首页 差异于N95,世界开发新式口罩过滤资料,可阻挠99%颗粒物

差异于N95,世界开发新式口罩过滤资料,可阻挠99%颗粒物

新冠肺炎疫情爆发以来,口罩作为有用隔绝新冠病毒进入人体呼吸道的屏障成为最紧缺的防疫物资之一。但实际上,在此次疫情之前,人们对口罩的需求也因环境的改动在不断增加,首要针对的是空气颗粒物污染带来的健康问题…

新冠肺炎疫情爆发以来,口罩作为有用隔绝新冠病毒进入人体呼吸道的屏障成为最紧缺的防疫物资之一。

但实际上,在此次疫情之前,人们对口罩的需求也因环境的改动在不断增加,首要针对的是空气颗粒物污染带来的健康问题。

依据空气动力学直径的巨细,咱们一般将空气颗粒物分为 PM10,PM2.5和纳米级颗粒。而空气颗粒物中所含成分很有或许包括比如过渡金属氧化物、无机盐和有机碳等对人类健康有严重影响的物质,并且空气颗粒物的悬浮时刻较长,对大众的危害较大。

这些需求带动着口罩相关的技能创新的呈现,例如市面上呈现的专门针对 PM2.5 等空气颗粒物的口罩。

为了更好地铲除空气颗粒物,科学家们正在口罩上做更多的技能改善。

图丨此次论文

来自四川大学陶国宏教授、何玲教授及其科研团队,在上一年 9 月份就开端开发一种新式自供能资料制成口罩,能够更高效地铲除空气中颗粒物,例如 PM2.5 以及难以除掉的纳米颗粒等。愈加奇特的是,该资料能够运用外加的低电压进步吸附功率,然后使得去除 PM2.5 和 PM10 的功率别离到达 99.59% 和 99.75%。4 月初,这项研讨结果以论文方法宣布在 Nature Communications 上。

关于本次研讨中的过滤资料,陶国宏解释道:“这种口罩自身资料制成滤膜运用机械过滤合适滤除较大颗粒,又加上强静电吸附合适滤除纳米颗粒,因而咱们得到比较好的滤除作用。”

值得一提的是,这项研讨在上一年就现已完结,并未针对近期爆发的新冠疫情研制,但陶国宏说到,人们佩带口罩有不同的需求,这些需求间有差异也有联络,尽管进行该研讨时没想过拿它来防治新冠病毒,但从原理上讲,新冠病毒仍是冠状病毒的一种,这一资料关于新冠病毒的过滤作用或许值得等待。

论文解析:不同于 N95,新式资料完成高效过滤

口罩的中心便是组成其滤膜的资料,它决议了过滤的方法和功率。

具体来说,本次研讨中选用的过滤资料由两部分构成——离子液体高分子与相似海绵的网状结构——网状结构供给机械支撑,也能滤除较大颗粒,而离子液体高分子则能够运用静电有用吸附纳米颗粒。

图 | a. 过滤资料制程示意图;b. 过滤资料组成及扫描电镜图;c. 滤膜净化空气示意图

其间离子液体高分子是一种奇特的资料,简略来说是具有离子液体和高分子两层特性的复合资料。离子液体,望文生义是指完全由离子组成的液体,能够作为有机反响代替溶剂,而高分子与离子液体结合之后,能够使得高分子取得带电荷的官能团,然后发展出许多非常风趣的功用,在导电、催化有机组成反响中有着杰出的运用远景。

本次研讨中的离子液体高分子由离子液体 “” 以及亲水高分子构成。

首要,它自身便是离子化的,能够直接经过静电作用对细小粒子进行吸附。

进一步研讨则发现,咱们对该资料加上外部电压,能有用进步其对纳米颗粒的吸附功率,如下图所示。

图 | 离子液体高分子资料外加电压提高纳米颗粒去除功率

除了过滤,评判口罩的一个重要目标则是运用寿命。

因而,该研讨也探讨了口罩的运用寿命,研讨团队最长进行了单个过滤设备在 21 天的纤细颗粒物接连吸附测验,吸附功率略有下降,但仍处在可接受规模。考虑人体运用傍边会存在细菌、湿气堆集等问题,实际运用天数或有削减。并且,研讨团队发现这样的过滤资料能够经过清洗并屡次运用。

图 | 过滤资料重复运用后空气颗粒物去除功率的改动趋势趋于陡峭

在专访中,陶国宏针对这项研讨的更多细节和运用价值进行了更多介绍,以下为 QA 全文:

DeepTech:为何会想到开发这样一款口罩?

陶国宏:咱们课题组长时间展开的是离子液体资料研讨,关于颗粒物防护的作业始于 2015 年,其时首要考虑的是怎么防治环境污染。关于颗粒物防护的滤膜能够用到尾气处理设备、空气净化器、口罩等多种场景,咱们剖析或许存在的问题首要有滤除功率、压降、抗菌性这几个方面。

口罩自身首要便是一种挑选透过性的膜,不能太厚,太厚不透气,呼吸阻力太大,对人的肺部是有危害的。

以现在口罩的首要工艺是运用静电吸附原理,运用一层带静电的熔喷布,加两层维护的无纺布,就到达既有好的滤除功率、又有低的压降的作用。这个工艺的确很有用,但它也有丧命问题,即熔喷布自身是中性的高分子聚合物,它的静电是经过驻极处理强制引进的,一旦口罩受了潮或沾了水,它的防护才能就急剧下降了,所以口罩的保质期都不能很长。

咱们的离子液体资料实际上能够做成离子型的高分子,它是自身就带有电荷。咱们开端的考虑便是,已然静电吸附在空气净化中起了重要作用,那咱们研讨的离子型高分子应该能够起到相似作用,公然一测验发现的确如此。

并且离子型高分子用作滤膜的话不必再进行驻极处理了,它自身便是离子化的,不存在遇到潮气损坏静电层的问题。

咱们此前作业首要处理滤除功率和压降的问题,从 2018 年开端考虑处理抗菌性问题。

这个问题是,PM2.5 属微米级,尽管有细菌也是这个粒径,但许多到达纳米级,且病毒会更小些,几十纳米的标准。熔喷布为了确保通气性,一般有几十、几百微米巨细的空地,对纳米级的颗粒滤除作用会敏捷下降,处理这个问题便是咱们展开这一作业的首要意图。

咱们开发的资料仍保存了足够多的孔隙,所以透气性很好、压下降。

但为了到达过滤纳米级污染物的作用,仍是运用了资料自身的优势,即它是离子资料,有必定的导电性。由此咱们想到运用扣子电池供给弱电流,增强静电吸附作用,这是自供能过滤设备主意的由来。

自身资料制成滤膜运用机械过滤合适滤除较大颗粒,又加上强静电吸附合适滤除纳米颗粒,因而咱们得到比较好的滤除作用。

DeepTech:文章是 2019 年 9 月成文,其时首要面向环境污染,在现在的布景下,是否关于新冠疫情或许其他呼吸道流行症的防治有积极意义?

陶国宏:尽管咱们其时没想过拿它来防治新冠病毒,但从原理上讲,新冠病毒仍是冠状病毒的一种,咱们这一资料关于新冠病毒的过滤作用是值得等待的。

当然抗菌性并不仅是把细菌病毒挡在口罩外就行的,它们有活性的话一不小心还会沾染上,所以资料自身的抑菌性也很值得研讨。咱们正好近期别的一个作业刚被 Advanced Sustainable Systems 接纳,便是运用天然产品来制备抗菌性的离子资料,能够确保透气率好、压下降,一起资料自身对大肠杆菌有按捺作用。

我个人觉得,这两个作业结合起来关于流行症的防治必定会有积极意义。

图丨黄色颗粒状为新冠病毒

DeepTech:是否有对新冠疫情做出新的研讨?

陶国宏:受疫情影响,现在研讨生都没有获准返校,课题组还没有正式复工,因而新的研讨还暂时无法展开。

针对新冠疫情,咱们在线进步行了评论,针对性的研讨还真欠好展开,究竟这个病毒传染性强,只要 P4 实验室才或许操作。

咱们后续的作业或许会将资料关于其它一些惯例型的细菌和病毒的滤除和按捺作用做进一步的研讨。

DeepTech:电池模块像是概念 / 实验室的规划,有愈加老练,愈加接近产品的规划么?

陶国宏:受工艺约束,电池模块规划只能局限于实验室阶段,愈加老练的产品规划需求专业的工程师来处理。

DeepTech:口罩的造价和价格估量为?

陶国宏:以咱们制备原资料购买价格预算,单个扣子电池口罩的制备价格为 1.5 元左右,单个太阳能电池口罩为 2.8 元左右。

除资料本钱外,口罩的本钱还触及人力本钱、设备折旧损耗本钱等等,这触及商品生产和出售环节,在咱们了解的规模以外,所以咱们关于价格暂时无法估量。

DeepTech:一个一次能运用多久?是否能重复运用?是否是运用外加电场改动吸附资料的吸附才能然后对其进行整理?

陶国宏:从实验室研讨结果来看,咱们最长进行了单个过滤设备在 21 天的纤细颗粒物接连吸附测验,吸附功率略有下降,但仍处在可接受规模。考虑人体运用傍边会存在细菌、湿气堆集等问题,实际运用天数或有削减。

关于重复运用方面,咱们对搭载在口罩上的过滤资料进行了循环吸附测验,并运用资料与吸附颗粒物在不同溶剂中的溶解度差异来进行别离和再生,再生后资料的颗粒物吸附才能仍能保存。但现在因触及运用溶剂,仅关于空气过滤的大型设备场景更为合适。

咱们一系列作业的根底是根据过滤资料自身是离子化的,这与现在常用的 N95 类口罩运用带静电的熔喷布是不一样的,所以在重复运用方面用到的工艺必定不同。

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