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四川大學何玲和陶國宏教授團隊《Chem. Eng. J.》:自電荷攜帶的空氣過濾器避免傳統口罩的電荷消散
2022-07-08  來源:高分子科技

  空氣污染已經嚴重威脅著現代人類的生活和健康,尤其是大氣顆粒物是目前空氣污染中最嚴重的問題之一。據《2019年全球疾病負擔研究》專題顯示,大氣顆粒物已經是中國排名第四的居民死亡危險因素。針對這一風險,最有效便捷的個人防護措施是佩戴口罩以減少顆粒物的入侵。然而,市面上的口罩大部分是通過在熔噴布的生產過程中引入靜電駐極工藝,使其表層沉積大量載流子,從而通過靜電吸引作用實現優異的過濾性能。如此口罩在流通和使用過程中,其表面靜電會因為流失而發生衰減,特別是在高濕度環境下這種衰減會更加顯著。這也是口罩需要及時更換的主要原因。



  鑒于此,四川大學何玲陶國宏教授研究團隊利用姜黃素離子液體和二醛的酚醛縮合反應,通過原位聚合在三聚氰胺泡沫的多孔骨架表面形成一層聚離子液體涂層。該離子涂層由于自身具有豐富的離子電荷和較強的極化場,成功實現了對大氣顆粒物(PM)的高效捕獲,甚至對納米尺度的流感病毒也表現出一定的吸附性能。相關成果以標題為“Self-charge-carrying air filter by in situ polymerization to avoid charge dissipation and potential material poisoning”發表在《Chem. Eng. J.》上(DOI: 10.1016/j.cej.2022.137788)


  下圖1是復合材料(PCILG@MF)的制備示意圖,即姜黃素離子液體和乙二醛在水溶劑中發生聚合,并原位包裹到泡沫骨架表面,這里姜黃素離子液體可以作為催化劑自催化該聚合反應。選擇姜黃素離子液體作為單體除了因為其良好的生物相容性和抗菌活性之外,還因為它整個分子是π-π共軛的,這使得其分子骨架可以作為電子的傳輸途徑,同時姜黃素還具有很強的金屬螯合能力,可以吸附空氣中危險的重金屬顆粒物。圖中得到的PCILG@MF材料微觀表面呈現出一定的粗糙特性,這對于提高空氣過濾器對顆粒物的接觸比表面積和吸附位點十分有利。對水的接觸角測試顯示該材料具有大于90°的接觸角,呈現出良好的抗濕能力,可以避免材料的活性吸附物質因潮解而發生脫落和損失。在模擬人類的使用行為下,與商用的碳基過濾器相比,PCILG@MF具有明顯更少的粉體脫落,降低了對肺部潛在傷害的擔憂。 


1. PCILG@MF空氣過濾器的制備示意圖以及表面微觀形貌圖


 2. PCILG@MF空氣過濾器與商用碳基過濾器的脫落對比


  在設計的顆粒物過濾實驗中,PCILG@MF過濾器對PM2.5表現出98.83%的去除效率、對PM10表現出99.41%的去除效率。并且在吸附30小時后,去除效率仍然能保持在97%以上,而在相同濕度條件下,商用口罩在12小時的過濾后效率僅為51.94%,表現出嚴重的下降趨勢。通過電感耦合等離子體發射光譜測試顯示,PCILG@MF相較于商用過濾器而言,能去除更多包含重金屬離子的顆粒污染物。考慮到在施加一定電壓后,強極化場可能對病毒的捕獲,他們進行了病毒過濾實驗。首先將病毒溶液通過霧化器進行霧化以模擬形成病毒氣溶膠,然后進行材料捕獲,并隨后執行病毒核酸聚合酶鏈反應測定。結果顯示,PCILG@MF的靶基因循環閾(Ct)值可以達到30.28,其過濾效率高于商用的無紡布、熔噴布、棉布、碳纖維過濾器(Ct值分別為34.8734.5135.3235.74)。可見PCILG@MF材料在作為空氣過濾器方面具有巨大的應用潛力。 


3. PCILG@MF空氣過濾器的過濾性能測試


  該工作是團隊近期關于離子液體材料用于環境處理相關研究的最新進展之一。該團隊前期一直致力于研發離子液體基的復合材料用于空氣中顆粒物的高效去除,旨在利用離子液體自身的陰陽離子電荷對顆粒物的靜電吸引作用,幫助解決商業口罩電荷嚴重流失的問題(Nat. Commun. 2020, 11, 1653; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 4619-4625; Adv. Sustainable Syst. 2020, 4, 2000046; Adv. Mater. Interfaces 2017, 5, 1700448等)。此外,利用離子液體“綠色”的特點和獨特的性能,實現各種環境污染物的靈敏檢測和處理(ACS Materials Lett. 2022, 4, 136-144; J. Hazard. Mater. 2022, 425, 127981; J. Hazard. Mater. 2022, 430, 128490; Small, 2020, 16, 2000930; Anal. Chem. 2019, 91, 6593-6599; Chem. Commun., 2019, 55, 13661-13664)。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722032752

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(責任編輯:xu)
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