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厦门大学Nature:空气净化效率99.6%!经久耐用,可扩展其功能!

作者:yebuyugz9B    发布时间:2024-04-29 10:07:52    浏览量:

在空气污染物中,PM10PM2.5和超细颗粒物等可吸入颗粒物的体积很小,可以深入人体支气管和肺部。对人类健康的不利影响,这促使净化系统的发展,过滤空气中的颗粒物。要直接有效地去除这些细颗粒,需要使用由多层纤维或多孔材料组成的过滤单元,经过表面处理,被动地阻止固体颗粒的运动,或主动将污染物捕获到过滤器表面。然而,这些过滤单元由于颗粒在其表面和内部孔隙上的积聚而受到污垢问题的困扰,滤器单元不可避免地必须在某些时候更换,需要维护,涉及成本并产生固体废物。为此,来自厦门大学侯旭团队开发了离子掺杂的共轭聚合物涂层基质与选定的功能液体渗透,能够实现高效、连续和免维护的空气净化。当要净化的空气以气泡的形式通过系统时,功能流体提供了过滤和从空气中去除颗粒物和污染物分子的界面。理论模拟和实验结果表明,该系统具有很高的效率和稳健性:一次空气净化效率可达99.6%,除尘能力可达950 g m−2。该系统经久耐用,耐污染、耐腐蚀,滤液可重复使用和调节,也能去除细菌或气味。作者预计此净化方法将有助于专业空气净化器的开发,这些净化器可能在医院、工厂和矿山等环境中被证明是有用的。相关论文“Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption”于2022年9月26日发表于杂志Nature

厦门大学Nature:空气净化效率99.6%!经久耐用,可扩展其功能!

水界面能够在接触后捕获固体颗粒,颗粒从水环境到气泡界面的粘附性被广泛研究,用于多相反应和浮选工艺等应用。然而,相反的效应即颗粒从气泡内部到水界面的运动,很少被考虑。它构成了他们空气净化策略的基础(图1a),因为空气以气泡的形式通过离子掺杂的共轭聚合物涂层基质渗入选定的功能液体(电化学液基系统(ELBS))。

1.ELBS原理

为了利用水界面对污染空气中颗粒物的吸收,作者创造了ELBS,它可以方便地控制微泡的产生。该系统的净化过程分为过滤和吸收两个步骤在过滤过程中,一旦被污染的空气进入系统,基质中充满液体的气孔就会充当粗过滤器,执行过滤过程并分离大颗粒,而气孔中的液体衬里则防止颗粒在基质表面积累(图1b)。在这一阶段,孔径较小的多孔基质将导致较高的净化效率和较低的空气流量。在吸收过程中,通过多孔基质的空气中的小颗粒被困在微泡中,由于惯性而继续移动,最终接触气液界面(图1c)。颗粒上的力FC促进了对水界面的捕获,甚至将其拖入功能液体中,功能液体通常是水溶液。通过有效地将污染物从空气转移到水溶液中,实现了空气净化。通过改变影响气-液-固界面处相互作用的基质的润湿性,进一步增强了充满液体的孔的抗压性能。同时,在净化过程中,可以使用正(氧化)或负(还原)电位的脉冲来调节润湿性。

ELBS还可以通过调节产生的气泡的大小,提供一系列的净化效率,以适应不同的操作环境可以使用两种方法来控制气泡的大小:调节基质的孔径(图1b)或调节基质的润湿性(图1c)。气泡越小,比表面积越大,导致气液界面的传质速率越高。因此,减小气泡的大小可以提高空气净化的颗粒分离效率,但会影响通过系统的空气流量。在实际应用过程中,可以在净化效率、空气流量和气泡直径之间进行权衡(图1d)。

厦门大学Nature:空气净化效率99.6%!经久耐用,可扩展其功能!(图2)

图1 ELBS的原理和空气净化性能


2.ELBS的制备和过滤过程

ELBS由多孔基质功能液体组成。采用界面聚合法制备了基质,即在不锈钢网(SSM)上沉积十二烷基苯磺酸盐(DBS−)掺杂聚吡咯(PPy)。利用聚合时间和氧化还原电位分别控制基质的孔径和表面性能(图2a)。然后,作者选择LiCIO4溶液作为功能液,根据施加的氧化还原电位,通过Li+离子掺杂(还原过程,亲水)和去掺杂(氧化过程,疏水),可控制可逆地改变基体的界面润湿性(图2b)。基质与功能液的亲和性在ELBS过滤过程中起着显著的作用,因为在过滤过程中,液衬基质可以带来良好的防污性能。为了进一步研究这种亲和性,计算了表面能和附着力功(图2c)。结果表明,通过调节功能液对基体的亲和度,在稳态和非稳态之间可逆切换液衬基质,可以防止颗粒积累(图2d)。

厦门大学Nature:空气净化效率99.6%!经久耐用,可扩展其功能!(图3)

图2 ELBS的制备及过滤工艺


3.吸收过程星空APP

如图3a所示,ELBS的吸收过程分为气泡形成、气泡上升和颗粒捕获三个步骤

气泡形成步骤中,通过改变基质孔径和ELBS的氧化还原状态来控制生成的微气泡的大小(图3b)。微泡的平均孔径约为9.7 μm,当基质从氧化态转变为还原态时,微泡的直径从约618 μm减小到约350 μm。由于更有效的气液界面传质行为,较小的气泡尺寸提供了更高的颗粒吸收效率(图3c)。因此,根据应用需求确定微气泡的可控尺寸范围。本文中,从几何关系可以计算出气泡直径Dmin的下限为Dmin=L+2R(1-cosθ),其中气泡的中心必须高于其接触线的中心(图3b)。L是DPM的孔径,R是DPM纤维的半径。最大气泡直径Dmax由气泡的力平衡计算得到,其表达式为Dmax=(6 γ/ ρl g L1,max sinψmax-θ)1/3。在这个表达式中,ψmax是获得最大表面张力所需的结构角,γ是功能液体的表面张力,ρl是功能液体的密度,g是重力常数,L1,max=L+2R(1-sinψmax)是相应的气泡接触线的直径。因此,气泡直径(Dexpt)值的可控范围在DmaxDmin之间,可以通过改变基质的孔径和ELBS的氧化还原状态来调节。

气泡上升步骤中,颗粒被气液界面捕获的关键是在气泡破裂前能够接触到气液界面(图3d)。经过理论计算,大多数粒子的停止距离大于气泡直径,这说明在气泡破裂之前,颗粒有足够的时间移动到气液界面(图3d)。

颗粒捕获步骤中,如果颗粒接触气液界面,无论它们是疏水还是亲水颗粒,都可以被功能液体捕获,无法逃逸到气体中。在实验中,当亲水颗粒接触气液界面时,颗粒迅速附着在界面上,进入功能液体(溶液A,LiCIO4)(图3e)。疏水颗粒迅速被界面捕获,但无法进入液体。当溶液A通过添加DBS钠(SDBS)形成溶液B时,亲水和疏水颗粒都能迅速进入液体中(图3e)。颗粒是否进入液体则取决于功能液体与粒子之间的润湿性。为了进一步证明颗粒捕获过程,作者从能量和力的角度对颗粒捕获过程进行了理论分析。一旦颗粒接触气液界面,一方面,根据粒子的表面自由能变化(ΔG),当接触角(CA)小于180°时,粒子与气液界面的粘附会自发发生,即由于其CA小于180°,大部分颗粒会被液体捕获;另一方面,作用在颗粒上的合力决定了粒子的运动方向,而这个力取决于粒子的润湿性,CA大于90°时,颗粒大部分体积在气体侧,如果CA小于90°,颗粒倾向于移动到液体中(图3e)。此外,作者解释了颗粒从界面分离到气体中所需要的能量为W =γ0 Rp2 π(1+cosθ)2,其中γ0为界面张力,Rp为颗粒半径。如图3f所示,当CA小于180°时,滑脱能显著增加。例如,如果颗粒的半径为1 μm, CA为150°,分离能约为1×106 KB T,表明即使是超疏水颗粒也会被强烈吸附在界面中。因此,ELBS可以捕获疏水和亲水颗粒,表现出理想的净化效率。

进一步研究了ELBS的空气净化性能(图3g)。功能液经离心、催化分解等处理后可重复使用可以调整氧化还原状态,以获得所需的空气净化效率所需的空气流量。考虑气泡形成(过滤过程)和气泡上升(吸收过程)来确定最终的净化效率(图3h)。从定量的角度,假设单位时间内穿过单位面积的颗粒物(PM)的吸收率Γt与微泡内颗粒浓度ct成正比,即Γt = k ct,其中k为总吸收系数。单个气泡的效率η可表示为:

η=1-(1-∆W1/W0 )exp(-41.59·(μl2/3/(g5/6 ρl) )·k ·(h/D5/2)) (1),其中∆W1为气泡形成阶段PM的减少量,W0为污染空气中PM的初始量,μl为功能液的粘度,D为微泡直径,h为功能液的厚度。作者获得在气泡形成阶段的理论效率为∆W1/W0(76.0%)和k(2.3×10−4 m s−1)的拟合方程(1)实验结果(图3 h)。然后,效率η可以简化为:η= 1−0.24 exp(−1.43×10−4 ·h/D5/2) ,这表明,对于确定的ELBS,空气净化效率只与气泡直径和功能液厚度有关。气泡越小,功能液越浓,空气总净化效率越高,这是由于气泡上升阶段的相间传质速率大,传质上升时间长所致。因此,可以通过调节ELBS的氧化还原状态和调节功能液的厚度来提高最终的净化效率

厦门大学Nature:空气净化效率99.6%!经久耐用,可扩展其功能!(图4)

图3 ELBS的微泡产生和颗粒吸收过程


4.应用

厦门大学Nature:空气净化效率99.6%!经久耐用,可扩展其功能!

商用过滤器广泛应用于空气净化设备中,但会面临污垢、堵塞、频繁更换过滤器等问题。ELBS可连续、可编程和自动化净化,不受腐蚀或堵塞的影响,这对包括健康保护、烟气处理和除尘在内的应用具有吸引力(图4b)。

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由于功能液体可以调整,ELBS可以调整到特定净化需求所需的性能特征,如抗菌能力(图4c)或去除气味和有害空气污染物(图4d)。使用甲醛测试表明,ELBS具有良好的去除性能,气味和其他气相污染物的去除需要功能液体与特定的污染物分子相匹配,需要探索开发更普遍、更广泛应用的功能流体。

ELBS不仅可以去除腐蚀性烟气,而且具有良好的耐腐蚀性(图4e)。材料表面形貌的表征表明,裸露SSM的表面被严重腐蚀,而ELBS的DPM表面几乎没有变化,表明ELBS的防腐性能(图4e)。腐蚀电位Ecorr和腐蚀电流密度Jcorr进一步证明了良好的防腐性能(图4e,下)。

ELBS的一个特别有前途的应用场景是在严重污染环境中的仪器维护,例如在矿山和工厂等危险环境中维护监控摄像机,这是一项重要的预防措施。在上述工作条件下,相机镜头在高度污染的环境中很容易受到颗粒的污染。ELBS解决了这一问题,并实现了持续净化,以确保安全监测(图4f)。

由于ELBS具有固有的防堵塞性能,能够以低成本提供长期稳定的性能。液体基材料策略将减少固体过滤材料的消耗,并提高永久应用的可能性,而不需要更换过滤器。如图4g所示,ELBS的多孔基质可以通过反冲洗很容易地清洗干净。与商用过滤器相比,在危险环境下运行超过100小时后,ELBS表现出更好的防堵塞性能,在施加颗粒污染没有明显增加的情况下保持98.2%的净化效率(图4h)

ELBS的另两个重要特点是耐用性和除尘能力,ELBS的除尘效率高达99.6%,因为它的除尘能力高达950g m−2,是其他净化系统的5至10倍。

厦门大学Nature:空气净化效率99.6%!经久耐用,可扩展其功能!(图7)

图4 ELBS的应用和性能

综上,ELBS在连续空气净化方面具有很好的应用前景,包括两个步骤:直接截留和去除污染空气中较大的颗粒物即通过带液体衬里的多孔基质,以及通过微泡界面的功能性液体捕获较小的颗粒物。液体作为ELBS中的结构和功能材料,可重复使用以实现长期稳定性,并可设计为具有抗菌或有害气体去除性能来扩展其功能通过电化学调节生成微泡的大小和控制功能液体的厚度,可以合理地调节净化效率。理论模拟和实验验证相结合,揭示了水相界面可控微泡产生和颗粒捕获的机理。作者预计,将他们的系统与基于人工智能的智能微流控和液体浇注技术相结合,可以实现对ELBS功能液体的快速调节,以满足不断变化和具有挑战性的环境中的空气净化需求。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-022-05124-y

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