PAN transparente:TiO2 y PAN-co-PMA:Membranas compuestas de nanofibras de TiO2 con alta eficiencia en la filtración de contaminantes de materia particulada

Resultados y discusión

Estructura y composición de la membrana de nanofibras

Las típicas membranas compuestas de nanofibras de las imágenes ópticas de 2 capas, 3 capas y sus imágenes SEM se muestran en la Fig. 1a – d, respectivamente. La membrana de nanofibras y el soporte de la tela no tejida de PP se estratificaron, pero la fuerza de unión fue fuerte, porque la electricidad estática se acumula entre la tela no tejida de PP y la membrana de nanofibras durante el proceso de electrohilado. Por ejemplo, vimos las capas de nanofibra y PP no tejido claramente en el PAN de 2 capas:TiO ₂ membrana de nanofibras (Fig. 1a), y la vista superior de la membrana de nanofibras mostraba estructuras de microfibras y nanofibras de PP, obviamente, como se muestra en la Fig. 1b. La estructura de fabricación de una capa de 3 fue similar. Observamos estructura de 3 capas (PP no tejido, nanofibras y PP no tejido) y la primera capa de nanofibras se entrelazó con el soporte de tejido no tejido en el SEM del PAN:TiO ₂ membrana de nanofibras, como se muestra en la Fig. 1b, d.

Morfología de PAN:TiO ₂ y PAN-co-PMA:TiO ₂ Membrana de nanofibras compuesta con filtro de aire no tejido PP (capas):fotografía óptica de membranas de nanofibras de 2 capas ( a ) y 3 capas ( c ) y sus vistas superiores ampliadas ( c , d ), respectivamente

Para sintetizar las membranas de nanofibras diseñadas, hemos desarrollado y optimizado aún más el enfoque ajustando los parámetros de electrohilado, como el tiempo de giro, la distancia de recepción, la temperatura y la humedad, el voltaje, la velocidad transversal y la velocidad de rotación del rodillo receptor. En el proceso de síntesis, encontramos que el tiempo de hilado controlaba el grosor de las membranas de nanofibras, si manteníamos sin cambios otros parámetros de electrohilado. El menor tiempo de hilado produjo membranas de nanofibras más delgadas. Producimos un grosor diferente de membranas de nanofibras usando diferentes tiempos de hilado, como se muestra en la Fig. 2. A partir de las imágenes de tiempos de hilado cortos como 15, 30 y 45 min, el esqueleto de PP no tejido se observó claramente en la membrana de nanofibras ( Fig. 2a-c). A medida que aumentaba el tiempo de hilado a 1 y 2 h, el esqueleto no tejido de PP se volvió poco claro y borroso gradualmente, como se muestra en la Fig. 2d, e, respectivamente. Finalmente, la visibilidad del esqueleto de la tela no tejida apenas se observó, cuando el tiempo de hilado era tan largo como 4, 6 y 8 h (Fig. 2f – h).

Morfología de PAN:TiO ₂ membranas de nanofibras con diferentes tiempos de centrifugado (diferentes espesores): a 15 min, b 30 min, c 45 min, d 1 h, e 2 h, f 4 h, g 6 hy h 8 h

En el SEM y TEM de PAN:TiO ₂ Membrana de nanofibras, la de 3 capas muestra la estructura transversal en las membranas de nanofibras y la capa de nanofibras unida al soporte de tela no tejida (Archivo adicional 1:Figura S1 en los datos de respaldo). Las nanofibras tienen TiO ₂ prominente nanopartículas en la superficie, que se pueden observar claramente en el TEM imagine (Archivo adicional 1:Figura S1C). EDS, XRD y FTIR identificaron que TiO ₂ Las nanopartículas se ubicaron en la superficie y el interior de las nanofibras en las formas anatasa (Archivo adicional 1:Figura S2-4 en los datos de respaldo).

En las membranas PAN, el diámetro de la fibra osciló entre 100 y 400 nm (promedio de 237 nm) y el peso molecular promedio fue de alrededor de 100.000 Da. En la membrana PAN-Co-PMA, el diámetro de la fibra era de 400 ~ 800 nm (promedio de 678 nm) y un peso molecular promedio de 150.000. Debido a la diferencia de peso molecular, se observó claramente que los diámetros promedio y rangos entre el PAN:TiO ₂ y PAN-Co-MA:TiO ₂ Las membranas de nanofibras son ciertamente diferentes, como se muestra en la Fig. 3a, b. El tamaño del diámetro de la fibra influye en el tamaño de los poros y la permeabilidad al aire de la membrana de nanofibras, además de la eficiencia de filtración de partículas y la caída de presión de la membrana de nanofibras, como se muestra en la Fig. 3c. Debido al diámetro de fibra más pequeño, el tamaño de poro de PAN:TiO ₂ las membranas de nanofibras eran más pequeñas que PAN-co-PMA:TiO ₂ membranas de nanofibras. En comparación con el grosor de la membrana, el diámetro de la nanofibra tuvo una mayor influencia en el tamaño de los poros de la membrana. Aunque el espesor tuvo un fuerte efecto en el tamaño de los poros de la membrana de nanofibras (tiempo de hilado en 1 h), solo cambió ligeramente el diámetro de poro, después de que el espesor alcanzó un punto crítico (el tiempo de hilado superior a 2 h), como se muestra en Figura 3c. Fue similar a la permeabilidad al aire de la membrana de nanofibras, y la permeabilidad al aire disminuyó con el tiempo de hilado más largo (membrana más gruesa), y las membranas alcanzaron una meseta, cuando el tiempo de hilado fue de 2 h. La permeabilidad al aire de PAN:TiO ₂ las membranas de nanofibras eran mucho más bajas que las de PAN-co-PMA:TiO ₂ cuando se electrohila durante 2 a 10 h. Sin embargo, la variación de la permeabilidad al aire de PAN-co-PMA:TiO ₂ las membranas de nanofibras (32-35 mm / s) eran más altas que PAN:TiO ₂ membranas de nanofibras (6–10 mm / s). Probablemente se debió al PAN:TiO ₂ La membrana de nanofibras (diámetro más pequeño) se deposita densamente bajo duraciones de hilado similares en comparación con el PAN-co-MA:TiO ₂ nanofibras. Por lo tanto, el diámetro más pequeño de la nanofibra y el tamaño de los poros de la membrana de nanofibras experimentaron una disminución del flujo, lo que provocó una baja permeabilidad al aire. Archivo adicional 1:Figura S5.

Distribución de diámetro de diferentes tipos de PAN (3% TiO ₂ ) nanofibras:( a ) PAN:TiO ₂ , ( b ) PAN-co-PMA:TiO ₂ y ( c ) tamaño de poro promedio y permeabilidad de PAN:TiO ₂ y PAN-co-PMA:TiO ₂ membranas de nanofibras

Aplicaciones para la purificación de partículas

La eficiencia de la filtración de aerosoles y la caída de presión de PAN:TiO ₂ y PAN-co-PMA:TiO ₂ Se estudiaron las membranas de nanofibras. Para ambas membranas de nanofibras, a medida que el tiempo de centrifugado aumentó de 15 min a 2 h, la eficiencia de filtración de aerosol aumentó bruscamente de tan solo ~ 20 a 97% y 50% para PAN-co-PMA:TiO ₂ y ~ 50 a 99% para PAN:TiO ₂ , respectivamente (en la Fig. 4a). La eficiencia de filtración de ambas membranas de nanofibras fue cercana al 100% si el tiempo de centrifugado era superior a 3 h. Mientras tanto, la caída de presión aumentó con un mayor tiempo de centrifugado (aumento de espesor). En el estudio, PAN:TiO ₂ La membrana de nanofibras aumentó de forma continua y rápida a 600 Pa, cuando el tiempo de centrifugado era superior a 3 h, incluso llegó a 1000 Pa (tiempo de centrifugado superior a 8 h). Sin embargo, el PAN-co-PMA:TiO ₂ La membrana de nanofibras aumentó mucho más lentamente y mantuvo la caída de presión alrededor de 200. En comparación con el PAN-co-PMA:TiO ₂ membrana de nanofibras, PAN:TiO ₂ La membrana tenía un diámetro y un tamaño de poro más pequeños y la membrana bloqueaba las partículas de aerosol. Al mismo tiempo, el tamaño de poro más pequeño provocó la permeabilidad del aire limitada y la caída de presión más alta para mantener el flujo de gas.

PAN:TiO2 y PAN-co-PMA:eficiencia de filtración de membranas de nanofibras de TiO2 con ( a ) caída de presión de aerosoles ( a ) y tamaño de partícula ( b , c ); y la capacidad de eliminación de ( d ) PAN:TiO2 y ( e ) PAN-co-PMA:membrana de nanofibras de TiO2 en prueba de aire contaminado simulado

En el estudio de eficiencia de filtración para partículas de diferentes tamaños, generamos aire contaminado simulado en días brumosos al quemar cigarrillos y contenía CO, CO ₂ , NO ₂ y compuestos orgánicos volátiles, como alquitrán, nicotina, formaldehído y benceno. En el sistema modelo estudiado, encontramos que el espesor (tiempo de giro) de la membrana de nanofibras tuvo un fuerte efecto en la eficiencia de filtración. Por ejemplo, la eficiencia de filtración de PAN:TiO ₂ La membrana de nanofibras era superior al 90% si el tiempo de centrifugado era superior a 45 min, o cercano al 100%, si el tiempo de centrifugado era superior a 2 h) para todas las partículas probadas con un diámetro de 0,3 a 3 μm, como se muestra en la Figura 4b. Comparado con PAN:TiO ₂ membrana de nanofibras, la eficiencia de filtración general de PAN-co-PMA:TiO ₂ La membrana de nanofibras era menor si el tiempo de centrifugado era inferior a 3 h. La eficiencia de filtración también fue cercana al 100% para todas las partículas probadas, si el tiempo de centrifugado fue mayor de 4 h en nuestro estudio (Fig. 4c). Los resultados de la eficiencia de filtración para ambas membranas de nanofibras fueron similares a los resultados de los aerosoles. El gran diámetro de la fibra provocó la gran porosidad entre las fibras, aumentando la posibilidad de que pasen partículas. La eficiencia de filtración en materia particulada alcanzó una meseta cuando el espesor de la membrana alcanzó un cierto nivel.

Además, estudiamos el proceso de eliminación de PM2.5 de PAN:TiO ₂ y PAN-co-PMA:TiO ₂ membranas de nanofibras durante 2 h, y las pruebas de campo se realizaron en un ³ de 1 m Cámara de ambiente de aire contaminado real. Se diseñó el sistema modelo de la cámara de aire (que se muestra en el archivo adicional 1:Figura S6) y la concentración inicial de PM2.5 fue de 1 mg / m ³ . Usamos membranas compuestas de nanofibras circulares para la filtración de PM2.5 y las partículas de PM2.5 en la cámara de aire se registraron cada minuto en un total de 120 minutos. El resultado de dos membranas de nanofibras se muestra en la Fig. 4d, e. PAN-co-PMA:TiO ₂ las membranas de nanofibras eliminaron todas las PM2.5 en 120 min, y las más delgadas (tiempo de centrifugado ≤ 2 h) redujeron completamente las PM2.5 en 50 min, y las membranas con un tiempo de electrohilado de 0.25 hy 0.5 h incluso filtraron todas las PM2.5 en aproximadamente 20 min . PAN:TiO ₂ las membranas de nanofibras tuvieron una mejor eliminación de PM2.5 en las pruebas, y las membranas (tiempo de electrohilado> 4 h) no pudieron reducir las PM2.5 en 2 h, como se muestra en la Fig. 4e. Generalmente, PAN-co-PMA:TiO ₂ La membrana de nanofibras tuvo una mayor eliminación de PM2.5 que la de PAN:TiO ₂ membrana de nanofibras.