静电纺丝技术在乡村雾霾下关于人身防护的机理研究

2017-07-21韩维华李宁

绿色科技 2017年12期

韩维华++李宁

摘要：指出了在乡村环境污染日益严重的情况下，乡村大气污染越来越受到重视。特别是雾霾天气在乡村的频繁发生，直接严重影响到了乡村居民的生活质量。在此，针对乡村雾霾，结合静电纺丝技术，利用纳米纤维的过滤、吸附作用，研究出了一套人身防护对策，以实现对人的直接保护和间接保护。结果表明：利用纳米纤维的特性可实现对PM2.5细颗粒物的有效阻隔，净化乡村空气，建设美丽宜居乡村。

关键词：大气污染；乡村雾霾；静电纺丝；纳米纤维

中图分类号：X513

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）12022704

1引言

雾霾是雾和霾的混合物，雾是凝结空气中的小水滴或冰晶而形成的，是由水汽形成团簇构成的自然现象。霾是空气中的灰尘、酸性物质等颗粒物组成的气溶胶系统，是以牺牲环境为代价推动工业化进程造成的大气污染物。近年来，雾霾往往作为一个整体名词出现在大众视野中。特别在2012年末、2013年初，我国大部分地区，如华北地区各省市，华南北部部分地区经历了持续大范围的雾霾天气。因此雾霾引起了广泛关注，并越来越受到重视。

就我国现在的工业化发展状况而言，雾霾已不再是城市地区的专属。城市与乡村的界限已不如以往那么明晰。换言之，乡村在我国工业化进程中所起的作用亦越来越明显。这虽然肯定了乡村对我国经济发展所起的重要作用，但是也因此给乡村环境带来了很多负面影响，乡村雾霾就是最受瞩目的事件之一。

在建设美丽宜居乡村之时，改善乡村大气环境，防治雾霾刻不容缓。通过调研分析可知乡村雾霾的主要来源有以下几个方面。

（1）周边工厂排放的粉尘和废气等物质。石油化工类工厂和电力、钢铁建材等行业在生产过程中将会大量燃烧化石燃料和产生大量烟气粉尘及光化学烟雾，向空中排放大量的粉尘和废气。如果这些工厂位于乡村附近则污染物会随风扩散弥漫在乡村上空，成为乡村雾霾的重要来源。

（2）机动车辆尾气排放。随着乡村经济的发展，农用机动三轮、四轮车，家用小型轿车的使用已非常广泛。随之带来的问题就是汽车尾气的排放对环境造成的污染。尾气的主要成分一氧化碳、氮氧化物及其他固体颗粒等排放到空气中，成为雾霾的另一重要组成。同时，汽车行驶过程中在路面带起的浮土扬尘也会加剧乡村雾霾的发生。

（3）季节性秸秆焚烧。虽然对秸秆焚烧的巡查已纳入乡镇街道机关工作日常，但是仍有部分农村地区存在焚烧秸秆的现象。除去安全隐患外，焚烧秸秆时产生的大量污染物随火焰更易进入高空。特别是焚烧秸秆比较集中的时候，环境检测显示，乡村空气质量状况明显下降。

（4）冬季燃煤取暖。乡村由于居住环境的限制，很难实现统一供暖。在冬季虽然有空调取暖，但是以燃煤为主的取暖方式仍是乡村冬季取暖的主流。煤炭燃烧的产物包括二氧化硫、二氧化碳及氮氧化物等气体成分和未能燃烧的细小颗粒固体。这些物质（有些物质有毒）进入到空气中形成雾霾。今后一段时间，特别是燃煤集中的冬季，燃煤排放是造成乡村雾霾的主要原因之一。

（5）其他乡村雾霾成因。自然因素的影响，如火山爆发，风力作用等致使细小颗粒、尘埃进去大气。建筑施工的影响，使得空气中的细微颗粒物增多。

当在上述条件下，又遇空气湿度较大的天气，便会形成雾霾污染。

2雾霾危害

乡村环境应是绿化面积所占比例大，空气质量状况优良的美丽宜居之地。但是雾霾的污染使乡村变得不再宜居。雾霾的危害主要是可入肺微粒物。可入肺微粒物（PM2.5）是指直径小于或等于2.5 μm的细颗粒物。而雾霾中所含有的对人体起危害作用的物质主要是指PM2.5。PM2.5含有大量有毒物质，而且细微粒物粒径小，能随雾霾长时间悬浮于空中，可吸入肺，沉积在呼吸道，甚至可深入到人体的细支气管和肺泡，对人体危害极大。据实验数据显示，細微粒物的粒径越小对人体的危害越大。雾霾对乡村的危害主要有以下几个方面。

2.1引发交通事故

雾霾天气时，能见度低，而乡村经济的发展使得乡村硬化路面增多加宽，机动车辆数量剧增，当人们在能见度低的天气出行时极易发生交通事故，危害乡村人民安全。

2.2增加人类传染病的传播

雾霾天气使得空气中的病毒、病菌更易存活，有害物质更易通过雾霾为媒介进入人体，增加人们传染病的患病率。

2.3影响作物生长

雾霾持续不散，将会影响阳光的照射，从而影响农作物的呼吸和光合作用。长时间雾霾直接影响作物生长，进而影响到乡村人民的生活收入状况。

2.4危害乡村养殖业

雾霾为禽畜致病的病原微生物提供了适宜的生长环境。病原微生物的大量繁殖极易引发大规模的禽畜疫病。

此外，雾霾对乡村人民的影响远不止这些。雾霾天气，空中氧含量低，容易引诱一些病症的发作，危害个别群体的生命健康安全，例如哮喘类疾病患者在雾霾天更易发作。所以必须积极应对乡村雾霾。

3乡村雾霾防治对策

目前，世界各国都采取了积极防治雾霾的对策。防治对策一般来自国家、社会和个人三个层面。国家层面主要包括法律监管，科学评估等。社会层面主要包括绿色生产，达标排放等。而个人层面最为关键，因为个人防护直接关系到个人的身心健康状况。个人最需时刻关注国家气象预警，随时监督举报违法生产经营，还要注意个人养护。在此，提出一种个人防护对策。利用静电纺丝制备的纳米纤维可以实现对雾霾，特别是PM2.5的有效阻隔。

3.1静电纺丝简介

静电纺丝，顾名思义，利用高压静电制备纳米纤维的技术，其最早见于美国Formhals申请的专利。因为装置简单，操作简便，近年来已成为制备一维纳米材料的最佳技术。其基本装置，如图1所示，主要包括三部分：高压直流电源，带金属纺丝喷头的纺丝容器，收集纳米纤维的金属收集极。

纺丝过程：将高分子聚合物溶液盛放在纺丝容器中，金属纺丝喷头接高压直流电源的正极，收集极接电源负极并接地。纺丝过程一般设置纺丝电压为5～30 kV。纺丝距离，即纺丝喷头到收集极之间的垂直距离为8～20 cm。纺丝开始后，高分子聚合物在纺丝喷头尖端会收到电场力，重力和液体表面张力的共同作用。当电场力克服表面张力后，聚合物溶液会形成射流，随电荷增加，射流会进行劈裂拉伸细化，同时伴有溶剂的挥发，最后会在收集极上得到高分子聚合物的纳米纤维，通常以无纺布的形式存在，如图2所示。

韩维华，等：静电纺丝技术在乡村雾霾下关于人身防护的机理研究

材料与工艺

纳米纤维具有其他材料难以比拟的优势，作为一维纳米材料具有大的比表面积和纤维长度/直径比，表现出优于一般材料的力、光、电、磁方面的特性。获得一维纳米纤维的方法很多，例如电弧放电法，气相化学沉积法等等，但是现在应用最为广泛的就是静电纺丝技术。制备的纳米纤维主要应用在生物医学的细胞生长支架，传感器件，过滤装置和复合材料增强体方面，其应用范围涉及到医学、新能源、环保等各个领域。

在此，针对乡村雾霾下人身防护的应用研究主要是利用了纳米纤维的过滤作用。首先，通过静电纺丝技术制得纳米纤维无纺布。其次，利用纤维无纺布高气孔率和本身的尺度优势实现对细微颗粒的阻隔（过滤）。从而使得乡村人民即使在雾霾天气之下也可呼吸到纯净的空气。

实验中，通过静电纺丝技术制得聚偏氟乙烯（PVDF，平均分子量275000，分析纯）纤维，如图2所示，而后对纤维进行直径统计。在实验条件设置纺丝电压20 kV，纺丝距离20 cm的室温条件下，制备的PVDF纤维直径主要分布在250～500 nm之间，且符合正态分布。计算得出纤维平均直径约为400 nm。

3.2雾霾防护原理

乡村雾霾对人体构成伤害最大的就是PM2.5，所以在此重点研究纳米纤维对PM2.5的阻隔原理，如图3所示。2.5 μm的粒子到达纳米纤维形成的防护网络后，便会被有效阻隔。由图2可知，平均直径为400 nm的纤维构织成的单层网络孔间距较大，但是，当多层纤维层层沉积之后，便可成为有效的“防火墙”。

PM2.5到达纤维层之后，会出现两种模式。一是PM2.5颗粒到达纤维层之后镶嵌在网络空隙之中，如图3中（A）所示。此情况下，颗粒会在纤维层沉积。当细微颗粒沉积层达到一定厚度后，纤维层即失去功效，所以，纤维层需要定期更换。二是PM2.5颗粒到达纤维层之后，又通过外力（例如风力，振动等）的作用，离开纤维层，如图3中（B）所示，该过程不影响纤维层对后续到达颗粒的阻隔。此即为纤维层的重复利用提供了一种思路：通过对更换下来的纳米纤维层水洗或振动除尘等实现回收利用，既节省成本，又避免造成废弃物污染。

3.3乡村雾霾防护对策研究

根据雾霾防护原理，研究制定出雾霾下个人防护对策。防护对策可针对人身防护和乡村应用两个方面。人身防护对策是实现对人的直接保护，乡村应用是实现对人的间接保护。所以，纳米纤维无纺布在人身防护方面可分为直接应用和间接应用两方面，具体如下。

3.3.1直接应用

直接应用体现在对人的直接保护上。例如，利用纳米纤维无纺布做防护口罩夹层。其优势体现在防护口罩的核心过滤层的纳米级别尺度，因此这种防护口罩比市场上流通的一般口罩更具防护作用，对一般性尘埃的阻隔更有效。

更进一步，可通过改进技术实现对纳米纤维的有序交叉排列，从而使纤维的阻隔作用更强。前文中已作说明，雾霾对人体伤害的主要来源是PM2.5，而细微颗粒的粒径越小则对人体伤害越大，所以纳米级别的防护口罩可以实现对粒径更小的颗粒物的阻隔，因此，更具实际应用价值。防护口罩的另一潜在应用价值还体现在可以通过静电纺丝混纺技术或者药物溶解添加技术，使药物掺杂在纳米纤维之中。雾霾发生之时，空气湿度大，空中氧气含量低，会使一些哮喘类病症患者极易发作病症，当把药物添加在防护口罩的纳米纤维之中，药物便可在病人呼吸之中缓慢释放。此技术不仅可以实现雾霾防护还可以作为雾霾之时病人的护理日常。

3.3.2间接应用

间接应用是对乡村人民的间接保护。例如，利用纳米纤维气孔率大，吸附能力强的特点，可以用作吸附周边工厂或施工工地产生的尘埃，进而改善乡村空气质量状况。实际中可把纳米纤维无纺布设置成区域隔离防护网，在施工场地周围实行空间包围，即可有效抑制尘埃的扩散。另一应用，可以把纳米纤维无纺布制成尾气过滤桶，安装在机动车辆的排气口，可以实现对尾气的过滤处理。纳米纤维在间接解决雾霾对人体的伤害方面，同样主要利用了纳米纤维的过滤和吸附作用。

3.4对策研究意义

目前，国内外在防治雾霾方面都采取了积极的举措。英国出台《清洁空气法》，美国加强检测和管理，日本注重绿化等等，都已见成效。我国借鉴经验，正在积极应对雾霾污染，但是政策的落实和防护措施的见效都需要一个过渡的过程，从省市到一线城市、二线城市、乡村，需要一定时间才能形成一套完备的雾霾防护体系。而现在乡村雾霾日益严重之际，想要立竿见影，实现乡村人民人身有效防护正是本研究的意义所在。利用静电纺丝技术可制备出纳米级别的纤维，再将制得的纳米纤维应用在人身防护方面，例如纳米纤维夹层防护口罩，工厂、施工工地尘埃颗粒隔离墙，机动车辆尾气过滤装置。其潜在应用价值还在于，可制备功能性口罩，例如药物添加缓释防护口罩。对于乡村雾霾的防治，应首先以人为本，所以在此，首先研究利用静电纺丝技术针对乡村雾霾下关于人身防护的应用研究。

4结语

雾霾污染已严重影响到了乡村人民的生命健康。所以，乡村雾霾防治必然会成为美丽宜居乡村建设的重要一环。目前，国家、社会层面借鉴国外先进经验及根据自身实际情况，正在采取积极有效的雾霾防治措施。但是，作为雾霾防治的最终受益者、主观参与者，乡村居民更应该加强自身防护。本文结合静电纺丝技术研究出一套乡村雾霾下的人身防护对策，实现了对人的直接保护和间接保护，其潜在应用价值更是巨大。建设美丽宜居乡村本应以乡村人民为本，从乡村人民的健康出发。所以，此研究出发点是为了实现乡村人与自然的和谐相处。

2017年6月绿色科技第12期

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