DOI:10.1021/acssuschemeng.9b06853
本文介紹了通過軟化學處理獲得的分子帶電電紡納米纖維，并將其用于捕獲顆粒物（PM）。這些PM和某些揮發性有機化合物（VOCs）不僅對人類健康而且對環境都構成了嚴重威脅。由于這些PM的濃度在東南亞國家/地區中一直在穩定增長，因此迫切需要針對這些顆粒進行防護。使用各種過濾介質（例如面罩和鼻過濾器）過濾掉污染的空氣已經成為減少暴露于PM的標準方法。在此，研究者展示了通過化學處理使聚苯乙烯（PS）和聚丙烯腈（PAN）的電紡納米纖維帶有分子電荷來去除PM和VOCs。經過化學處理的纖維可以成功捕獲300 nm的顆粒，這些被認為是最易穿透的顆粒。研究顯示，該材料去除此類顆粒的過濾效率約為93％，與未處理的纖維相比，過濾效率提高了3±1.5％。纖維在PM2.5的極端霧度條件下（約1413μg m-3）進行了1小時的測試，過濾效率約為99.01％。這些纖維還具有捕獲模型VOCs（如苯胺、甲苯、四氫呋喃和氯仿）的能力。當對PAN、PS及其經過化學處理的同類產品進行抗菌活性測試時，這些濾墊對大腸桿菌、枯草芽孢桿菌和糞腸球菌均具有殺菌作用。當前已設計了容納這些濾墊的鼻塞，可為個人防護PM提供保障。加強對殘余顆粒的去除是極其重要的，而本研究所提供的方法使得完成這項艱巨的任務成為可能。該方法的效率取決于顆粒物的帶電性質，尤其是較小尺寸的顆粒物。
圖1.（左上方）靜電紡絲技術的示意圖，纖維收集在置于滾筒收集器上的非織造纖維墊上。這些纖維捕獲了PM，以提供清潔的空氣。（右上方）放大的圖像，顯示了由于纖維上的正電荷而引起的顆粒的捕獲。（中心）進一步放大以顯示ChCl處理的PAN的分子模型。雖然顯示了正電荷和負電荷，但纖維被設計為僅具有一種優選電荷。在ChCl的球棒模型中，顏色代碼灰色代表碳、藍色代表氮和紅色代表氧。
圖2.電紡PAN（（a）裸纖維，（b）處理過的）和PS（（c）裸纖維和（d）處理過的纖維）的掃描電子顯微照片。比例尺對應于5 μm。化學功能化纖維的分子模型：（e）ChCl處理的PAN和（f）磺化的PS。在球棒模型中，碳、氧、氮和硫的顏色代碼分別為灰色、紅色、藍色和黃色。
圖3.暴露于氣相二氧化硅后纖維的掃描電子顯微鏡照片：（a）裸PAN、（b）ChCl-PAN、（c）裸PS和（d）磺化的PS。比例尺對應于50μm。
圖4.處理過的和未經處理的纖維的過濾效率比較。（a）使用纖維墊捕集煙塵顆粒的過濾裝置（左）的照片，由于引入PM2.5約1413μg m-3而產生的朦朧狀態。（插圖）PS墊的照片，圓形區域歸因于煙塵接觸60分鐘。（b）未經處理的PAN、PS和經處理的組合（PAN+PS）纖維氈在去除PM<2.5和PM10方面的過濾效率比較。（c和d）分別比較纖維的PM2.5和PM10隨時間變化的過濾效率。
圖5.煙灰沉積后纖維的掃描電子顯微照片。（a）裸PAN纖維、（b）ChCl-PAN、（c）裸PS和（d）磺化的PS纖維。比例尺對應于50 μm。圖像（i）和（ii）分別對應60和86400 s的曝光時間。
圖6.（a，b）分別通過未經處理的纖維氈和經過化學處理的不同質量的纖維氈對PM2.5和PM10的長期過濾效率。（c）過濾裝置的示意圖，將過濾器置于兩個玻璃瓶之間，其中將煙塵顆粒引入左瓶中。（d）比較未處理和處理過的濾墊的顆粒物去除效率。暴露于（e）THF、（f）苯胺、（g）甲苯和（h）氯仿1小時后，纖維墊吸收的VOC。
