博士生夏凡轩Separation and Purification Technology:在泡沫金属中快速深度制备纳米纤维,具备高效颗粒物过滤和阻燃性能

2021年6月6日,《Separation and Purification Technology》杂志刊登课题组博士生夏凡轩的最新成果:Fast Fabricating Cross-Linked Nanofibers into Flameproof Metal Foam by Air-drawn Electrospinning for Electrostatically Assisted Particle Removal (2021, 274, 119076) https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119076

背景介绍

新冠肺炎疫情仍全球范围继续,已有多项研究结果表明空气气溶胶传播是新冠病毒传播的一种方式。而控制建筑内颗粒物浓度对防止颗粒物污染和病毒感染至关重要。纤维过滤器是目前控制建筑内颗粒物浓度的重要手段,但也会带来巨大的风机能耗。因此,亟需一种能同时实现低阻力和高效率的过滤手段。我们的前期研究中提出了一种基于粗效泡沫金属的静电增强过滤技术,其具有低阻力和较高的过滤效率,且泡沫金属的阻燃特性使其安全性大大提高,可用于公共建筑通风系统、地下空间和厨房油烟等多种场合。然而单一泡沫金属过滤材料存在静电响应性能随运行时间下降的问题,使其长期性能难以维持。

成果介绍:
本研究的思路是通过PVDF纳米纤维与静电增强泡沫金属过滤相结合,以期在保留阻燃和低阻特性的基础上进一步提升过滤性能。如图1所示,使用气流辅助式静电纺丝的方式将PVDF纳米纤维快速深入地负载在泡沫金属过滤材料内部。

图1. 气流辅助静电纺丝原理示意图

所制备的复合纳米纤维-泡沫金属的内部微观结构如图2和图3所示。泡沫金属间的PVDF纳米纤维增大了与颗粒物的接触面积和容尘面积,从而提升过滤效率并增大容尘量。

图2. 光学显微镜拍摄:在泡沫金属骨架间的PVDF纳米纤维

图3. 泡沫金属-纳米纤维积尘微观结构图

研究结果表明:通过负载纳米纤维,静电增强泡沫金属的过滤效率提升了15%,且长期使用效率不会下降,每日效率波动范围缩小,长期性能测试结果如图4所示。

图4. 静电增强泡沫金属-纳米纤维长期过滤效率测试结果

由于过滤材料的主体是泡沫金属,因此材料具有良好的不燃特性,如下图和视频所示。

图5和视频:纳米纤维-泡沫金属和普通纤维材料的燃烧性能对比

小结:

本研究采用了气流辅助式静电纺丝的方法,在泡沫金属中快速深入地负载纳米纤维。这种新型的泡沫金属-纳米纤维结构能够防止长期运行中静电响应性能的下降。相较于原有静电增强泡沫金属过滤,对PM0.3的过滤效率可提升15%且效率更稳定。泡沫金属-纳米纤维材料具有良好的不燃特性,可用点燃的方式实现清理,之后重新快速制备再生。本研究将纳米纤维与防火泡沫金属相结合,从而制备高效、低阻、耐燃的空气过滤器提供了一条新的途径。这种新型过滤器可应用于建筑、车辆、地铁、工业和厨房油烟等领域。

本文pdf免费下载链接(2021年8月7日之前有效):https://authors.elsevier.com/a/1dF~e4wbrT3wVt

原文出处:https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119076