Filtro de ar de nanofibra de poliuretano transparente para captura de PM2.5 de alta eficiência

Resumo

O material particulado fino (PM) afetou seriamente a vida humana, afetando a saúde humana, o clima e o ambiente ecológico. Recentemente, muitos pesquisadores usam eletrofiação para preparar filtros de ar de nanofibras para a remoção eficaz de partículas finas. No entanto, a eletrofiação das fibras poliméricas na tela da janela de maneira uniforme só é alcançada em laboratório, e a concretização da industrialização ainda é muito desafiadora. Aqui, relatamos um método de eletrofiação usando uma fieira de conta rotativa para eletrofiação em grande escala de poliuretano termoplástico (TPU) em malha condutiva com alta produtividade de 1000 m ² /dia. Ao alterar a concentração de TPU na solução de polímero, a eficiência de remoção de PM2,5 do filtro de ar à base de nanofibras pode ser de até 99,654% com boa transparência óptica de 60% e o ângulo de contato e a taxa de ventilação do ar à base de nanofibras o filtro é 128,5 ° e 3480 mm / s, respectivamente. Após 10 vezes de filtração, a eficiência de remoção é reduzida apenas em 1,6%. Este filtro de ar transparente baseado em nanofibras TPU tem excelente eficiência de filtração e taxa de ventilação, o que pode efetivamente garantir a qualidade do ar interno dos edifícios residenciais.

Introdução

O material particulado fino (PM) é composto de várias partículas sólidas finas e gotículas com até centenas de componentes químicos. O PM é composto principalmente de três substâncias químicas principais, incluindo íons solúveis em água, compostos contendo carbono e outros compostos inorgânicos [1,2,3,4,5]. O MP é principalmente proveniente da queima de combustíveis fósseis e lixo, e é rico em substâncias tóxicas e partículas nocivas [1, 3,4,5,6]. De acordo com o tamanho do diâmetro da partícula, PM é principalmente dividido em PM2,5 e PM10, o que significa que o diâmetro aerodinâmico das partículas é inferior a 2,5 μm e 10 μm. PM10 permanece no ar por alguns minutos a algumas horas com uma distância de viagem limitada; entretanto, PM2.5 tem um longo tempo de residência na atmosfera e pode durar de vários dias a várias semanas [2, 5]. Mesmo que o PM2.5 caia no chão, é fácil ser levado de volta ao ar pelo vento. Por meio do processo respiratório, o PM2.5 pode entrar no corpo e se acumular na traqueia ou no pulmão, o que afetará negativamente a saúde humana [7,8,9]. O PM2.5 também tem um grande impacto no clima e no meio ambiente ecológico, afetando o processo de chuvas [10,11,12,13,14]. Nos últimos 10 anos, a poluição do ar por PM2.5 está se tornando cada vez mais séria, especialmente em alguns países em desenvolvimento, como China e Índia [4, 15]. Na vida cotidiana, as pessoas nesses países costumam se deparar com um clima de neblina severa. Por este motivo, é muito necessário tomar alguma proteção contra PM2.5.

Atualmente, as medidas de proteção contra a névoa severa estão focadas principalmente na proteção pessoal ao ar livre, como o uso de máscaras profissionais contra poeira, que podem filtrar eficazmente o material particulado [16, 17]. As proteções pessoais internas, como sistemas de ventilação e purificador de ar, são caras, complicadas de instalar e requerem substituição dos elementos filtrantes [6]. Os filtros de ar internos geralmente fornecem proteção de ar para edifícios comerciais, devido ao alto custo dos sistemas de bombeamento para troca ativa de ar. Recentemente, existem dois filtros de ar transparentes para edifícios residenciais por janelas de ventilação passiva que entram na visão do consumidor [17]. Um deles é o filtro de membrana porosa, mas a porosidade desse filtro é muito baixa, o que significa que não é possível obter alta ventilação. Outro é o filtro de ar de nanofibras, cuja porosidade pode chegar a 70% e pode atingir alta ventilação. Alguns laboratórios prepararam uma variedade de telas de janela para proteger a qualidade do ar interno com nanofibras. Por exemplo, Chen et al. [18] relataram um filtro de ar preparado usando polímero TPU eletrofiado; O filtro de ar de nanofibra TPU é muito eficaz para remover PM2,5 (98,92%) com queda de pressão muito baixa (10 Pa). Khalid et al. [19] relataram uma tela de janela de nanofibra feita por tecnologia de sopro direto, que tem boa transparência óptica (80%) e alta eficiência de filtração de PM2.5 (99%). Liu et al. [6] prepararam um filtro de ar transparente por eletrofiação, que alcançou alta ventilação e alta eficiência de filtração de PM2,5 (> 95,0%). Porém, essa pesquisa foi desenvolvida em laboratórios e a pesquisa do processo industrial de filtro de nanofibra é pequena.

Nos últimos anos, a tecnologia de eletrofiação tem recebido grande atenção devido ao seu baixo consumo de energia, operação simples e métodos ecologicamente corretos para a preparação de nanofibras [20, 21]. Membranas de nanofibras preparadas por eletrofiação têm alta porosidade, interconexões de micro-nano-canais e alta área de superfície específica [22,23,24,25,26,27,28,29]. Recentemente, nossa equipe desenvolveu um filtro de ar de nanofibra TPU que pode ser produzido em massa usando uma fieira de esfera giratória [30, 31]. Este filtro de ar tem estabilidade térmica muito alta, boa transparência óptica de 60%, alta eficiência de remoção de PM2.5 de 99,654%, longa vida útil, baixa resistência ao fluxo de ar (taxa de ventilação de 3348 mm / s) e peso leve.

Experimental

Materiais e instrumentos

O Polímero TPU foi obtido da Bayer Co., Ltd., Alemanha, com resistência ao rasgo, resistência à abrasão e proteção UV; a malha condutora do substrato é fornecida pela Qingdao Junada Technology Co., Ltd., China. O N, N -dimetilfomamida (DMF) e acetona foram fornecidos pela Tianjin Zhonghe Shengtai Chemical Co., Ltd. A microscopia eletrônica de varredura (SEM Feiner High Resolution Professional Edition Phenom Pro) é usada para estudar a morfologia das fibras TPU. Um testador de desempenho de filtração automático para avaliar o desempenho de filtração FX3300 Lab Air-IV foi adquirido de Shanghai Lippo Co., Ltd., China. O AFC-131 é usado para testar a taxa de ventilação adquirida da Shanghai Huifen Electronic Technology Co., Ltd. Thermo Scientific Nicolet iS5 é usado para medir infravermelho e analisar os grupos funcionais de membranas de fibra TPU. O medidor de ângulo de contato óptico teta foi usado para analisar o ângulo de contato do filme de fibra TPU. A transmitância da luz foi avaliada usando um espectrofotômetro ultravioleta UV1901PC e adquirido na Shanghai Aoxiang Scientific Instrument Co., Ltd., China.

Preparação de membranas nanofibrosas

A membrana de nanofibra TPU foi fabricada usando equipamento de eletrofiação NES-1 (Qingdao Junada Technology Co., Ltd.), que é exibido na Fig. 1a. O mainframe tem 2.350 mm de comprimento, 2.200 mm de largura, 2.700 mm de altura e pesa 1.980 kg. A tela de toque é Siemens PLC, a potência é de 30 kV e a largura de fiação é de 1,1 m. O diâmetro médio da fibra é de cerca de 120 nm, e o peso da membrana de nanofibra é de cerca de 0,5 g por metro quadrado. O substrato é adequado para celulose, fibra sintética, etc., e o material polimérico é adequado para TPU, PVP, PAN, etc. O princípio de eletrofiação é mostrado na Fig. 1b, e o diagrama esquemático de uma membrana de nanofibra produzida por eletrofiação é mostrado na Fig. 1c. A solução usada na eletrofiação foi dissolver diferentes massas de TPU em um solvente misto em uma proporção de DMF para acetona em uma proporção de volume de 1:1; a tensão de giro era de pressão positiva 30 kV e alta pressão negativa - 30 kV, o que resultou em um jato estável; a velocidade de movimentação do substrato foi de 10 m / min; e a distância de giro foi controlada em 200 mm. A temperatura e a umidade relativa durante este processo foram controladas a 25 ° C e 50% UR. A fim de obter diferentes diâmetros médios de nanofibras, a concentração de TPU na solução foi ajustada de 6 a 16% em peso. A solução TPU foi submetida a eletrofiação em malha condutiva nas mesmas condições. As diferentes concentrações de membranas de fibra de TPU foram denominadas TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 e TPU-16, respectivamente.

Equipamento de eletrofiação. a Uma foto do aparelho de eletrofiação usado neste trabalho. b Diagrama esquemático da configuração de eletrofiação com fieiras rotativas de fio de contas. c A membrana de nanofibra neste filtro de ar é uma amostra produzida pelo aparelho de eletrofiação

Resultados e discussão

Caracterização da morfologia e estruturas

Uma das tendências importantes na caracterização da membrana de nanofibras é a morfologia da superfície da membrana. A morfologia da membrana de nanofibra TPU foi observada por MEV, e a voltagem utilizada foi um sistema de varredura de imagem de 10 kV. Conforme mostrado na Fig. 2a-f, as morfologias microscópicas da membrana de nanofibras obtidas a partir da solução de eletrofiação TPU são mostradas sob diferentes concentrações de TPU de 6% em peso, 8% em peso, 10% em peso, 12% em peso, 14% em peso e 16% em peso, respectivamente. Quando as concentrações de TPU estão entre 6% em peso e 12% em peso (Fig. 2a-d), existem muitas nanofibras semelhantes a esferas de tamanhos diferentes. Isso pode ser atribuído à baixa viscosidade da cadeia molecular do polímero TPU com a baixa concentração da solução de TPU. Portanto, no processo de eletrofiação de solução de TPU de baixa concentração, a ejeção foi difícil para resistir ao alongamento da força do campo elétrico [32]. Além disso, devido à viscoelasticidade da cadeia molecular do TPU, a ejeção esticada pela força do campo elétrico se agregará para formar nanofibras frisadas [33]. No entanto, conforme a concentração de TPU aumenta, a viscosidade da solução aumenta e o processo de eletrofiação formará nanofibras em vez de nanofibras com esferas, de modo que as nanofibras com esferas se tornam cada vez menos e, eventualmente, desaparecem completamente (Fig. 2e-f). Por outro lado, a viscosidade da solução é um parâmetro importante que afeta o diâmetro da nanofibra [34]. Quando a concentração da solução TPU aumenta, a viscosidade da solução também aumenta, de modo que o diâmetro da nanofibra aumenta, conforme mostrado na Fig. 2a-f. Quando a concentração de TPU é superior a 14% em peso, o diâmetro das nanofibras aumenta rapidamente (Fig. 2e-f). O diâmetro médio da nanofibra é calculado pelo NanMeasurer. O diâmetro médio da nanofibra TPU é ~ 0,10 μm, ~ 0,12 μm, ~ 0,14 μm, ~ 0,17 μm, ~ 0,34 μm e ~ 1,97 μm, correspondendo a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU -14 e TPU-16.

Imagens SEM do TPU eletrofiado. Imagens de SEM a – f e distribuições de diâmetro com concentrações de TPU de 6% em peso, 8% em peso, 10% em peso, 12% em peso, 14% em peso e 16% em peso, respectivamente

Análise do espectro infravermelho com transformada de Fourier

Para identificar a composição da membrana de nanofibra TPU preparada, é necessário realizar a análise de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR) na amostra. Primeiro, pré-aqueça o equipamento por uma hora e meia, a pressão é controlada a 15 Mpa, a tensão de trabalho é 220 V, a temperatura ambiente é controlada a 20 ° C, a umidade ambiente é controlada a 40%, a frequência é 50 Hz, e a corrente é 7,5 A. Os resultados do teste são mostrados na Fig. 3, que é obviamente o mesmo que o espectro infravermelho do substrato de poliuretano. O espectro é mostrado na Fig. 3. Picos de absorção fortes foram observados nos números de onda 3330,18 cm ^-1 , 2960,51 cm ^-1 e 1215,86 cm ^-1 , indicando a presença de grupos funcionais N – H e C – H. A superfície da nanofibra TPU tem grupos funcionais hidrofóbicos e a superfície da membrana da fibra é lisa e densa. Assim, o filtro de ar transparente preparado tem uma certa função hidrofóbica. Devido à natureza hidrofóbica da membrana de fibra TPU, o filtro de ar transparente TPU pode abrir a janela em dias chuvosos.

Composição da membrana de nanofibra TPU. Demonstração de FTIR de TPU indicando a presença de vários grupos funcionais

Análise de eficiência de filtração

A eficiência da filtração é o parâmetro mais importante para avaliar filtros de ar transparentes. O teste de eficiência de filtração foi realizado em diferentes membranas de fibra TPU. Neste estudo, as condições de teste eram as mesmas, a temperatura era de 20 ° C, a umidade relativa era de 40,6%, a vazão é de 2,0 m ³ / h, e os poluentes PM são partículas de aerossol. A distribuição de tamanho de PM e o efeito de filtração de cada amostra são mostrados na Fig. 4a. A eficiência da filtração está positivamente correlacionada com o tamanho das partículas PM. Para o mesmo tamanho de partículas de PM, como PM2,5 (Fig. 4b), com a concentração de TPU aumenta de 6 para 12% em peso, a eficiência de remoção é significativamente aumentada, o que pode ser atribuído ao fato de que a membrana ondulou por nanofibras com diâmetro maior são melhores para partículas PM resistentes. No entanto, com o aumento da concentração de TPU de 12 para 16% em peso, o aumento no espaçamento entre as fibras e o desaparecimento das fibras do cordão de contas resulta em uma diminuição significativa na eficiência de remoção da membrana da fibra de TPU [18]. O aumento da concentração da solução torna o alongamento do jato de eletrofiação mais difícil e lento, resultando no aumento do tamanho dos poros da membrana da fibra TPU. A Figura 4c-e mostra a passagem de material particulado através de membranas de fibra de diferentes diâmetros. O diâmetro maior da fibra evita efetivamente que o PM passe através da membrana da fibra e, conforme a concentração de TPU se torna maior, o diâmetro da fibra torna-se maior, mas a distância entre as fibras de fase também se torna maior, resultando em uma diminuição na eficiência de filtração. A maior eficiência de remoção do PM2.5 é o TPU-12. Quando o diâmetro da partícula é ≥ 0,525 μm, a eficiência de remoção é de 100% e a queda de pressão é de apenas 10 Pa. Além disso, a eficiência de remoção do TPU-10 no PM2,5 é de 99,654%.

Avaliação da eficiência de filtração de membrana de fibra TPU. a Remova a eficiência de PM de tamanhos diferentes com concentrações de TPU de 6% em peso, 8% em peso, 10% em peso, 12% em peso, 14% em peso e 16% em peso, respectivamente. b Eficiência de remoção de PM2.5 de diferentes concentrações de membranas de fibra TPU. c - e PM através de membranas de fibra de diferentes diâmetros

Análise da taxa de ventilação

Manter alta ventilação é uma propriedade importante para avaliar o desempenho do filtro de ar. Seis amostras foram testadas quanto à taxa de ventilação nas mesmas condições. A área de medição foi de 20 cm ² e a pressão de medição foi de 200 Pa. A taxa de ventilação de diferentes concentrações de membranas de nanofibras TPU é mostrada na Fig. 5a, e a queda de pressão correspondente é de 6 Pa, 15 Pa, 12 Pa, 10 Pa, 7 Pa e 9 Pa. A taxa de ventilação de diferentes membranas de TPU começa a cair primeiro, depois mantém os aumentos e, por último, cai ligeiramente, correspondendo ao aumento da concentração da solução de 6 a 8% em peso, 8 a 14% em peso e 14 a 16% em peso. Existem duas razões principais para afetar a taxa de ventilação:densidade de embalagem de nanofibras e o diâmetro médio da fibra [34]. A densidade de empacotamento de nanofibras é calculada da seguinte forma:
$$ \ alpha =\ frac {W} {\ rho_fZ} $$ (1)

Avaliação da taxa de ventilação da membrana de fibra TPU. a Taxa de ventilação de diferentes concentrações de membranas de fibra TPU. b - e O ar passa por fibras de diferentes diâmetros

Aqui, α é a densidade de empacotamento de nanofibras, W é o peso básico da membrana de nanofibra, ρ _f é a densidade do nanomaterial, e Z é a espessura do filme de nanofibra. A taxa de ventilação começa a diminuir principalmente devido à adição de diâmetros médios de nanofibras TPU (Fig. 5b, c). À medida que a concentração de TPU aumenta de 8 para 14% em peso, a diminuição da densidade de empacotamento das nanofibras leva a um aumento na distância entre as nanofibras, o que é benéfico para a taxa de ventilação, mesmo que o diâmetro das nanofibras seja aumentado (Fig. 5d). Quando a membrana de nanofibra é feita de uma solução com uma concentração de TPU de 14 a 16% em peso, o diâmetro da nanofibra desempenha um papel crucial na taxa de ventilação, e a taxa de ventilação associada cai ligeiramente (Fig. 5e). Quando a concentração de TPU aumenta para 10% em peso, a taxa de ventilação é de até 3.480 mm / s, tal alta taxa de ventilação é equivalente a uma tela em branco sem uma membrana de nanofibra.

Análise do ângulo de contato

A hidrofobicidade é um parâmetro importante para avaliar o desempenho dos filtros de ar, e a molhabilidade da membrana de fibra TPU obtida foi medida por DSA usando uma gota de 5 μL. Os resultados são mostrados na Fig. 6a-f, os ângulos de contato são 138,6 °, 133,4 °, 128,5 °, 122,8 °, 112,7 ° e 107,7 °, correspondendo a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU- 12, TPU-14 e TPU-16. O ângulo de contato de todas as amostras foi maior que 90 °, indicando que o filtro de ar transparente preparado com polímero TPU é altamente hidrofóbico devido aos grupos funcionais hidrofóbicos na superfície da membrana de nanofibra TPU, o pequeno diâmetro da fibra leva a uma superfície lisa da membrana e estrutura densa da membrana da fibra. Porém, à medida que a concentração de TPU aumenta, o ângulo de contato torna-se cada vez menor (Fig. 6g), pois a rugosidade da superfície da membrana da fibra torna-se maior. A relação entre o ângulo de contato e a rugosidade da superfície da membrana de nanofibras pode ser entendida pela equação de Wenzel, que é definida da seguinte forma:
$$ \ cos \ theta '=r \ cos \ theta $$ (2)

Caracterização do ângulo de contato da membrana de fibra TPU. a – f Teste do ângulo de contato de diferentes concentrações de membranas de fibra de TPU usando gotículas de 5 μL. g Ângulo de contato de diferentes concentrações de membrana de fibra TPU. h - i Gotículas na superfície das fibras de diferentes diâmetros.

Aqui, r é o fator de rugosidade da superfície, que é a proporção da área real da superfície para a área geométrica projetada ( r ≥ 1), θ ^′ é o ângulo de contato da superfície áspera. Conforme mostrado na Fig. 6h – i, com o aumento da concentração de TPU, o diâmetro da nanofibra de TPU aumenta e aumenta a rugosidade da superfície da membrana de nanofibra, resultando em um ângulo de contato cada vez mais baixo.

Teste de transparência e reprodutibilidade

Outro parâmetro importante do filtro de ar transparente é a transmissão; a transmitância das seis amostras foi testada e os resultados são mostrados na Fig. 7a. Verificou-se que a transmitância primeiro continuou diminuindo e depois aumentou, correspondendo ao aumento na concentração de TPU de 6 para 12% em peso e 12 para 16% em peso. Quando a concentração de TPU é de 6 a 12% em peso, a transmitância da membrana de fibra é gradualmente reduzida, principalmente porque a concentração da solução é muito baixa no início (como 6% em peso e 8% em peso), e o processo de eletrofiação sim não forma fibras facilmente. Quando a concentração da solução aumenta, a concentração da solução é mais adequada para eletrofiação, de modo que mais e mais fibras são formadas por eletrofiação. O diâmetro da nanofibra também se torna maior e a membrana da fibra torna-se cada vez mais espessa, de modo que menos luz pode passar através da membrana da fibra. Por outro lado, como a concentração da solução é muito baixa, a eletrofiação forma um grande número de grânulos (Fig. 2a-d), o que é adverso para a passagem de luz pela membrana da fibra. Quando a concentração da solução é de 12 a 16% em peso, a transmitância da membrana da fibra aumenta gradativamente, principalmente porque a viscosidade da solução aumenta, e o processo de eletrofiação torna-se difícil gradualmente, de modo que menos nanofibra é produzida. Outra razão é que à medida que a concentração da solução aumenta, o cordão frisado desaparece, contribuindo com mais luz para passar pela membrana da fibra. Transmitências de 80%, 75%, 60%, 30%, 45% e 70%, correspondendo a TPU-6, TPU-8, TPU-10, TPU-12, TPU-14 e TPU-16. O TPU-10 não tem apenas uma eficiência de filtragem de 99,654% e a taxa de transmissão é de até 60%. A Figura 7b mostra a fotografia da membrana de nanofibra TPU-10 com 60% de transmitância. Para filtros de ar com uma transmissão de mais de 50%, luz suficiente pode ser transmitida através da sala para atender aos requisitos de iluminação interna.

Propriedades de transmissão da membrana de fibra TPU. a Transmitância de diferentes concentrações de membrana de fibra TPU. b Fotografias da concentração de TPU de filtros de ar transparentes de 10% em peso com transparência de 60%

Considerando que o desempenho de filtração de longo prazo e alto fluxo de ar são fatores importantes em filtros de ar, reciclamos as membranas de fibra TPU e continuamos a testar a eficiência da filtração e a taxa de ventilação, e os resultados são mostrados na Fig. 8. A Figura 8a mostra as barras de erro para eficiência de remoção combinada de 10 ciclos de teste de filtração PM2.5 de membrana de nanofibra TPU. Após 10 passagens de filtração TPU-10, a eficiência de filtração foi reduzida apenas em 1,6% (de 99,4 para 97,8%). Além disso, uma barra de erro para as taxas de aeração dos 10 ciclos de teste para membranas de fibra de concentração de TPU diferentes são mostradas na Fig. 8b. A taxa de ventilação mudou lentamente e não diminuiu significativamente. Após dez testes de respiração, a taxa de ventilação foi reduzida apenas em cerca de 10 mm / s, indicando que o efeito da ventilação é muito estável.

Reprodutibilidade da taxa de ventilação e eficiência de remoção da membrana de fibra composta. a Reprodutibilidade da eficiência de remoção. b Reprodutibilidade da taxa de ventilação

Conclusão

Em resumo, usamos uma fieira rotativa de conta para eletrofiação para criar um filtro de ar transparente que pode ser produzido em grande escala. Ao alterar a concentração do polímero TPU na solução, não apenas a eficiência de remoção de PM2,5 significativa (99,654%) é alcançada, mas também uma boa transparência óptica (60%) e taxa de ventilação (3480 mm / s) são alcançadas. Além disso, ao realizar 10 ciclos de testes de filtração e ventilação de gás no filtro de ar transparente TPU, os resultados mostraram que a eficiência de filtração foi reduzida apenas em 1,6% e a taxa de ventilação foi alterada muito lentamente e permaneceu substancialmente inalterada. Esses resultados indicam que as membranas de nanofibras TPU preparadas por eletrofiação têm muitas vantagens, como boa repelência à água, boa transparência óptica, alta taxa de ventilação e alto desempenho de filtração, que podem ser usadas como materiais de filtro em muitos campos.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.

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