Membran Komposit Nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 Transparan dengan Efisiensi Tinggi dalam Filtrasi Polutan Partikulat
Abstrak
Materi partikulat adalah salah satu polutan utama, menyebabkan hari-hari berkabut, dan telah menjadi perhatian serius bagi kesehatan masyarakat di seluruh dunia, khususnya di China baru-baru ini. Kualitas atmosfer luar ruangan dengan emisi polutan PM2.5 sulit dikendalikan; tetapi kualitas udara dalam ruangan dapat dicapai dengan menggunakan perangkat penyaringan udara berbasis membran berserat. Di sini, kami memperkenalkan membran nanofiber untuk perlindungan udara dalam dan luar ruangan dengan poliakrilonitril yang disintesis secara elektrospun:TiO2 dan mengembangkan poliakrilonitril-ko-poliakrilat:TiO2 membran nanofiber komposit. Dalam penelitian ini, kami merancang kedua poliakrilonitril:TiO2 dan poliakrilonitril-ko-poliakrilat:TiO2 membran nanofiber dengan mengontrol diameter nanofiber dan ketebalan membran dan memungkinkan adhesi partikel yang kuat untuk meningkatkan kinerja penyerapan dan dengan mensintesis struktur mikro spesifik dari berbagai lapisan membran nanofiber. Studi kami menunjukkan bahwa poliakrilonitril-ko-poliakrilat:TiO2 yang dikembangkan membran nanofiber mencapai sangat efektif (99,95% penghilangan PM2.5) di bawah kondisi kualitas udara yang sangat kabur (konsentrasi massa PM2.5 1 mg/m
3
). Selain itu, simulasi eksperimental tes dalam 1 cm
3
gudang udara menunjukkan bahwa poliakrilonitril-ko-poliakrilat:TiO2 membran nanofiber (1 g/m
2
) memiliki efisiensi penghilangan PM 2.5 yang sangat baik sebesar 99,99% dalam 30 menit.
Sorotan
Pengembangan PAN:TiO2 transparent yang transparan dan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber
Sintesis dan pengontrolan sifat-sifat membran nanofiber dengan electrospinning
Daya rekat PM yang kuat dan kinerja penyerapan dengan mikrostruktur tertentu
Membran nanofiber menunjukkan efisiensi penghilangan PM2.5 yang sangat baik (99,99%) dalam 30 menit
Pengantar
Masalah polusi partikel (PM) terutama disebabkan oleh industri manufaktur polusi yang tinggi dan menjadi perhatian serius di seluruh dunia, terutama di Cina baru-baru ini [1, 2]. Karena masalah lingkungan yang parah, orang memakai masker untuk menyaring polusi udara di luar ruangan dalam kondisi cuaca yang tercemar, dan peralatan lebih lanjut untuk penyaringan udara menjadi populer untuk membersihkan kualitas udara dalam ruangan di kota-kota besar [3]. Saat ini, media berserat non-anyaman telah digunakan dalam berbagai aplikasi penyaringan udara, mulai dari filter udara dalam ruangan hingga alat pelindung diri, seperti respirator N95. Efisiensi filtrasi tinggi atau penurunan tekanan rendah kondusif untuk meningkatkan kualitas filtrasi udara [4,5,6,7]. Serat mikro non-anyaman dengan diameter lebih kecil tidak hanya menghasilkan efisiensi filtrasi yang lebih besar, tetapi juga penurunan tekanan yang lebih besar. Sebagai contoh, filter udara berbasis nanofiber dengan diameter lebih kecil dari 500 nm memiliki efisiensi filtrasi yang tinggi dan permeabilitas udara yang rendah [8]. Oleh karena itu, pengembangan membran filter udara nanofiber berkinerja tinggi menarik minat besar baik dari penelitian maupun aplikasi di seluruh dunia, karena nanofibers dengan cepat menjadi alternatif material yang layak.
Di antara banyak pendekatan seperti teknologi molekuler, preparasi biologis, dan teknik pemintalan, elektrospinning adalah metode yang relatif sederhana dan efektif, dan juga cocok dan kompatibel dengan preparasi membran nanofiber [9,10,11,12]. Baru-baru ini, membran nanofiber telah berhasil diproduksi menggunakan polimer yang berbeda dengan electrospinning untuk perlindungan udara dalam ruangan [13, 14]. Dibandingkan dengan bahan polimer lainnya, seperti PVA (polyvinyl alcohol), PS (polystyrene) dan PVP (polyvinylpyrrolidone), penelitian menunjukkan bahwa PAN (polyacrylonitrile) adalah bahan pilihan untuk filtrasi partikel [15]. Selain itu, beberapa bahan tambahan mudah dilapisi pada nanofiber electrospun, seperti ZnO, TiO2 , nanotube karbon, silika, dan perak. Bahan fungsional buatan telah dimodifikasi pada permukaan yang berbeda untuk meningkatkan kekasaran dan struktur mikro-nano [16, 17]. Di antara berbagai bahan pelapis, TiO berstruktur nano2 telah menerima minat yang cukup besar, karena katalisis sinar UV dan properti pelindungnya yang luar biasa [18,19,20]. Tujuan dari penelitian ini adalah untuk mengembangkan nanofiber electrospun dengan permukaan kasar, tekanan filtrasi rendah dan resistensi, yang dapat secara aktif menangkap PM2.5 berdasarkan struktur multi-tahap membran nanofiber.
Oleh karena itu, kami menyajikan pendekatan untuk pembuatan poliakrilonitril (PAN):TiO2 dan mengembangkan poliakrilonitril-ko-poliakrilat (PAN-co-PMA):TiO2 membran nanofiber dengan electrospinning (seperti yang ditunjukkan pada Suppl. Skema 1.). PAN hierarkis:TiO2 dan khususnya, PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber menunjukkan efisiensi filtrasi yang sangat baik dan permeabilitas yang baik, yang menjanjikan untuk aplikasi filter udara.
Metode
Materi
Poliakrilonitril (PAN, MW:100000) dan poliakrilonitril-ko-polimetil akrilat (PAN-co-PMA, MW:150000) dibeli dari Scientific Polymer; Polyvinylpyrrolidone (PVP, mw=55000) dibeli dari Sigma; N,N-dimetil formamida (DMF) dibeli dari Anachemia; Titanium dioksida nanometer (TiO2 , Anatase, D < 25 nm) dibeli dari Aldrich. Semua bahan mentah digunakan saat diterima tanpa pemurnian lebih lanjut.
Electrospinning untuk Membran Nanofiber
PAN:TiO2 membran nanofiber dibuat dengan electrospinning. Dalam prosedurnya, nanometer TiO2 dan PVP (1:1, b/b) ditambahkan ke DMF, kemudian PAN dan PAN-co-PMA ditambahkan dengan konsentrasi akhir 10% (b/b). Campuran dipanaskan dan diaduk untuk membentuk larutan kental berwarna putih susu selama 24 jam pada 90°. Larutan kental dimasukkan ke dalam jarum suntik plastik yang dilengkapi dengan jarum stainless steel ukuran 18. Selama electrospinning, jarum disuplai dengan tegangan elektrostatik positif yang tinggi. Kolektor tanah ditutup dengan PP bukan tenunan pada jarak 20 cm ke pemintal. PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber dibuat dalam kelembaban relatif 45% pada 25 °. Setelah elektrospinning, PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber ditutupi oleh sepotong kain bukan tenunan untuk melindungi permukaan dari kerusakan. Membran komposit ini dikeringkan dalam oven selama 3 jam pada suhu 90°.
Analisis
Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) diambil dengan emisi medan SEM S3000N (Hitachi, Jepang) dan gambar mikroskop elektron Transmisi (TEM) diambil oleh Hitachi H7600 (Jepang). Struktur kristal dikarakterisasi dengan difraksi sinar-X (XRD) menggunakan difraktometer sinar-X Rigaku dengan iradiasi Cu Kα monokromatisasi grafit (MultiFlex XRD, Jepang). Diameter nanofiber diukur menggunakan software Image J. Ukuran pori membran dikarakterisasi dengan (Pore tester CFP-1100-AIP, MI). Spektroskopi inframerah transformasi Fourier (FTIR) berasal dari PerkinElmer (Frontier, PE, USA). Permeabilitas udara diukur menggunakan meteran permeabilitas udara otomatis (NingFang YG461E-111, China). Penurunan tekanan dan konsentrasi PM diukur dengan menggunakan PM Concentration 2.5 Tester (DustTrack 8520 TSI). Konsentrasi jumlah partikel PM dideteksi oleh penghitung partikel laser (Purific Y09-301, China) dan efisiensi penyisihan dihitung dengan membandingkan konsentrasi sebelum dan sesudah penyaringan. Fotogram diambil dengan kamera digital (Nikon, D90).
Hasil dan Diskusi
Struktur dan Komposisi Membran Nanofiber
Membran komposit nanofiber khas dari gambar optik 2 lapisan, 3 lapisan, dan gambar SEM mereka masing-masing ditunjukkan pada Gambar. 1a-d. Membran nanofiber dan penopang kain non-woven PP berlapis, tetapi gaya ikatnya kuat, karena listrik statis terakumulasi antara kain non-woven PP dan membran nanofiber selama proses electrospinning. Misalnya, kami melihat lapisan nanofiber dan PP non-woven dengan jelas di 2-lapisan PAN:TiO2 membran nanofiber (Gbr. 1a), dan tampilan atas membran nanofiber menampilkan struktur mikrofiber PP dan nanofiber secara jelas seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 1b. Struktur fabrikasi untuk 3-layer serupa. Kami mengamati struktur 3 lapisan (PP non-woven, nanofiber, dan PP non-woven) dan lapisan nanofiber pertama terjerat dengan dukungan kain non-woven di SEM PAN:TiO2 membran nanofiber, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, d.
Morfologi PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber komposit dengan PP non-woven filter udara (lapisan):foto optik membran nanofiber 2-lapisan (a ) dan 3-lapisan (c ), dan tampilan atas yang diperbesar (c , d ), masing-masing
Untuk mensintesis membran nanofiber yang dirancang, kami telah mengembangkan dan lebih mengoptimalkan pendekatan dengan menyetel parameter electrospinning, seperti waktu pemintalan, jarak penerimaan, suhu dan kelembaban, tegangan, kecepatan traverse, dan kecepatan rotasi rol penerima. Dalam proses sintesis, kami menemukan bahwa waktu pemintalan mengontrol ketebalan membran nanofiber, jika kami mempertahankan parameter elektrospinning lainnya tidak berubah. Waktu pemintalan yang lebih pendek menghasilkan membran nanofiber yang lebih tipis. Kami menghasilkan ketebalan yang berbeda dari membran nanofiber dengan menggunakan waktu pemintalan yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Dari gambaran waktu pemintalan pendek seperti 15, 30, dan 45 menit, kerangka PP nonwoven diamati dengan jelas di membran nanofiber ( Gambar 2a-c). Saat waktu pemintalan meningkat menjadi 1 dan 2 jam, kerangka non-anyaman PP secara bertahap menjadi tidak jelas dan kabur, masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2d, e. Akhirnya, visibilitas kerangka kain bukan tenunan menjadi sulit diamati, ketika waktu pemintalan selama 4, 6, dan 8 jam (Gbr. 2f–h).
Morfologi PAN:TiO2 membran nanofiber dengan waktu pemintalan berbeda (ketebalan berbeda):a 15 menit, b 30 menit, c 45 menit, h 1 jam, e 2 jam, f 4 jam, g 6 jam dan j 8 jam
Dalam SEM dan TEM PAN:TiO2 membran nanofiber, yang 3-lapisan menampilkan struktur penampang di membran nanofiber dan lapisan nanofiber yang terikat pada dukungan kain non-anyaman (File tambahan 1:Gambar S1 dalam data pendukung). Serat nano memiliki TiO2 yang menonjol nanopartikel di permukaan, yang dapat diamati dengan jelas di TEM bayangkan (File tambahan 1:Gambar S1C). EDS, XRD, dan FTIR mengidentifikasi bahwa TiO2 nanopartikel terletak di permukaan dan di dalam nanofibers dalam bentuk anatase (File tambahan 1:Gambar S2–4 dalam data pendukung).
Dalam membran PAN, diameter serat berkisar antara 100 hingga 400 nm (rata-rata 237 nm) dan berat molekul rata-rata sekitar 100.000 Da. Dalam membran PAN-Co-PMA, diameter serat adalah 400~800 nm (rata-rata 678 nm) dan berat molekul rata-rata 150.000. Karena perbedaan berat molekul, jelas terlihat bahwa rata-rata dan rentang diameter antara PAN:TiO2 dan PAN-Co-MA:TiO2 membran nanofiber tentu berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, b. Ukuran diameter serat mempengaruhi ukuran pori dan permeabilitas udara membran nanofiber, selain efisiensi filtrasi partikel dan penurunan tekanan membran nanofiber, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Karena diameter serat yang lebih kecil, ukuran pori PAN:TiO2 membran nanofiber lebih kecil dari PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber. Dibandingkan dengan ketebalan membran, diameter nanofiber memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap ukuran pori membran. Meskipun ketebalan memiliki pengaruh yang kuat terhadap ukuran pori membran nanofiber (waktu pemintalan dalam 1 jam), hanya sedikit mengubah diameter pori, setelah ketebalan mencapai titik kritis (waktu pemintalan lebih dari 2 jam), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3c. Itu mirip dengan permeabilitas udara dari membran nanofiber, dan permeabilitas udara turun dengan waktu pemintalan yang lebih lama (membran lebih tebal), dan membran mencapai dataran tinggi, ketika waktu pemintalan 2 jam. Permeabilitas udara PAN:TiO2 membran nanofiber jauh lebih rendah daripada PAN-co-PMA:TiO2 ketika electrospun selama 2-10 jam. Namun, varians permeabilitas udara PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber (32–35 mm/s) lebih tinggi dari PAN:TiO2 membran nanofiber (6–10 mm/s). Mungkin karena PAN:TiO2 membran nanofiber (diameter lebih kecil) mengendap dengan padat di bawah durasi pemintalan yang sama dibandingkan dengan PAN-co-MA:TiO2 nanofiber. Oleh karena itu, semakin kecil diameter nanofiber dan ukuran pori membran nanofiber mengalami penurunan fluks sehingga menyebabkan permeabilitas udara rendah. File Tambahan 1:Gambar S5.
Distribusi diameter dari tipe PAN yang berbeda (3% TiO2 ) serat nano:(a ) PAN:TiO2 , (b ) PAN-co-PMA:TiO2 , dan (c ) rata-rata ukuran pori dan permeabilitas PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber
Aplikasi untuk Pemurnian Partikel
Efisiensi filtrasi aerosol dan penurunan tekanan PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber dipelajari. Untuk kedua membran nanofiber, saat waktu pemintalan meningkat dari 15 menit menjadi 2 jam, efisiensi filtrasi aerosol meningkat tajam dari ~ 20 hingga 97% dari dan 50% untuk PAN-co-PMA:TiO2 dan ~ 50 hingga 99% untuk PAN:TiO2 , masing-masing (pada Gambar. 4a). Efisiensi filtrasi kedua membran nanofiber mendekati 100% jika waktu pemintalan lebih lama dari 3 jam. Sementara itu, penurunan tekanan meningkat dengan waktu pemintalan yang lebih lama (peningkatan ketebalan). Dalam studi tersebut, PAN:TiO2 membran nanofiber terus meningkat dengan cepat hingga 600 Pa, ketika waktu pemintalan lebih lama dari 3 jam, bahkan mencapai 1000 Pa (waktu pemintalan lebih lama dari 8 jam). Namun, PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber meningkat jauh lebih lambat dan menjaga penurunan tekanan sekitar 200. Dibandingkan dengan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber, PAN:TiO2 membran memiliki diameter dan ukuran pori yang lebih kecil dan membran memblokir partikel aerosol. Pada saat yang sama, ukuran pori yang lebih kecil menyebabkan permeabilitas udara yang terbatas dan penurunan tekanan yang lebih tinggi untuk mempertahankan aliran gas.
Efisiensi filtrasi membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 dengan (a ) penurunan tekanan aerosol (a ) dan ukuran partikel (b , c ); dan kemampuan penghapusan (d ) PAN:TiO2 dan (e ) PAN-co-PMA:Membran nanofiber TiO2 dalam uji udara tercemar yang disimulasikan
Dalam studi efisiensi filtrasi untuk berbagai ukuran partikel, kami membuat simulasi udara tercemar di hari-hari berkabut dengan membakar rokok dan mengandung CO, CO2 , TIDAK2 , dan senyawa organik yang mudah menguap, seperti tar, nikotin, formaldehida, dan benzena. Dalam sistem model yang dipelajari, kami menemukan bahwa ketebalan (waktu pemintalan) membran nanofiber memiliki efek yang kuat terhadap efisiensi filtrasi. Misalnya, efisiensi filtrasi PAN:TiO2 membran nanofiber lebih tinggi dari 90% jika waktu pemintalan lebih lama dari 45 menit, atau mendekati 100%, jika waktu pemintalan lebih lama dari 2 jam) untuk semua partikel yang diuji pada diameter 0,3 hingga 3 m, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b. Dibandingkan dengan PAN:TiO2 membran nanofiber, efisiensi filtrasi keseluruhan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber lebih rendah jika waktu pemintalan lebih pendek dari 3 jam. Efisiensi filtrasi juga mendekati 100% untuk semua partikel yang diuji, jika waktu pemintalan lebih lama dari 4 jam dalam penelitian kami (Gbr. 4c). Hasil efisiensi filtrasi untuk kedua membran nanofiber serupa dengan hasil aerosol. Diameter serat yang besar menyebabkan porositas antar serat yang besar sehingga memperbesar kemungkinan partikel melewatinya. Efisiensi filtrasi pada partikel mencapai dataran tinggi, ketika ketebalan membran mencapai tingkat tertentu.
Selanjutnya, kami mempelajari proses penghilangan PM2.5 dari PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber selama 2 jam, dan uji lapangan dalam 1-m
3
ruang lingkungan udara tercemar nyata. Sistem model ruang udara dirancang (ditunjukkan dalam file tambahan 1:Gambar S6) dan konsentrasi awal PM2.5 adalah 1 mg/m
3
. Kami menggunakan membran komposit nanofiber melingkar untuk filtrasi PM2.5 dan partikel PM2.5 di ruang udara dicatat setiap menit dalam total 120 menit. Hasil dari dua membran nanofiber ditunjukkan pada Gambar. 4d, e. PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber menghilangkan semua PM2.5 dalam 120 menit, dan thinner (waktu pemintalan 2 jam) benar-benar mengurangi PM2.5 dalam 50 menit, dan membran dengan waktu electrospinning 0,25 jam dan 0,5 jam bahkan menyaring semua PM2.5 dalam waktu sekitar 20 menit . PAN:TiO2 membran nanofiber memiliki penghilangan PM2.5 yang lebih baik dalam pengujian, dan membran (waktu electrospinning> 4 jam) tidak dapat mengurangi PM2.5 dalam 2 jam, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e. Umumnya, PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber memiliki penghilangan PM2.5 yang lebih tinggi daripada PAN:TiO2 membran nanofiber.
Kesimpulan
Singkatnya, kami mensintesis PAN:TiO2 dan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber dengan menggunakan electrospinning dan sifat-sifat membran nanofiber, seperti permeabilitas udara, uji aerosol, dan perangkap PM dievaluasi secara sistematis. Microfiber non-woven, membran nanofiber, dan braket kain non-woven digabungkan dengan baik ke dalam struktur multi-lapisan dengan gaya elektrostatik untuk dua jenis membran nanofiber. Struktur ikatan PAN-co-PMA:TiO2 membran nanofiber ditampilkan permeabilitas udara yang sangat baik (284-339 mm/s) dan penghapusan PM2.5. Selain itu, membran nanofiber yang dikembangkan adalah PM2.5 yang hemat biaya dan praktis, yang dapat diterapkan sebagai filter pembersih udara komersial untuk mencegah PMS di masa mendatang.
