SiO2纳米纤维膜对空气颗粒物过滤性能的影响

郭 涛,马菲旺,赵一朴,何婉玉,王余音,孙新临,郭 勤,程 辉,李守柱

(新疆理工学院 能源化工工程学院,新疆 阿克苏 843100)

近年来,空气污染造成的严重危害性已受到广泛关注。微生物、细菌及传染病病毒经常附着于空气颗粒物,另外空气中对紫外线具有抗性的浮游生物,主要附着于尘埃上。有效阻断微生物、细菌及传染病病毒传播的方式之一就是对空气颗粒物传播载体过滤去除。空气颗粒物是一种成分非常复杂的混合物,其含有极细颗粒和小污染物液滴。目前,国内工业生产中排放的废气主要有煤燃烧产生的烟雾、重工业烟雾和建筑材料产生的烟尘,还有一些有机化合物,这些废气中包含的烟尘、细沙和石灰等颗粒物对环境的污染较严重,以现在的过滤材质还不能很好的满足对其所含有PM2.5的过滤需求。PM2.5对人体健康有巨大的危害,主要原因是PM2.5小颗粒可以穿透肺和支气管,能通过换气管道或中央空调过滤系统进入室内。PM2.5微粒的直径很小,在室内、户外都很难有效防护,市面上大多数商用口罩的微粒去除效率较低。因此,有效且方便去除空气中的微粒污染物已经成为一个亟待解决的问题,同时也对研究人员提出了很大的挑战[1]。近年来,国内外静电纺丝技术制备多级结构纳米空气过滤材料主要有微纳米凸起、纳米蛛网、层层复合、多孔、刺状、树枝状及核壳等结构空气过滤材料。研究一种具有高效过滤性能的过滤材料已成为了热点问题,因为纳米纤维膜的纤维直径在几十到几百纳米范围不等,空气中颗粒物粒径多为0.1～5 μm,所以纳米纤维膜是很好的过滤材料。

纳米纤维膜通过静电纺丝制备,其中的纤维交错形成大量孔,当纤维直径达纳米级时,纳米纤维膜的表面积增大、孔径尺寸减小,总孔隙体积增大,可高效阻挡PM2.5微粒。此外,纳米纤维膜材料较轻薄,与其他非织造材料结合后仍很薄,用作过滤材料时,产生的空气阻力低于其他传统过滤材料。因此,纳米纤维膜材料在空气过滤领域具有非常高的研究价值[2-4]。相关研究表明:高分子纳米纤维膜具有良好的过滤性能[5-9],然而关于无机纳米纤维膜的PM2.5过滤性能研究不多,而SiO2无机纳米纤维膜具有耐有机溶剂、耐高温和孔径小透气好等性能,应用后可高温灭菌再生,是最可能实现工业化的无机纳米纤维,使用的高分子纳米纤维膜具有较高的过滤性能,使用无机纳米纤维膜来过滤工业废气将指日可待。因此,笔者积极探索SiO2纳米纤维膜在空气颗粒物过滤领域的应用研究极其有必要[10-12]。

1 实验部分

1.1 实验原料

乙醇99.7%,分析纯,天津市百世化工有限公司;盐酸99.8%,分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;TEOS硅酸乙酯(99.5%),密度0.930～0.950 g/cm3,广州井冈化工有限公司。

1.2 实验仪器

数显恒温磁力搅拌器,型号95-2,金坛区白塔新宝仪器厂;空气e管家,型号4.0升级版,北京中欧普瑞科技有限公司;静电纺丝机实验室自制;空气过滤性能测试装置实验室自制。扫描电子显微镜(SEM),Zeiss SUPRA55VP。XRD;红外光谱。

1.3 SiO2纳米纤维膜制备

将乙醇、纯水、盐酸和TEOS按比例配制纺丝液,置于95-2型恒温磁力搅拌器恒温80 ℃搅拌120 min至完全反应成黏稠液体,用于制备SiO2纳米纤维膜。

将纺丝液注入带有金属针头的注射器中,使用自制静电纺丝机进行静电纺丝,设置纺丝电压为+20.5 kV,针头至接收板距离为15 cm,接收板表面覆有铝箔,环境室温25 ℃,相对湿度30%,纺丝时间90 min,自制静电纺丝设备如图1所示。

1—铝箔接受装置;2—注射器;3—铁架台;4—正极;5—高压电源;6—负极。图1 自制的静电纺丝装置Fig.1 Self made electrospinning device

1.4 SiO2纳米纤维膜过滤方法及过滤装置

空气泵将人造烟箱中含有PM2.5和PM10成分的烟雾吸入管道,由流量计控制气体流量及颗粒物质量浓度,随后由PM2.5测试仪测试烟雾中PM2.5与PM10质量浓度,烟雾通过SiO2纳米纤维膜经过滤后重新测试烟雾中PM2.5与PM10质量浓度,并将过滤后的纯净空气排出装置外,装置如图2所示。

1—进气口;2—烟箱;3—蚊香;4—空气泵;5—流量计;6—气体测试容器;7—SiO2纳米纤维膜;8—SiO2纳米纤维膜;9—气体测试容器;10—排气口;11—PM2.5测试仪;12—夹膜法兰;13—PM2.5测试仪。图2 自制的空气过滤装置Fig.2 Self made air filtration device

2 结果与讨论

2.1 PM2.5及PM10质量浓度对过滤性能的影响

白色的SiO2纳米纤维膜形貌如图3(a)所示。SiO2纳米纤维膜具有高度多孔的二维结构,由直径在1 000～2 000 nm随机排列和相互交错的纳米纤维构成,这种相互交错的膜结构是由于在制备SiO2纳米纤维过程中,高压纺丝液射流有关的射流鞭动不稳定性形成的[13],正是这种相互交错的纳米纤维膜特有结构及几百纳米的孔隙有利于颗粒物的过滤。制备的SiO2纳米纤维膜具有特殊的网状结构可以拦截微米级的颗粒物如PM2.5和PM10如图3(b)所示,在图中拦截的小的颗粒物在1.5 μm,拦截的大颗粒物在4 μm,更大的颗粒物直接阻隔在SiO2纳米纤维膜外,甚至不能进入膜的浅层中。

图3 SiO2纳米纤维膜扫描电镜形貌图Fig.3 SEM morphology of SiO2 nanofiber membrane

如图4所示,当SiO2纳米纤维膜厚度选取0.5 mm时,随着PM2.5质量浓度由350 ng/L增加至1 200 ng/L时,过滤效率由95.2%逐渐增大至97.9%;PM10质量浓度由600 ng/L增加至2 400 ng/L时,过滤效率由95.4%增大至97.5%。由此可知:随着PM2.5及PM10质量浓度的增加,对过滤性能的影响略有增大。随着PM2.5和PM10质量浓度的增大,纤维膜中纤维之间的孔径逐渐被微粒填充,孔径变小,阻挡在纤维膜外的微粒也就变得越多,导致通过纤维膜的微粒减少,过滤效率略有增大。

图4 PM2.5及PM10质量浓度对过滤性能的影响Fig.4 Effect of PM2.5 and PM10 concentration on filtration performance

2.2 过滤时间对过滤效率的影响

如图5所示,当纳米纤维膜厚度选取0.5 mm时,PM2.5质量浓度保持不变,随着过滤时间由0 min增加至45 min时,过滤效率稳定在96%～98%(0 min时测试的数据很低是由于0 min过滤后的气体还没有到达检测器所产生的,不具有实际意义);PM10质量浓度保持不变,随着时间由0 min增加至45 min时,过滤效率稳定在96%～98%。由此可知过滤时间对过滤性能没有明显的影响。

图5 过滤时间对过滤效率的影响Fig.5 Effect of filtration time on filtration efficiency

随着时间的增加,因为PM2.5与PM10的质量浓度不变,纤维膜的厚度不变,过滤前的微粒数目不变,纤维膜过滤过程达到一个稳定的状态,直径小于2.5 μm的微粒通过纤维膜的数量也不变。因此,在时间变化的过程中,纤维膜过滤效率没有明显的变化。

2.3 SiO2纳米纤维膜厚度对过滤性能的影响

如图6所示,当PM2.5质量浓度保持不变,随着SiO2纳米纤维膜厚度由0.5 mm增加至2.0 mm时,过滤效率由93.2%增加至98.1%;PM10质量浓度保持不变,随着SiO2纳米纤维膜厚度由0.5 mm增加至2.0 mm时,过滤效率由92.8%增加至98.2%。由此可知:随着SiO2纤维膜厚度的逐渐增大,其过滤效率也显著增大。

图6 纳米纤维膜厚度对过滤性能的影响Fig.6 Effect of nanofiber membrane thickness on filtration performance

纤维膜厚度的增加会使纤维的局部紧密堆积微区域大为增多,孔径更小,通过纤维孔径的PM2.5微粒也较少,原本一些2.5 μm粒径的微粒(原本可以通过的)会使纤维的层层堆积被阻挡在纤维之间。因此,纤维膜的过滤效率会随着纤维膜厚度的增加而增大,从而纤维膜厚度增加也会导致纤维膜透气效率的减小,由于膜压变大纤维膜也不宜过厚。

2.4 SiO2纳米纤维膜密度对过滤性能的影响

在纺丝过程中纺丝液制备时间对纤维膜的膨松性有很大的影响,此次分析使用的SiO2纳米纤维膜制备时加热时间分别为32,37,42,47,52 min,纺丝时间超过40 min后纤维膜就会越来越膨松。选用纤维滤膜直径相等,密度分别为1.025,0.745,0.515,0.485,0.235,0.075 g/cm3的纳米纤维膜进行过滤效率测试。如图7所示,密度为0.075 g/cm3时纳米纤维膜过滤效率最低,过滤效率为16.8%,随着密度的逐渐增大,过滤效率逐渐增高,当密度为1.025 g/cm3时过滤效率最高,为98.2%。纤维膜密度的减小,纤维之间的孔径会增大,通过纤维膜的微粒也会增多。由此可知:随着密度的增大,过滤效率有增加的趋势。

图7 纳米纤维膜密度对过滤效率的影响Fig.7 Effect of nanofiber membrane density on filtration efficiency

3 结 论

微生物、细菌及传染病病毒经常附着于空气颗粒物,有效阻断传播的方式之一就是对空气颗粒物传播载体过滤去除。针对空气颗粒物过滤问题,通过对SiO2纳米纤维膜在不同条件下颗粒物过滤性能的研究,得出基于SiO2纳米纤维特有相互交错的网状结构使纤维膜具有几百纳米的孔隙,具有拦截微米级的颗粒物能力;通过对SiO2纳米纤维膜常温在不同条件下过滤性能的测试,得出PM2.5和PM10的质量浓度对SiO2纳米纤维膜过滤效率无影响,而纳米纤维膜厚度与纳米纤维膜密度对过滤效率有影响,厚度越大,过滤效率越高。由于纳米纤维膜具有独特的过滤性能,在常温下是良好的空气PM2.5过滤材料。因此,笔者对SiO2纳米纤维膜在颗粒物过滤性能的研究为空气颗粒物过滤材料的应用具有重要理论参考。