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  空氣中的顆粒物污染對(duì)人們的健康造成了嚴(yán)重威脅，顆粒物的高效去除技術(shù)已成為人們應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的重要手段。由于大多數(shù)人80%以上的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，因此在大風(fēng)量下實(shí)現(xiàn)高效去除室內(nèi)顆粒物的技術(shù)成為了營(yíng)造健康環(huán)境的必需。目前在建筑和車(chē)輛通風(fēng)系統(tǒng)中最常用的顆粒物去除方式是采用機(jī)械過(guò)濾，但通風(fēng)過(guò)濾技術(shù)的瓶頸問(wèn)題是：高過(guò)濾效率、低阻力、大容塵量難以兼得。因此發(fā)展兼顧上述三者的空氣顆粒物過(guò)濾技術(shù)，對(duì)健康建筑環(huán)境營(yíng)造和節(jié)能減排都具有重要意義。

  目前主要思路是圍繞納米材料等高成本、高級(jí)材料制備方法來(lái)提升過(guò)濾性能，本研究思路是基于低成本的粗效過(guò)濾材料，采用可大規(guī)模量產(chǎn)的清潔無(wú)污染方法對(duì)粗效材料進(jìn)行修飾或改造，通過(guò)增強(qiáng)材料表面的靜電響應(yīng)能力和保持顆粒物的能力，增大纖維與顆粒物之間的作用力，在不明顯增加阻力的情況下顯著提高過(guò)濾效率，從而解決通風(fēng)過(guò)濾的應(yīng)用需求。

  本研究發(fā)展了一種靜電增強(qiáng)顆粒物過(guò)濾裝置（EAA，如上圖），通過(guò)電暈放電預(yù)荷電顆粒物，并通過(guò)平行電極極化粗效纖維過(guò)濾材料，增加顆粒物和纖維之間的靜電作用力，實(shí)現(xiàn)顆粒物的高效率、低阻力、大容塵量去除。其中，通過(guò)在PET粗效過(guò)濾纖維上原位負(fù)載聚多巴胺（PDA），調(diào)控過(guò)濾纖維表面的電學(xué)特性和微結(jié)構(gòu)，使得過(guò)濾纖維對(duì)極化電場(chǎng)具有更強(qiáng)的靜電響應(yīng)能力和顆粒物保持能力，可以從空氣中選擇性地捕獲和鎖定荷電顆粒物，而不增加對(duì)氣體分子流動(dòng)的阻礙，實(shí)現(xiàn)在不明顯增加阻力的情況下顯著提高過(guò)濾效率。

  靜電增強(qiáng)粗效PET纖維過(guò)濾（EAA PET），靜電增強(qiáng)負(fù)載PDA后的粗效PET纖維過(guò)濾（EAA PDA@PET），和市售暖通空調(diào)用過(guò)濾器的過(guò)濾效率和阻力對(duì)比：

  EAA PDA@PET過(guò)濾器可以對(duì)0.3 μm顆粒物實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.48%的過(guò)濾效率，并且在迎面風(fēng)速為0.4 m/s時(shí)空氣阻力低至9.5 Pa。與不負(fù)載PDA的普通市售PET過(guò)濾材料對(duì)比，過(guò)濾效率顯著提升的同時(shí)，阻力無(wú)明顯變化。

  負(fù)載PDA前后對(duì)各粒徑段的顆粒物過(guò)濾效率對(duì)比：

  負(fù)載PDA前后在不同迎面風(fēng)速下對(duì)0.3 μm顆粒物的過(guò)濾效率對(duì)比：

  負(fù)載PDA前后在不同迎面風(fēng)速下的阻力對(duì)比：

  負(fù)載PDA前后的PET粗效過(guò)濾材料形貌對(duì)比：

  該EAA PDA-140@PET過(guò)濾裝置在長(zhǎng)達(dá)30天，每天運(yùn)行8小時(shí)的長(zhǎng)期工況中表現(xiàn)出穩(wěn)定的高過(guò)濾效率（如下圖，對(duì)0.3、0.5和1 μm顆粒物的平均過(guò)濾效率分別為 98.63%、99.04% 和 99.83%）。

  PDA-200@PET在30天內(nèi)集塵量達(dá)到173.9 g/m²（如下圖），與過(guò)濾材料自重 (187.9 g/m2)相當(dāng)，從而可以有效解決通風(fēng)過(guò)濾的實(shí)際應(yīng)用需求。

要點(diǎn)小結(jié)

  1） 本研究通過(guò)原位多巴胺聚合工藝將聚多巴胺（PDA）負(fù)載在粗效PET纖維上，通過(guò)與雙荷電靜電增強(qiáng)過(guò)濾裝置（EAA）結(jié)合，與市售暖通空調(diào)用過(guò)濾器相比，實(shí)現(xiàn)了高過(guò)濾效率和低阻力的優(yōu)異性能：對(duì)0.3 μm顆粒物實(shí)現(xiàn)高達(dá)99.48%的過(guò)濾效率，并且在迎面風(fēng)速為0.4 m/s時(shí)空氣阻力低至9.5 Pa。由于其具備低阻、高效特性，可直接加裝應(yīng)用于送風(fēng)口或通風(fēng)管道，而無(wú)需增設(shè)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)。

  2） 該技術(shù)易于實(shí)施且具備環(huán)境可持續(xù)性。本研究中的原材料是市售的低成本粗效過(guò)濾器，且負(fù)載物PDA是一種環(huán)保型可生物降解的粘合劑。PDA@PET過(guò)濾材料的制造過(guò)程簡(jiǎn)便，不使用和產(chǎn)生污染環(huán)境的物質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)。

  3） 該技術(shù)可以有效解決通風(fēng)過(guò)濾的實(shí)際應(yīng)用需求。在迎面風(fēng)速達(dá)到2m/s時(shí)，相比未負(fù)載的PET粗效過(guò)濾，PDA@PET對(duì)0.3 μm顆粒物的過(guò)濾效率從75.24%提升至90.72%，且不增加阻力。該技術(shù)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中效率高且穩(wěn)定，在30天內(nèi)對(duì)0.3、0.5和1 μm顆粒物的平均過(guò)濾效率分別保持在98.63%、99.04%和99.83%，總集塵量達(dá)到173.9 g/m²，與過(guò)濾材料自重相當(dāng)。實(shí)現(xiàn)了在大風(fēng)速下，長(zhǎng)期穩(wěn)定、高效、大容塵量去除顆粒物。

  4） 本研究詳細(xì)刻畫(huà)了EAA裝置的設(shè)計(jì)原則和過(guò)濾材料選擇標(biāo)準(zhǔn)：依據(jù)單極子捕獲距離RMC將EAA粗效過(guò)濾的機(jī)制分為三個(gè)階段。其中R_MC取決于顆粒物荷電量q_p、極化電壓U₂、和纖維材料的介電/熱電/異質(zhì)性等，較大的R_MC意味著顆粒能夠經(jīng)過(guò)較大的孔徑（以較低的空氣阻力）被纖維捕獲。當(dāng)顆粒到達(dá)纖維表面后，具備抗靜電性能、強(qiáng)附著力和粗糙表面的過(guò)濾纖維將顆粒物牢固粘附，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定高效率和大容塵量過(guò)濾顆粒物。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Small（2021, 2102051）上，并被選為封底內(nèi)頁(yè)文章（Inside back cover）。論文的第一作者為是清華大學(xué)-麻省理工學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生田恩澤，通訊作者為麻省理工學(xué)院的李巨教授、徐桂銀博士，以及清華大學(xué)的莫金漢副教授。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202102051

  課題組鏈接：JMO Lab @ THU (jmo-lab.net)