Membran Nanofiber PAN/TiO₂ Berdaya Tinggi dan Transparan untuk Filtrasi Partikel Lanjutan
Abstrak
Partikulat merupakan salah satu polutan utama yang menyebabkan hari kabur dan menjadi serius perhatian kesehatan masyarakat di seluruh dunia, khususnya di China akhir-akhirnya. Kualitas atmosfer luar ruangan dengan emisi polutan PM2,5 sulit dikontrol; namun kualitas udara ruangan dapat tercapai dengan menggunakan perangkat pemfilter udara berbasis membran serat. Di sini, kami memperkenalkan membran nanofiber untuk perlindungan udara ruangan dan luar ruangan melalui sintesis elektrospun poliakrilonitril:TiO2 dan pengembangan membran nanofiber komposit poliakrilonitril-ko-polakrilat:TiO2. Dalam penelitian ini, kami merancang kedua membran nanofiber poliakrilonitril:TiO2 dan poliakrilonitril-ko-polakrilat:TiO2 dengan mengontrol diameter nanofiber dan ketebalan membran serta memungkinkan adhesi partikulat yang kuat untuk meningkatkan penyerapan melalui sintesis mikrostruktur spesifik pada berbagai lapisan membran nanofiber. Hasil penelitian menunjukkan bahwa membran nanofiber poliakrilonitril-ko-polakrilat:TiO2 yang dikembangkan mencapai kinerja sangat efektif (eliminasi 99,95% PM2,5) dalam kondisi kualitas udara kabur ekstrim (konsentrasi massa PM2,5 1 mg/m3). Selain itu, simulasi eksperimental pada toko udara 1 cm3 menunjukkan bahwa membran nanofiber poliakrilonitril-ko-polakrilat:TiO2 (1 g/m2) memiliki efesiensi eliminasi PM 2,5 sebesar 99,99% dalam 30 menit.
Highlights
Pengembangan membran nanofiber transparan PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2
Sintesis dan pengendalian properti membran nanofiber melalui elektrospinning
Adhesi partikulat yang kuat dan kinerja penyerapan dengan mikrostruktur spesifik
Membran nanofiber menunjukkan efesiensi eliminasi PM2,5 yang sangat baik (99,99%) dalam 30 menit
Pendahuluan
Masalah polusi partikulat (PM) disebabkan terutama oleh industri manufaktur yang sangat mencemarkan dan merupakan serius perhatian di seluruh dunia, khususnya di China akhir-akhirnya [1, 2]. Karena masalah lingkungan yang parah, orang memakai masker untuk menyaring udara yang tercemar di luar ruangan saat cuaca tercemar, dan peralatan pemfilter udara tambahan menjadi populer untuk membersihkan kualitas udara ruangan di metropolitan [3]. Saat ini, media serat non-woven telah digunakan dalam berbagai aplikasi pemfilter udara, mulai dari filter udara ruangan hingga peralatan pelindung diri, seperti respirator N95. Efesiensi filtrasi tinggi atau tekanan jatuh rendah berkontribusi pada peningkatan kualitas pemfilteran udara [4,5,6,7]. Mikroserat non-woven dengan diameter yang lebih kecil tidak hanya menghasilkan efesiensi filtrasi yang lebih besar, tetapi juga tekanan jatuh yang lebih besar. Misalnya, filter udara berbasis nanofiber dengan diameter lebih kecil dari 500 nm memiliki efesiensi filtrasi tinggi dan permeabilitas udara rendah [8]. Oleh karena itu, pengembangan membran filter udara nanofiber berkinerja tinggi menarik minat besar dari penelitian dan aplikasi di seluruh dunia, karena nanofiber dengan cepat menjadi alternatif material yang layak.
Di antara banyak pendekatan seperti teknologi molekuler, preparasi biologis, dan teknik spinning, elektrospinning adalah metode yang relatif sederhana dan efektif, serta cocok dan kompatibel dengan pembuatan membran nanofiber [9,10,11,12]. Akhir-akhirnya, membran nanofiber telah berhasil diproduksi menggunakan berbagai polimer melalui elektrospinning untuk perlindungan udara ruangan [13, 14]. Dibandingkan dengan material polimer lain, seperti PVA (alkohol polyvinyl), PS (polystyrene) dan PVP (polivinilpirolidon), studi menunjukkan bahwa PAN (poliakrilonitril) adalah material yang dipilih untuk filtrai partikel [15]. Selain itu, beberapa material tambahan mudah dilapisi pada nanofiber elektrospun, seperti ZnO, TiO2, nanokarbon tabung, silika, dan perak. Material fungsional buatan telah dimodifikasi pada berbagai permukaan untuk meningkatkan kekasaran dan struktur mikro-nano [16, 17]. Di antara berbagai material lapisan, TiO2 berstruktur nano telah mendapat perhatian yang besar, karena properti katalisis UV dan pelindung yang luar biasa [18,19,20]. Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan nanofiber elektrospun dengan permukaan kasar, tekanan dan resistensi filtrai rendah, yang dapat secara aktif menangkap PM2,5 berdasarkan struktur multi-tahap membran nanofiber.
Oleh karena itu, kami menyajikan pendekatan untuk pembuatan membran nanofiber poliakrilonitril (PAN):TiO2 dan poliakrilonitril-ko-polakrilat (PAN-ko-PMA):TiO2 yang dikembangkan melalui elektrospinning (seperti yang ditunjukkan dalam Skema 1.). Membran nanofiber hierarkis PAN:TiO2 dan khususnya PAN-ko-PMA:TiO2 menunjukkan efesiensi filtrai yang baik dan permeabilitas yang baik, yang menjanjikan untuk aplikasi filter udara.
Metode
Bahan
Poliakrilonitril (PAN, MW: 100000) dan poliakrilonitril-ko-polimetil akrilat (PAN-ko-PMA, MW: 150000) dibeli dari Scientific Polymer; Polivinilpirolidon (PVP, mw=55000) dibeli dari Sigma; N,N-dimetil formamida (DMF) dibeli dari Anachemia; Dioxid titanium nano (TiO2, Anatase, D < 25 nm) dibeli dari Aldrich. Semua bahan baku digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut.
Elektrospinning untuk Membran Nanofiber
Membran nanofiber PAN:TiO2 dibuat melalui elektrospinning. Dalam prosedur, TiO2 nano dan PVP (1:1, w/w) ditambahkan ke DMF, dan kemudian PAN dan PAN-ko-PMA ditambahkan dengan konsentrasi akhir 10% (w/w). Larutan dihangat dan diaduk untuk membentuk larutan viskus susu putih selama 24 jam pada 90°. Larutan viskus dimuat ke dalam seringa plastik yang dilengkapi dengan jarum stainless steel 18-gauge. Selama elektrospinning, jarum diberikan tegangan elektrostatis positif tinggi. Kolektor ground ditutupi dengan non-woven PP pada jarak 20 cm dari spinneret. Membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2 dibuat pada kelembaban relatif 45% pada 25°. Setelah elektrospinning, membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2 ditutupi dengan potongan non-woven lainnya untuk melindensi permukaan dari kerusakan. Membran komposit ini dikeringkan dalam oven selama 3 jam pada 90°.
Analisis
Gambar mikroskop elektron pemindai (SEM) diambil dengan field emission SEM S3000N (Hitachi, Jepang) dan gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) diambil dengan Hitachi H7600 (Jepang). Struktur kristal dikarakterisir dengan difraksi X (XRD) menggunakan difraktometer X-ray Rigaku dengan iradiasi Cu Kα monokromatis grafit (MultiFlex XRD, Jepang). Diameter nanofiber diukur menggunakan perangkat lunak Image J. Ukuran pori membran dikarakterisir dengan (Pore tester CFP-1100-AIP, MI). Spektroskopi inframerah transform Fourier (FTIR) dari PerkinElmer (Frontier, PE, AS). Permeabilitas udara diukur menggunakan pengukur permeabilitas udara otomatis (NingFang YG461E-111, China). Tekanan jatuh dan konsentrasi PM diukur menggunakan PM Concentration 2.5 Tester (DustTrack 8520 TSI). Konsentrasi jumlah partikel PM terdeteksi oleh penghitung partikel laser (Purific Y09-301, China) dan efesiensi eliminasi dihitung dengan membandingkan konsentrasi sebelum dan setelah filtrai. Fotogram diambil dengan kamera digital (Nikon, D90).
Hasil dan Pembahasan
Struktur dan Komposisi Membran Nanofiber
Gambar optik membran komposit nanofiber tipikal 2 lapis, 3 lapis, dan gambar SEM-nya ditunjukkan pada Fig. 1a–d, masing-masing. Membran nanofiber dan dukungan kain non-woven PP ditumpuk, tetapi gaya pengikatnya kuat, karena listrik statis menyelimuti antara kain non-woven PP dan membran nanofiber selama proses elektrospinning. Misalnya, kami melihat lapisan nanofiber dan kain non-woven PP dengan jelas dalam membran nanofiber PAN:TiO2 2 lapis (Fig. 1a), dan pandangan atas membran nanofiber menampilkan struktur mikroserat PP dan nanofiber dengan jelas seperti yang ditunjukkan pada Fig. 1b. Struktur pembuatan untuk 3 lapis serupa. Kami mengamati struktur 3 lapis (kain non-woven PP, nanofiber, dan kain non-woven PP) dan lapisan nanofiber pertama terpadu dengan dukungan kain non-woven dalam SEM membran nanofiber PAN:TiO2, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 1b, d.
Morfologi membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2 yang dikompositkan dengan filter udara kain non-woven PP (lapisan): foto optik membran nanofiber 2 lapis (a) dan 3 lapis (c), dan pandangan atas diperbesar masing-masing (c, d)
Untuk menyintesis membran nanofiber yang dirancang, kami telah mengembangkan dan mengoptimalkan lebih lanjut pendekatan dengan menyesuaikan parameter elektrospinning, seperti waktu spinning, jarak penerima, suhu dan kelembaban, tegangan, kecepatan lintasan, dan kecepatan rotasi rol penerima. Dalam proses sintesis, kami menemukan bahwa waktu spinning mengontrol ketebalan membran nanofiber, jika parameter elektrospinning lainnya tetap tidak berubah. Waktu spinning yang lebih pendek menghasilkan membran nanofiber yang lebih tipis. Kami memproduksi ketebalan membran nanofiber yang berbeda menggunakan waktu spinning yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 2. Dari gambar waktu spinning pendek 15, 30, dan 45 menit, kerangka kain non-woven PP terlihat dengan jelas dalam membran nanofiber (Fig. 2a–c). Seiring bertambahnya waktu spinning menjadi 1 dan 2 jam, kerangka kain non-woven PP secara bertahap menjadi tidak jelas dan kabur, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 2d, e, masing-masing. Akhirnya, visibilitas kerangka kain non-woven hampir tidak terlihat lagi, ketika waktu spinning mencapai 4, 6, dan 8 jam (Fig. 2f–h).
Morfologi membran nanofiber PAN:TiO2 dengan waktu spinning yang berbeda (ketebalan yang berbeda): a 15 menit, b 30 menit, c 45 menit, d 1 jam, e 2 jam, f 4 jam, g 6 jam dan h 8 jam
Dalam SEM dan TEM membran nanofiber PAN:TiO2, yang berlapisan 3 menampilkan struktur komposisi dalam membran nanofiber dan lapisan nanofiber terikat pada dukungan kain non-woven (Additional file 1: Figure S1 in supporting data). Nanofiber memiliki nanopartikel TiO2 yang menonjol pada permukaan, yang dapat terlihat dengan jelas dalam gambar TEM (Additional file 1: Figure S1C). EDS, XRD, dan FTIR mengidentifikasi bahwa nanopartikel TiO2 terletak pada permukaan dan di dalam nanofiber dalam bentuk anatase (Additional file 1: Figure S2–4 in supporting data).
Dalam membran PAN, diameter serat bervariasi dari 100 hingga 400 nm (rata-rata 237 nm) dan berat molekul rata-rata sekitar 100.000 Da. Dalam membran PAN-Co-PMA, diameter serat 400~800 nm (rata-rata 678 nm) dan berat molekul rata-rata 150.000. Karena perbedaan berat molekul, terlihat jelas bahwa diameter rata-rata dan rentang antara membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-Co-MA:TiO2 pasti berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 3a, b. Ukuran diameter serat mempengaruhi ukuran pori dan permeabilitas udara membran nanofiber, selain efesiensi filtrai partikel dan tekanan jatuh membran nanofiber, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 3c. Karena diameter serat yang lebih kecil, ukuran pori membran nanofiber PAN:TiO2 lebih kecil daripada membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2. Dibandingkan dengan ketebalan membran, diameter nanofiber memiliki pengaruh yang lebih besar terhadap ukuran pori mesra. Meskipun ketebalan memiliki pengaruh kuat terhadap ukuran pori membran nanofiber (waktu spinning 1 jam), hanya sedikit mengubah diameter pori, setelah ketebalan mencapai titik kritis (waktu spinning lebih dari 2 jam), seperti yang ditunjukkan pada Fig. 3c. Hal ini serupa dengan permeabilitas udara membran nanofiber, dan permeabilitas udara menurun seiring bertambahnya waktu spinning (membran lebih tebal), dan membran mencapai titik platou, ketika waktu spinning 2 jam. Permeabilitas udara membran nanofiber PAN:TiO2 jauh lebih rendah daripada PAN-ko-PMA:TiO2 saat elektrospun selama 2–10 jam. Namun, variansi permeabilitas udara membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2 (32–35 mm/s) lebih tinggi daripada membran nanofiber PAN:TiO2 (6–10 mm/s). Ini mungkin karena membran nanofiber PAN:TiO2 (diameter lebih kecil) menumpuk padat selama durasi spinning yang serupa dibandingkan dengan nanofiber PAN-co-MA:TiO2. Oleh karena itu, diameter nanofiber yang lebih kecil dan ukuran pori membran nanofiber mengalami penurunan flux, yang menyebabkan permeabilitas udara rendah Additional file 1: Figure S5.
Distribusi diameter berbagai nanofiber tipe PAN (3% TiO2): (a) PAN:TiO2, (b) PAN-ko-PMA:TiO2, dan (c) ukuran pori rata-rata dan permeabilitas membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2
Aplikasi untuk Pemurnian Partikel
Efesiensi filtrai aerosol dan tekanan jatuh membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2 telah diteliti. Untuk kedua membran nanofiber, seiring bertambahnya waktu spinning dari 15 menit hingga 2 jam, efesiensi filtrai aerosol meningkat tajam dari sekitar ~ 20 hingga 97% dan 50% untuk PAN-ko-PMA:TiO2 dan ~ 50 hingga 99% untuk PAN:TiO2, masing-masing (pada Fig. 4a). Efesiensi filtrai kedua membran nanofiber mendekati 100% jika waktu spinning lebih dari 3 jam. Sementara itu, tekanan jatuh meningkat seiring bertambahnya waktu spinning (ketebalan meningkat). Dalam studi, membran nanofiber PAN:TiO2 terus meningkat cepat hingga 600 Pa, ketika waktu spinning lebih dari 3 jam, bahkan mencapai 1000 Pa (waktu spinning lebih dari 8 jam). Namun, membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2 meningkat lebih lambat dan menjaga tekanan jatuh sekitar 200. Dibandingkan dengan membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2, membran PAN:TiO2 memiliki diameter dan ukuran pori yang lebih kecil dan membran menghalangi partikel aerosol. Pada saat yang sama, ukuran pori yang lebih kecil menyebabkan permeabilitas udara yang terbatas dan tekanan jatuh yang lebih tinggi untuk menjaga aliran gas.
Efesiensi filtrai membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2 dengan (a) tekanan jatuh aerosol (a) dan ukuran partikel (b, c); dan kemampuan eliminasi (d) PAN:TiO2 dan (e) membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2 dalam tes udara tercemar simulasi
Dalam studi efesiensi filtrai untuk partikel berbagai ukuran, kami menghasilkan simulasi udara tercemar di hari kabur dengan membakar rokok dan mengandung CO, CO2, NO2, dan senyawa organik volatif, seperti tar, nikotin, formaldehida, dan benzen. Dalam model sistem yang diteliti, kami menemukan bahwa ketebalan (waktu spinning) membran nanofiber memiliki pengaruh yang kuat terhadap efesiensi filtrai. Misalnya, efesiensi filtrai membran nanofiber PAN:TiO2 lebih dari 90% jika waktu spinning lebih dari 45 menit, atau mendekati 100%, jika waktu spinning lebih dari 2 jam) untuk semua partikel yang diuji dengan diameter dari 0,3 hingga 3 μm, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 4b. Dibandingkan dengan membran nanofiber PAN:TiO2, efesiensi filtrai keseluruhan membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2 lebih rendah jika waktu spinning lebih pendek dari 3 jam. Efesiensi filtrai juga mendekati 100% untuk semua partikel yang diuji, jika waktu spinning lebih dari 4 jam dalam studi kami (Fig. 4c). Hasil efesiensi filtrai untuk kedua membran nanofiber serupa dengan hasil aerosol. Diameter serat yang besar menyebabkan porositas besar antara serat, meningkatkan kemungkinan partikel melewati. Efesiensi filtrai pada partikulat mencapai platou, ketika ketebalan membran mencapai tingkat tertentu.
Selanjutnya, kami mempelajari proses eliminasi PM2,5 membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2 selama 2 jam, dan uji lapangan dilakukan dalam kamar 1 m3 dengan lingkungan udara tercemar nyata. Model sistem kamar udara dirancang (ditunjukkan pada Additional file 1: Figure S6) dan konsentrasi PM2,5 awal adalah 1 mg/m3. Kami menggunakan membran komposit nanofiber lingkaran untuk filtrai PM2,5 dan partikel PM2,5 dalam kamar udara dicatat setiap menit selama total 120 menit. Hasil kedua membran nanofiber ditunjukkan pada Fig. 4d, e. Membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2 menghilangkan semua PM2,5 dalam 120 menit, dan yang lebih tipis (waktu spinning ≤ 2 jam) sepenuhnya mengurangi PM2,5 dalam 50 menit, dan membran dengan waktu elektrospinning 0,25 jam dan 0,5 jam bahkan menyaring semua PM2,5 dalam sekitar 20 menit. Membran nanofiber PAN:TiO2 memiliki eliminasi PM2,5 yang lebih baik dalam tes, dan membran (waktu elektrospinning > 4 jam) tidak dapat mengurangi PM2,5 dalam 2 jam, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 4e. Secara umum, membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2 memiliki eliminasi PM2,5 yang lebih tinggi daripada membran nanofiber PAN:TiO2.
Kesimpulan
Secara ringkas, kami menyintesis membran nanofiber PAN:TiO2 dan PAN-ko-PMA:TiO2 menggunakan elektrospinning dan properti membran nanofiber, seperti permeabilitas udara, tes aerosol, dan tangkapan PM dievaluasi secara sistematis. Kain non-woven mikroserat, membran nanofiber, dan kawat kain non-woven dikompositkan dengan baik ke dalam struktur multi-lapisan oleh gaya elektrostatis untuk kedua jenis membran nanofiber. Struktur ikatan membran nanofiber PAN-ko-PMA:TiO2 menunjukkan permeabilitas udara yang baik (284–339 mm/s) dan eliminasi PM2,5. Selain itu, membran nanofiber yang dikembangkan adalah PM2,5 yang hemat biaya dan praktis, yang akan dapat digunakan sebagai filter pemudarah udara komersial untuk mencegah PM di masa depan.
Ketersediaan Data dan Bahan
Silakan temukan ketersediaan data dalam data pendukung.
