曼彻斯特大学李加深团队《ACS AMI》：变废为宝-回收可乐瓶制备的多层级多孔纳米纤维膜高效捕获PM2.5及模拟病毒
以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）为原料的废弃饮料瓶是常见的生活垃圾。控制类似的塑料污染，是我国实现“碳达峰”和“碳中和”过程中值得考虑的问题之一。新冠疫情持续在全球传播导致的个人防护用具和企业过滤设备和器材需求维持增加。聚合物的原材料供应和回收成为了近期亟待解决的课题。利用回收的塑料瓶制备纳米纤维膜，开发空气过滤产品可以兼顾以上两方面的问题。
在空气污染物过滤设备中使用静电纺丝工艺制备的纳米纤维膜已是学术界和产业界的共识。高比表面积的多孔纤维膜一般被认为有比较高的过滤效率。通过对静电纺丝得到的原生纤维进行溶液浸泡后处理可以改变纤维的表面形貌，使原来光滑的纤维表面产生纳米级多孔结构，从而达到增加其表面积的目的。
图1 不同溶剂处理30分钟的回收PET纤维的SEM图像。(a)无水乙醇；(b)丙酮；(c) 1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)/乙醇(1:1 wt %)；(d) NMP/乙醇(1:1 wt %)，乙醇冲洗；(e) NMP/乙醇(3:5 wt %)；和(f) NMP/乙醇(1:3 wt %)。
后处理溶剂选择是成功制备静电纺丝表面多孔或高粗糙度纤维的关键点之一。因此，可以诱导PET发生重结晶，进而改变形貌的溶剂都被选择用来处理PET纳米纤维膜，并将处理前后的样品实施形貌和其他表征。
图2 空气过滤试验示意图。
病毒，包括近年引起大流行的COVID-19 冠状病毒，本质上是一种蛋白类大分子，其尺寸一般为亚微米级。已有广泛的研究证实，含有SARS-COV-2病毒的人体体液是传播COVID-19的主要途径。考虑到操作病毒的危险性，本实验使用生物实验室常用的荧光蛋白模拟病毒，对PET膜进行含病毒水雾的过滤性能测试。可以发现经过NMP处理后的PET纤维膜可以更高效的拦截荧光蛋白。因此可以肯定的是，经过后处理的高粗糙度的纤维膜的过滤效果要优于原生光滑纤维。这归功于其粗糙的纤维表面对外来颗粒有更多的拦截和捕获机会。本工作开发的PET可以适用于工业废气和病毒等多种污染物的有效过滤，尤其适合在工业和家用高空气通量过滤设备上应用。
图3 荧光蛋白模拟病毒的荧光显微镜图像，蛋白被捕获在膜过滤器表面或留在接受的培养皿上。
该研究成果近日以“Hierarchical Porous Recycled PET Nanofibers for High-Efficiency Aerosols and Virus Capturing”为题发表于ACS Applied Materials & Interfaces (2021, DOI: 10.1021/acsami.1c17157)。论文的第一作者为曼彻斯特大学材料学院博士生宋鋆，通讯作者为李加深博士。该研究工作得到了英国工程与自然科学研究理事会(EPSRC)的支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c17157
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