DOI:10.1016/j.seppur.2019.116377
空氣中超細顆粒物（PM）的存在是最危險的環境問題之一，對人類健康構成嚴重的威脅。因此迫切需要設計和開發經濟、節能的空氣過濾器，以通過簡便的方法去除PM。電紡納米纖維膜由于具有超細的納米纖維，可以獲得較高的去除效率，而被用于PM過濾。但是，它們增強的顆粒去除效率是以高壓降為代價的。在這項工作中，通過優化靜電紡絲過程中的電紡絲聚丙烯腈（PAN）濃度和環境濕度條件，成功地制備了沿納米纖維軸具有納米珠的多孔串珠式過濾器。在靜電紡絲過程中，聚合物濃度和濕度的共同作用可以使噴絲板射流的排斥力和收縮力達到不平衡狀態，從而產生一個具有理想串珠形態的過濾器。納米顆粒能夠降低過濾器的堆積密度和壓降，而超細納米纖維則保證了PM的去除效率。此外，還系統地研究了納米纖維直徑、氣流速度和納米顆粒密度對平均粒徑為300nm的NaCl固體和石蠟油氣溶膠過濾效率和壓降的影響。借助于串珠式結構，在4.2cm/s的氣流速度下，當低壓降為27pa時，原PAN過濾器的效率可以達到99%以上。這項工作表明，通過調整聚合物濃度和環境濕度，電紡過濾器從納米纖維結構轉變為串珠狀結構，足以產生效率高、氣流阻力小的過濾介質用于空氣過濾，且易于實現規模化，因為不需要特殊設備和昂貴的化學物品。
圖1.自動過濾試驗機方案。
圖2.不同濕度下使用11 wt%PAN溶液的電紡PAN納米纖維過濾器的表面形貌及其各自的納米纖維直徑分布：（A）相對濕度為30%時為#P11-3；（B）相對濕度為40%時為#P11-4；（C）相對濕度為50%時為#P11-5；（D）相對濕度為60%時為#P11-6。
圖3.不同濕度下電紡8wt%聚丙烯腈溶液制備的電紡聚丙烯腈過濾器的表面形貌及其直徑分布：（A）相對濕度為30%時的#P8-3；（B）相對濕度為40%時的#P8-4；（C）相對濕度為50%時的#P8-5；（D）相對濕度為60%時的#P8-6。
圖4.8%和5%聚丙烯腈溶液在不同濕度下電紡聚丙烯腈過濾器的表面形貌及其各自的直徑分布：（A）相對濕度為30%時為#P8/5-3；（B）相對濕度為40%時為#P8/5-4；（C）相對濕度為50%時為#P8/5-5；（D）相對濕度為60%時為#P8/5-6。
圖5.通過靜電紡絲8%和5%聚丙烯腈溶液制備的聚丙烯腈空氣過濾器的納米顆粒密度。
圖6.當上游空氣中含有平均直徑為300nm的NaCl固體或石蠟油氣霧劑時，在不同的氣流速度下，電紡11wt%PAN溶液得到的空氣過濾器的去除效率和壓降為：（A）#P11-3；（B）#P11-4；（C）#P11-5；（D）#P11-6。
圖7.當上游空氣中含有平均直徑為300nm的NaCl固體或石蠟油氣霧劑時，在不同的氣流速度下，電紡8wt%PAN溶液制備的空氣過濾器的去除效率和壓降為：（A）#P8-3；（B）#P8-4；（C）#P8-5；（D）#P8-6。
圖8.在不同的氣流速度下，同時電紡5wt%和8wt%聚丙烯腈溶液制備的空氣過濾器的去除效率和壓降：（A）#P8/5-3；（B）#P8/5-4；（C）#P8/5-5；（D）#P8/5-6。
圖9.通過（A）納米纖維和（B）串珠過濾器進行空氣過濾的示意圖；（C）空氣中PMs通過單個納米纖維的攔截機理，插入的FESEM圖像顯示了捕獲NaCl固體PM（頂部）和石蠟油PM（底部）后納米纖維的表面形貌。
圖10.通過在不同氣流速度下電紡不同PAN溶液開發的PAN過濾器的QFs：通過電紡11 wt%PAN溶液開發的過濾器（A:處理NaCl固體氣溶膠，B:處理石蠟油氣溶膠），8 wt%PAN溶液（C:處理NaCl固體氣溶膠，D:處理石蠟油氣溶膠），5 wt%和8 wt%PAN溶液（E:處理NaCl固體氣溶膠，F:處理石蠟油氣溶膠）。
圖11.（A）30個循環中的串珠式過濾器的過濾效率；（B）串珠式過濾器與文獻中報道的其他過濾器和商業過濾器的比較圖；（C）展示過濾器以阻止室外（右瓶）的煙氣PM進入室內環境（左瓶）；（D）在這項工作中開發的扭曲、拉伸和大型過濾器的圖像。
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