博士生田恩泽ACS Applied Materials & Interfaces: 静电响应的异质结纤维可高效去除颗粒物

2020年6月5日,《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志刊登课题组博士生田恩泽的最新成果:Electrostatic air filtration by multifunctional dielectric hetero-caking filters with ultra-low pressure drop (2020, DOI:  10.1021/acsami.0c07447)。这是我们在应用材料和界面受力方向上的新尝试。ACS-AMI-paper

我国大气颗粒物污染已对人们造成严重的健康负担。由于人们80%以上的时间在室内度过,建筑室内空气质量与每个人的生活息息相关,因此如何将颗粒物污染“御敌于建筑之外”,降低建筑室内颗粒物浓度,对营造室内健康空气和保障人的身心健康至关重要。纤维过滤器是防止室外颗粒物污染进入建筑室内的重要手段,但同时会给建筑带来巨大的风机能耗。建筑通风过滤的瓶颈问题是:高过滤效率、低风阻、高容尘量难以兼得。因此发展兼顾上述三者的空气颗粒物过滤技术,对建筑空气质量改善和节能减排都具有重要意义。

目前主要思路常围绕纳米材料等高成本、高级材料制备方法来提升过滤性能,本研究思路是使用常规低成本、低阻力和高容尘量的粗效过滤材料,通过增强材料外部的电场力,希望能绕开材料的限制,从机械传质调控上强化颗粒物向纤维材料的沉积,提高过滤效率,从而解决建筑通风过滤的应用需求。

本研究提出了在低风阻的聚氨酯粗效过滤材料上粘接高介电性能材料(钛酸钡、二氧化锰等),使普通过滤纤维具备静电响应特性,能在外部电场的激励下在其表面形成范围更广的局部电场,从而增大过滤效率(图1)。ACS_AMI-1图1. (a) 静电增强异质结空气过滤的原理图;(b) 与普通过滤纤维相比,异质结纤维周围形成范围更广的有效静电场;(c) 异质结纤维过滤材料的快速制备方法

通过高速摄像显微镜,观测到了外部电场力作用下,细小颗粒物在纤维表面的沉积过程(图2)。在外部电场的强化下,异质结纤维表面附近的颗粒物沉积速度增大5-6倍,可使得粗效过滤材料从初始效率几乎为0提升至87%(对0.3-0.5微米颗粒物)。ACS_AMI-2图2. (a) 原位高速摄像显微镜观测实验台;(b)-(e) 颗粒在 30微米纤维上的沉积过程;(f)颗粒物在纤维表面的迁移速度;(g)由 Maxwell 3D 模拟的异质结纤维周围的场强分布。

 


该论文的第1作者是清华大学建筑技术科学系博士生田恩泽,通讯作者是北京大学工学院王昊副教授和清华大学建筑技术科学系莫金汉副教授。

课题组博士生田恩泽一直从事低阻高效过滤材料和技术的研究,致力于发展具有静电响应的超低阻过滤技术。她作为第1作者已申请发明专利3项(其中1项已获授权和转让)和发表国际期刊论文5篇,并获国际室内空气质量大会(Indoor Air 2018, Philadelphia)优秀学生论文奖(亚洲唯一获奖者)。她自2019年9月至今在MIT李巨教授课题组访问交流。


论文全文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.0c07447