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四川大学何玲和陶国宏教授团队《Chem. Eng. J.》:自电荷携带的空气过滤器避免传统口罩的电荷消散

老酒高分子 高分子科技 2022-11-19
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空气污染已经严重威胁着现代人类的生活和健康,尤其是大气颗粒物是目前空气污染中最严重的问题之一。据《2019年全球疾病负担研究》专题显示,大气颗粒物已经是中国排名第四的居民死亡危险因素。针对这一风险,最有效便捷的个人防护措施是佩戴口罩以减少颗粒物的入侵。然而,市面上的口罩大部分是通过在熔喷布的生产过程中引入静电驻极工艺,使其表层沉积大量载流子,从而通过静电吸引作用实现优异的过滤性能。如此口罩在流通和使用过程中,其表面静电会因为流失而发生衰减,特别是在高湿度环境下这种衰减会更加显著。这也是口罩需要及时更换的主要原因。



鉴于此,四川大学何玲陶国宏教授研究团队利用姜黄素离子液体和二醛的酚醛缩合反应,通过原位聚合在三聚氰胺泡沫的多孔骨架表面形成一层聚离子液体涂层。该离子涂层由于自身具有丰富的离子电荷和较强的极化场,成功实现了对大气颗粒物(PM)的高效捕获,甚至对纳米尺度的流感病毒也表现出一定的吸附性能。相关成果以标题为“Self-charge-carrying air filter by in situ polymerization to avoid charge dissipation and potential material poisoning”发表在《Chem. Eng. J.》上(DOI: 10.1016/j.cej.2022.137788)。

下图1是复合材料(PCILG@MF)的制备示意图,即姜黄素离子液体和乙二醛在水溶剂中发生聚合,并原位包裹到泡沫骨架表面,这里姜黄素离子液体可以作为催化剂自催化该聚合反应。选择姜黄素离子液体作为单体除了因为其良好的生物相容性和抗菌活性之外,还因为它整个分子是π-π共轭的,这使得其分子骨架可以作为电子的传输途径,同时姜黄素还具有很强的金属螯合能力,可以吸附空气中危险的重金属颗粒物。图中得到的PCILG@MF材料微观表面呈现出一定的粗糙特性,这对于提高空气过滤器对颗粒物的接触比表面积和吸附位点十分有利。对水的接触角测试显示该材料具有大于90°的接触角,呈现出良好的抗湿能力,可以避免材料的活性吸附物质因潮解而发生脱落和损失。在模拟人类的使用行为下,与商用的碳基过滤器相比,PCILG@MF具有明显更少的粉体脱落,降低了对肺部潜在伤害的担忧。

 

图1. PCILG@MF空气过滤器的制备示意图以及表面微观形貌图


 

图2. PCILG@MF空气过滤器与商用碳基过滤器的脱落对比


在设计的颗粒物过滤实验中,PCILG@MF过滤器对PM2.5表现出98.83%的去除效率、对PM10表现出99.41%的去除效率。并且在吸附30小时后,去除效率仍然能保持在97%以上,而在相同湿度条件下,商用口罩在12小时的过滤后效率仅为51.94%,表现出严重的下降趋势。通过电感耦合等离子体发射光谱测试显示,PCILG@MF相较于商用过滤器而言,能去除更多包含重金属离子的颗粒污染物。考虑到在施加一定电压后,强极化场可能对病毒的捕获,他们进行了病毒过滤实验。首先将病毒溶液通过雾化器进行雾化以模拟形成病毒气溶胶,然后进行材料捕获,并随后执行病毒核酸聚合酶链反应测定。结果显示,PCILG@MF的靶基因循环阈(Ct)值可以达到30.28,其过滤效率高于商用的无纺布、熔喷布、棉布、碳纤维过滤器(Ct值分别为34.87、34.51、35.32和35.74)。可见PCILG@MF材料在作为空气过滤器方面具有巨大的应用潜力。

 

图3. PCILG@MF空气过滤器的过滤性能测试


该工作是团队近期关于离子液体材料用于环境处理相关研究的最新进展之一。该团队前期一直致力于研发离子液体基的复合材料用于空气中颗粒物的高效去除,旨在利用离子液体自身的阴阳离子电荷对颗粒物的静电吸引作用,帮助解决商业口罩电荷严重流失的问题(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,利用离子液体“绿色”的特点和独特的性能,实现各种环境污染物的灵敏检测和处理(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)。


原文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722032752


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