2022年8月24日，Journal of Hazardous Materials杂志（IF：14.224）在线刊登课题组博士生高轶伦的最新成果：Electrostatic Polydopamine-Interface-Mediated (e-PIM) filters with tuned surface topography and electrical properties for efficient particle capture and ozone removal (https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129821)
背景介绍
过滤是降低通风系统颗粒物污染的最主要方式之一。实现低阻力、长效、无副产物的颗粒物过滤技术对营造健康建筑环境、实现节能减排有重要意义。利用静电效应对低阻力纤维进行增效得到了广泛的关注；但其中的颗粒物捕获机制和放电产生副产物等问题仍待进一步研究解决。该工作从纤维-颗粒物界面作用力出发，尝试对颗粒物静电捕获机理进行了分析；通过对纤维界面的定向设计，提出了利用聚多巴胺(PDA)涂层介导，将无机功能性氧化锰(MnOx)原位负载于有机聚酯纤维表面的方案，开发了一种高效捕获颗粒物的静电响应过滤纤维(e-PIM filter)；对纤维表面形貌特性进行了定量表征，并对纤维材料进行了多工况下的过滤性能测试；该纤维同时具有长效臭氧去除能力。
成果介绍
(1) 电增强纤维过滤理论分析
定量计算了荷电颗粒物与电极化纤维之间的静电作用力，指出可以通过调控纤维表表面特性进一步增强颗粒物-纤维相互作用（图1）。在双区式静电增强（颗粒物荷电+过滤纤维极化）过滤装置中，过滤纤维直径、纤维间距、纤维表面粗糙度与表面电势将影响纤维局部感应电场。因此，对纤维表面特性进行调控，将提升感应电场范围与强度，从而有潜力实现低阻过滤纤维的性能增效。
(2) 聚多巴胺介导负载氧化锰
提出了利用介电聚多巴胺涂层作为“中介”，将无机氧化锰均匀负载于有机聚酯纤维表面，通过两步法液相反应制备高性能静电响应过滤纤维的设计思路。一方面，首先利用多巴胺自发聚合的无选择性，在常温下将聚多巴胺包覆于聚酯纤维表面(PDA@PET)，形成均匀介电涂层，制备了介电层负载过滤器；另一方面，进一步利用聚多巴胺涂层的还原性，将锰氧化物通过液相水热反应接枝形成粗糙纤维表面，制备粗糙表面介电过滤器(Mn-P@P)。粗糙纤维表面可以提供颗粒物容纳空间，有助于提升纤维容尘量；此外，纤维表面功能性锰氧化物可以去除静电增强装置中放电产生副产物臭氧。使用原子力显微镜定量表征纤维表面形貌特征（图2）：制备后纤维表面粗糙度显著增大，粗糙纤维表面电势有明显提升，表明该设计方案能够定量调控纤维表面特性。
(3) 过滤效率测试
测试了制备过滤纤维在颗粒物荷电、滤网极化不同工况下的过滤性能。在9kV/cm极化电场下，Mn-P@P-100过滤器对0.3–0.5μm荷电氯化钠气溶胶过滤效率可达到96.1%（不加电基材效率仅为7.9%，图4），滤速为0.5m/s时阻力仅为10.4Pa（图5）；通过施加静电效应与材料界面调控，质量因子(QF)相较基材可提升30倍以上。若考虑电源电耗，本纤维及过滤装置综合质量因子(CQF)仍处于较高水平（图6），其综合性能在已有报道工作、市售滤网中处于前列（图7）。此外，该纤维表面负载均匀牢固，水洗后可维持原有过滤效率（图8）。
(4) 去除臭氧效果
该纤维在使用过程中能够高效去除放电装置产生的臭氧。在10kV放电产生93.6ppb的上游臭氧浓度下，其一次通过初始效率可达96.8%；8小时连续实验、7×8小时间断实验表明，臭氧每8小时去除量在实验时间段内保持稳定。
成果小结
本研究从纤维-颗粒物界面作用力出发，尝试对颗粒物静电捕获机理进行了分析；通过对纤维界面的定向设计，提出了利用聚多巴胺(PDA)涂层介导，将无机功能性氧化锰(MnOx)原位负载于有机聚酯纤维表面的方案，开发了一种高效捕获颗粒物的静电响应过滤纤维(e-PIM filter)；对纤维表面形貌特性进行了定量表征，并对纤维材料进行了多工况下的过滤性能测试；该纤维同时具有长效臭氧去除能力。此外，该纤维制备反应条件温和，原料成本低廉，技术上有潜力进行大批量生产，在实际应用中具有前景。
作者介绍
该论文的第一作者为清华大学建筑技术科学系博士生高轶伦，中科院物理所田恩泽博士和清华大学建筑技术科学系莫金汉副教授是共同通讯作者。博士生高轶伦主要从事空气颗粒物净化技术、功能性过滤纤维设计制备相关研究。
本文引用格式
Gao YL, Tian EZ*, Mo JH*, Electrostatic Polydopamine-Interface-Mediated (e-PIM) filters with tuned surface topography and electrical properties for efficient particle capture and ozone removal. Journal of Hazardous Materials (IF: 14.224), 2023, 441, 129821.
该工作受到国家自然科学基金面上项目（项目号：52078269），清华大学春风基金（项目号：2020Z99CFZ025），与北京市科学技术委员会（项目号：Z191100009119007）资助，特此致谢。
原文出处：https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2022.129821
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