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青島大學寧新教授團隊:具有優異耐高溫耐化學腐蝕性的高效PM2.5復合納米纖維過濾膜
2019-11-11  來源:高分子科技

  隨著工業的快速發展,鋼鐵、發電廠、化學工業和車輛等排放的空氣污染物已經嚴重影響到了人體健康。然而,實現高溫污染源頭的高效除塵過濾是非常困難的。這主要歸因于廢氣的溫度高達300℃,并且通常包含腐蝕性氣體。因此,過濾材料既要承受高溫又要經受化學腐蝕,而傳統的基于非織造纖維的過濾材料(例如玻璃纖維,熔噴纖維和紡粘纖維)在捕獲細小顆粒物(特別是空氣動力學直徑小于2.5μm(PM 2.5)的易通過呼吸道進入人體的有害物質)方面性能差強人意,伴隨著巨大的壓降阻力,且熱穩定性及化學穩定性能不佳。

  針對在特定高溫污染物源頭廢氣排放污染問題,寧新教授團隊基于國產芳砜綸(聚砜酰胺,polysulfonamide)設計了一種新型的聚砜酰胺/聚丙烯腈-勃母石(PSA/PAN-B)復合納米纖維過濾膜。在這項研究中,通過添加少量PAN作為輔助聚合物提高了PSA的可紡性能。此外,通過引入勃姆石駐極體構建纖維表面粗糙度以及提高纖維濾材的電荷存儲能力。

圖一:PSA/PAN-xB納米纖維膜(a)在2m/s風速下的過濾效率和壓降,(b)表面歸一化電勢衰減;(c)PSA/PAN-0.5B納米纖維模型;不同克重PSA/PAN-0.5B納米纖維膜在2m/s風速下的(d)過濾效率和壓降以及(e)質量因數;(f)1g/m2的PSA/PAN-0.5B納米纖維膜在不同風速下的過濾效率和壓降;以上過濾效率評價顆粒粒徑為0.3μm。

  通過數據分析和3D模擬,優化了制備工藝參數,所制備得到的PSA/PAN-0.5B復合納米纖維基過濾膜表現出高過濾性效率(高達99.52±0.32%),低壓降(45.16±1.39Pa),優異的柔韌性以及良好的機械性能。特別地,得益于聚砜酰胺固有的分子結構,在高溫,酸或堿處理后,污染顆粒物的去除效率仍保持不變。此外,結合過濾機理和實驗數據分析,提出了油性軟污染物顆粒的捕獲模型。該研究進一步拓寬了國產芳碩綸的應用范圍,并為耐高溫耐化學腐蝕性能過濾器的設計提供了新的思路。

圖二:1g/m2的PSA/PAN-0.5B納米纖維膜在高溫(a)(b),酸(c)(d)和堿(e)(f)處理1h后的過濾性能和SEM圖片,以上過濾效率評價測試風速為2m/s,圖(a)中評價顆粒粒徑為0.3μm。

圖三:(a)PM2.5顆粒物攔截及過濾機理示意圖;PSA/PAN-0.5B納米纖維膜在燃燒檀香木過濾前(b),后(c)的光學照片;(d-f)PSA/PAN-0.5B納米纖維膜隨時間對油性軟PM2.5顆粒污染物的捕獲細節SEM圖片和(g-i)對應的捕獲模型示意圖。

  以上成果以《Electrospun Polymer Composite Membrane with Superior Thermal Stability and Excellent Chemical Resistance for High-Efficiency PM2.5 Capture》為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。論文第一作者為青島大學紡織服裝學院碩士研究生楊雪,通訊作者為袁丁博士,通訊單位為青島大學。非織造材料與產業用紡織品創新研究院是青島大學校直屬科研機構,由國家“千人計劃”寧新教授領銜組建,依托紡織科學與工程一級學科博士點和材料科學與工程一級學科博士點,研究院關注非織造產業領域技術和產品創新,現設有特型非織造裝備和工藝的工程研究、智能紡織品中功能纖維研究、纖維表面改性與非織造材料的功能后整理研究、非織造結構及纖維隔膜在環境、新能源方面的研究四個研究方向。目前,研究院已形成國家“千人計劃”、山東省泰山學者為領銜的跨學科、專業結構和年齡結構合理、產學研一體化、分工合理、高效率、團結奮進的研究團隊。更多內容請登陸網址:https://irintt.qdu.edu.cn

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b15219

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(責任編輯:xu)
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