursins og vandamála sem tengjast svifryki (PM) í loftinu hefur eftirspurn eftir grímum vaxið gríðarlega.Hins vegar eru hefðbundnar grímusíur byggðar á stöðurafmagni og nano sigti allar einnota, óbrjótanlegar eða endurvinnanlegar, sem mun valda alvarlegum úrgangsvandamálum.Að auki mun hið fyrrnefnda missa virkni sína við rakar aðstæður, en hið síðarnefnda mun starfa með verulegu loftþrýstingsfalli og tiltölulega hröð stíflun svitahola.Hér hefur verið þróuð lífbrjótanleg, rakaheld, mjög andar og afkastamikil trefjamaskasía.Í stuttu máli eru tvær lífbrjótanlegar offínar trefjar og nanófrefjamottur samþættar í Janus himnusíuna og síðan húðuð með katjónískt hlaðnum kítósan nanóhúð.Þessi sía er eins skilvirk og N95 sían í atvinnuskyni og getur fjarlægt 98,3% af 2,5 µm PM.Nanófrefjar siga líkamlega fínar agnir og ofurfínar trefjar veita lágan þrýstingsmun upp á 59 Pa, sem er hentugur fyrir öndun manna.Andstætt mikilli samdrætti í afköstum N95 sía í atvinnuskyni þegar þær verða fyrir raka, er árangurstap þessarar síu hverfandi, svo það er hægt að nota hana margoft vegna þess að varanleg tvípól kítósans gleypir ofurfínn PM (til dæmis köfnunarefni).Og brennisteinsoxíð).Mikilvægt er að þessi sía brotni alveg niður í moltu jarðveginum innan 4 vikna.
Núverandi fordæmalaus faraldur kransæðaveiru (COVID-19) eykur mikla eftirspurn eftir grímum.[1] Alþjóðaheilbrigðismálastofnunin (WHO) áætlar að þörf sé á 89 milljón lækningagrímum í hverjum mánuði á þessu ári.[1] Heilbrigðisstarfsmenn þurfa ekki aðeins á afkastamiklum N95 grímum að halda, heldur hafa almennar grímur fyrir alla einstaklinga einnig orðið ómissandi daglegur búnaður til að koma í veg fyrir þennan öndunarfærasmitsjúkdóm.[1] Að auki mæla viðkomandi ráðuneyti eindregið með notkun einnota gríma á hverjum degi, [1] það hefur leitt til umhverfisvandamála sem tengjast miklu magni af grímuúrgangi.
Þar sem svifryk (PM) er erfiðasta loftmengunarvandamálið um þessar mundir, hafa grímur orðið áhrifaríkasta mótvægisaðgerðin sem einstaklingar fá.PM er skipt í PM2,5 og PM10 eftir kornastærð (2,5 og 10μm í sömu röð), sem hefur alvarleg áhrif á náttúrulegt umhverfi [2] og lífsgæði mannsins á ýmsan hátt.[2] Á hverju ári veldur PM 4,2 milljón dauðsföllum og 103,1 milljón örorkuleiðréttum lífsárum.[2] PM2.5 stafar sérstaklega alvarleg ógn af heilsu og er opinberlega tilgreint sem krabbameinsvaldandi hópur I.[2] Þess vegna er tímabært og mikilvægt að rannsaka og þróa skilvirka grímusíu hvað varðar loftgegndræpi og PM fjarlægingu.[3]
Almennt séð fanga hefðbundnar trefjasíur PM á tvo mismunandi vegu: með líkamlegri sigtun byggð á nanófrefjum og rafstöðueiginleika aðsogs byggt á örtrefjum (Mynd 1a).Notkun nanófrefja-undirstaða sía, sérstaklega rafspúnna nanófrefjamottur, hefur reynst árangursrík aðferð til að fjarlægja PM, sem er afleiðing víðtæks efnisframboðs og stjórnanlegrar vöruuppbyggingar.[3] Nanófrefjamottan getur fjarlægt agnir af markstærðinni, sem stafar af stærðarmuninum á agnunum og svitaholunum.[3] Hins vegar þarf að stafla trefjum á nanóskala þétt til að mynda afar litlar svitaholur, sem eru skaðlegar þægilegri öndun manna vegna tilheyrandi háþrýstingsmismunar.Auk þess munu litlu götin óhjákvæmilega stíflast tiltölulega fljótt.
Á hinn bóginn er bráðblásna ofurfínu trefjamottan rafstöðueiginlega hlaðin með háorku rafsviði og mjög litlar agnir eru fangaðar með rafstöðueiginleika aðsogs.[4] Sem dæmigert dæmi, N95 öndunargríman er agnasíandi andlitsgrímu öndunarvél sem uppfyllir kröfur Vinnuverndarstofnunar ríkisins vegna þess að hún getur síað að minnsta kosti 95% af loftbornum ögnum.Þessi tegund af síu gleypir ofurfínt PM, sem venjulega er samsett úr anjónískum efnum eins og SO42− og NO3−, með sterkri rafstöðueiginleika.Hins vegar losnar kyrrstöðuhleðslan á yfirborði trefjamottunnar auðveldlega í röku umhverfi, eins og er að finna í rakri öndun manna, [4] sem leiðir til minnkunar á aðsogsgetu.
Til þess að bæta síunarafköst enn frekar eða leysa skiptinguna milli skilvirkni fjarlægingar og þrýstingsfalls, eru síur sem byggjast á nanófrefjum og örtrefjum sameinuð með háum efnum, svo sem kolefnisefnum, lífrænum málmgrindum og PTFE nanóögnum.[4] Hins vegar eru óvissa líffræðileg eituráhrif og hleðsludreifing þessara aukefna enn óumflýjanleg vandamál.[4] Sérstaklega eru þessar tvær tegundir af hefðbundnum síum venjulega óbrjótanlegar, svo þær verða að lokum grafnar á urðunarstöðum eða brenndar eftir notkun.Þess vegna er þróun á bættum grímusíum til að leysa þessi úrgangsvandamál og á sama tíma fanga PM á fullnægjandi og öflugan hátt mikilvæg núverandi þörf.
Til að leysa ofangreind vandamál höfum við framleitt Janus himnusíu samþætta pólý(bútýlensúksínat)-undirstaða (PBS-byggð)[5] örtrefja og nanófrefjamottur.Janus himnusían er húðuð með chitosan nano whiskers (CsWs) [5] (Mynd 1b).Eins og við vitum öll er PBS dæmigerð lífbrjótanleg fjölliða, sem getur framleitt ofurfínt trefjar og nanófrefjaefni með rafspinningu.Nanó-skala trefjar grípa líkamlega PM, en ör-skala nanó-trefjar draga úr þrýstingsfalli og virka sem CsW ramma.Kítósan er lífrænt efni sem hefur verið sannað að hefur góða líffræðilega eiginleika, þar með talið lífsamrýmanleika, niðurbrjótanleika og tiltölulega litla eiturhrif, [5] sem getur dregið úr kvíða sem tengist innöndun notenda fyrir slysni.[5] Að auki hefur kítósan katjónískar staði og skautaða amíðhópa.[5] Jafnvel við rakar aðstæður getur það dregið að sér skautaðar offínar agnir (eins og SO42- og NO3-).
Hér greinum við frá lífbrjótanlegri, afkastamikilli, rakaþéttri og lágþrýstingsfallmaskasíu sem byggist á auðbrjótanlegum efnum sem eru aðgengileg.Vegna blöndu af líkamlegri sigtun og rafstöðueiginleika aðsogs hefur CsW-húðuð örtrefja/nanofiber samþætt sían mikla PM2.5 fjarlægingarvirkni (allt að 98%) og á sama tíma er hámarksþrýstingsfall á þykkustu síunni aðeins Það er 59 Pa, hentugur fyrir öndun manna.Í samanburði við verulega skerðingu á afköstum sem N95 viðskiptasían sýnir, sýnir þessi sía óverulegt tap á skilvirkni PM fjarlægingar (<1%), jafnvel þegar hún er full blaut, vegna varanlegrar CsW hleðslu.Að auki eru síurnar okkar algjörlega niðurbrjótanlegar í moltu jarðvegi innan 4 vikna.Í samanburði við aðrar rannsóknir með svipuð hugtök, þar sem síuhlutinn er samsettur úr lífbrjótanlegum efnum, eða sýnir takmarkaða frammistöðu í hugsanlegum líffjölliða óofnum forritum, [6] sýnir þessi sía beint niðurbrjótanleika háþróaðra eiginleika (mynd S1, stuðningsupplýsingar).
Sem hluti af Janus himnusíu voru fyrst útbúnar nanófíber og ofurfín trefjar PBS mottur.Þess vegna voru 11% og 12% PBS lausnir rafspunnnar til að framleiða nanómetrefjar og míkrómetratrefjar, í sömu röð, vegna mismunar þeirra á seigju.[7] Ítarlegar upplýsingar um eiginleika lausnarinnar og ákjósanleg rafsnúningsskilyrði eru skráð í töflum S1 og S2, í stuðningsupplýsingunum.Þar sem spunnið trefjar innihalda enn leifar af leysi, er viðbótarvatnsstorknunarbaði bætt við dæmigerð rafsnúningstæki, eins og sýnt er á mynd 2a.Að auki getur vatnsbaðið einnig notað grindina til að safna storknuðu hreinu PBS trefjamottunni, sem er frábrugðið föstu fylkinu í hefðbundnu umhverfi (Mynd 2b).[7] Meðalþvermál trefja á örtrefjamottum og nanófrefjamottum er 2,25 og 0,51 µm, í sömu röð, og meðalholaþvermál er 13,1 og 3,5 µm, í sömu röð (Mynd 2c, d).Þar sem 9:1 klóróform/etanól leysirinn gufar fljótt upp eftir að hann hefur verið losaður úr stútnum, eykst seigjumunurinn á milli 11 og 12 wt% lausna hratt (Mynd S1, stuðningsupplýsingar).[7] Þess vegna getur styrkmismunur aðeins 1 wt% valdið verulegri breytingu á þvermál trefja.
Áður en virkni síunnar er skoðuð (Mynd S2, stuðningsupplýsingar), til þess að bera saman ýmsar síur með sanngjörnum hætti, voru framleidd rafspunnin óofin efni af staðlaðri þykkt, vegna þess að þykktin er mikilvægur þáttur sem hefur áhrif á þrýstingsmun og síunarvirkni síunnar.Þar sem óofið efni er mjúkt og gljúpt, er erfitt að ákvarða beint þykkt rafspunninn óofinn.Þykkt efnisins er almennt í réttu hlutfalli við yfirborðsþéttleika (þyngd á flatareiningu, grunnþyngd).Þess vegna notum við grunnþyngd (gm-2) í þessari rannsókn sem áhrifaríkan mælikvarða á þykkt.[8] Þykktinni er stjórnað með því að breyta rafsnúningstímanum, eins og sýnt er á mynd 2e.Þegar snúningstíminn eykst úr 1 mínútu í 10 mínútur eykst þykkt örtrefjamottunnar í 0,2, 2,0, 5,2 og 9,1 gm-2, í sömu röð.Á sama hátt var þykkt nanófrefjamottunnar aukin í 0,2, 1,0, 2,5 og 4,8 gm-2, í sömu röð.Örtrefja- og nanófrefjamottur eru merktar með þykktargildum (gm-2) sem: M0.2, M2.0, M5.2 og M9.1 og N0.2, N1.0, N2.5 og N4. 8.
Loftþrýstingsmunurinn (ΔP) á öllu sýninu er mikilvægur vísbending um árangur síunnar.[9] Að anda í gegnum síu með miklu þrýstingsfalli er óþægilegt fyrir notandann.Það er náttúrulega tekið eftir því að þrýstingsfallið eykst eftir því sem þykkt síunnar eykst, eins og sýnt er á mynd S3, stuðningsupplýsingar.Nanófrefjamottan (N4.8) sýnir hærra þrýstingsfall en örtrefjamottan (M5.2) í sambærilegri þykkt því nanófrefjamottan hefur minni svitahola.Þar sem loftið fer í gegnum síuna á hraða á milli 0,5 og 13,2 ms-1 eykst þrýstingsfall tveggja mismunandi tegunda sía smám saman úr 101 Pa í 102 Pa. Þykktin ætti að vera fínstillt til að jafna þrýstingsfallið og PM fjarlægingu skilvirkni;lofthraði upp á 1,0 ms-1 er sanngjarn vegna þess að tíminn sem það tekur menn að anda í gegnum munninn er um 1,3 ms-1.[10] Í þessu sambandi er þrýstingsfall M5.2 og N4.8 ásættanlegt við lofthraða sem er 1,0 ms-1 (minna en 50 Pa) (Mynd S4, stuðningsupplýsingar).Vinsamlegast athugið að þrýstingsfall N95 og svipaðra kóreskra síustöðla (KF94) gríma er 50 til 70 Pa, í sömu röð.Frekari CsW vinnsla og samþætting ör/nano síu getur aukið loftmótstöðu;Þess vegna, til að veita þrýstingsfallsmörk, greindum við N2.5 og M2.0 áður en við greindum M5.2 og N4.8.
Við marklofthraða upp á 1,0 ms-1 var fjarlægingarvirkni PM1.0, PM2.5 og PM10 af PBS örtrefja- og nanófrefjamottum rannsakað án kyrrstöðuhleðslu (Mynd S5, stuðningsupplýsingar).Það er tekið fram að skilvirkni PM flutnings eykst almennt með aukningu á þykkt og PM stærð.Fjarlægingarvirkni N2.5 er betri en M2.0 vegna smærri svitahola.Fjarlægingarvirkni M2.0 fyrir PM1.0, PM2.5 og PM10 var 55.5%, 64.6% og 78.8%, í sömu röð, en svipuð gildi fyrir N2.5 voru 71.9%, 80.1% og 89.6% (mynd 2f).Við tókum eftir því að stærsti munurinn á skilvirkni milli M2.0 og N2.5 er PM1.0, sem gefur til kynna að líkamleg sigtun á örtrefjanetinu sé áhrifarík fyrir míkron-stig PM, en er ekki áhrifarík fyrir nanó-stig PM (Mynd S6, stuðningsupplýsingar)., M2.0 og N2.5 sýna báðar litla PM-fangagetu sem er innan við 90%.Að auki getur N2.5 verið næmari fyrir ryki en M2.0, vegna þess að rykagnir geta auðveldlega lokað minni svitahola N2.5.Ef kyrrstöðuhleðsla er ekki til staðar er líkamleg sigtun takmörkuð í getu sinni til að ná fram nauðsynlegu þrýstingsfalli og skilvirkni í fjarlægingu á sama tíma vegna skiptatengslanna á milli þeirra.
Rafstöðuaðsog er mest notaða aðferðin til að fanga PM á skilvirkan hátt.[11] Almennt er kyrrstöðuhleðsla beitt með valdi á óofna síuna í gegnum háorku rafsvið;Hins vegar losnar þessi kyrrstöðuhleðsla auðveldlega við rakar aðstæður, sem leiðir til taps á getu til að fanga PM.[4] Sem lífrænt efni fyrir rafstöðueiginleikasíun kynntum við 200 nm langt og 40 nm breitt CsW;Vegna ammóníumhópa og skautaðra amíðhópa innihalda þessar nanóhúðar varanlegar katjónískar hleðslur.Tiltæk jákvæð hleðsla á yfirborði CsW er táknuð með zeta-getu þess (ZP);CsW er dreift í vatni með pH 4,8 og ZP þeirra reynist vera +49,8 mV (Mynd S7, stuðningsupplýsingar).
CsW-húðaðar PBS örtrefjar (ChMs) og nanófrefjar (ChNs) voru unnar með einfaldri dýfishúð í 0,2 wt% CsW vatnsdreifingu, sem er viðeigandi styrkur til að festa hámarksmagn CsWs við yfirborð PBS trefja, eins og sýnt er í mynd Sýnd á mynd 3a og mynd S8, stuðningsupplýsingar.Köfnunarefnisorkudreifingarröntgenmyndin (EDS) sýnir að yfirborð PBS trefjarins er jafnhúðað með CsW ögnum, sem er einnig áberandi í skönnun rafeindasmásjár (SEM) mynd (Mynd 3b; Mynd S9, stuðningsupplýsingar) .Að auki gerir þessi húðunaraðferð hlaðin nanóefni kleift að vefja trefjayfirborðið fínt og hámarkar þannig rafstöðueiginleikann til að fjarlægja PM (Mynd S10, stuðningsupplýsingar).
Skilvirkni PM-fjarlægingar ChM og ChN var rannsökuð (mynd 3c).M2.0 og N2.5 voru húðuð með CsW til að framleiða ChM2.0 og ChN2.5, í sömu röð.Fjarlægingarvirkni ChM2.0 fyrir PM1.0, PM2.5 og PM10 var 70.1%, 78.8% og 86.3%, í sömu röð, en svipuð gildi fyrir ChN2.5 voru 77.0%, 87.7% og 94.6% í sömu röð.CsW húðunin bætir mjög skilvirkni M2.0 og N2.5 í fjarlægingu og áhrifin sem sjást fyrir aðeins minni PM eru marktækari.Sérstaklega jók kítósan nanowhiskers skilvirkni M2.0's PM0.5 og PM1.0 um 15% og 13%, í sömu röð (Mynd S11, stuðningsupplýsingar).Þrátt fyrir að erfitt sé að útiloka M2.0 smærri PM1.0 vegna tiltölulega breitt bil milli trefja (Mynd 2c), aðsogar ChM2.0 PM1.0 vegna þess að katjónir og amíð í CsWs fara í gegnum jón-jón og tengir pól-jón víxlverkun , og tvípól-tvípól víxlverkun við ryk.Vegna CsW-húðarinnar er skilvirkni PM-eyðingar ChM2.0 og ChN2.5 jafn mikil og þykkari M5.2 og N4.8 (tafla S3, stuðningsupplýsingar).
Athyglisvert er að þrátt fyrir að skilvirkni PM fjarlægingar sé verulega bætt, hefur CsW húðin varla áhrif á þrýstingsfallið.Þrýstifall ChM2.0 og ChN2.5 jókst örlítið í 15 og 23 Pa, næstum helmingi meiri hækkunar sem sést fyrir M5.2 og N4.8 (Mynd 3d; Tafla S3, stuðningsupplýsingar).Þess vegna er húðun með lífrænum efnum hentug aðferð til að uppfylla frammistöðukröfur tveggja grunnsía;það er skilvirkni PM-eyðingar og loftþrýstingsmunur, sem útiloka hvorn annan.Hins vegar eru PM1.0 og PM2.5 fjarlægingarvirkni ChM2.0 og ChN2.5 bæði lægri en 90%;augljóslega þarf að bæta þessa frammistöðu.
Samþætt síunarkerfi sem samanstendur af mörgum himnum með smám saman breytilegum trefjaþvermáli og svitaholastærðum getur leyst ofangreind vandamál [12].Samþætt loftsía hefur kosti tveggja mismunandi nanófrefja og ofurfín trefjaneta.Í þessu sambandi er ChM og ChN einfaldlega staflað til að framleiða samþættar síur (Int-MNs).Til dæmis, Int-MN4.5 er útbúinn með því að nota ChM2.0 og ChN2.5, og árangur þess er borinn saman við ChN4.8 og ChM5.2 sem hafa svipaðan flatarmálsþéttleika (þ.e. þykkt).Í tilrauninni með skilvirkni PM-eyðingar var ofurfín trefjahlið Int-MN4.5 afhjúpuð í rykugu herberginu vegna þess að ofurfín trefjahliðin var ónæmari fyrir stíflu en nanófrefjahliðin.Eins og sýnt er á mynd 4a, sýnir Int-MN4.5 betri skilvirkni og þrýstingsmun á PM fjarlægingu en tvær einþátta síur, með þrýstingsfall upp á 37 Pa, sem er svipað og ChM5.2 og mun lægra en ChM5.2 ChN4.8. Að auki er PM1.0 fjarlægingarvirkni Int-MN4.5 91% (Mynd 4b).Aftur á móti sýndi ChM5.2 ekki svo mikla PM1.0 fjarlægingarvirkni vegna þess að svitahola þess eru stærri en Int-MN4.5.
Pósttími: Nóv-03-2021
