DOI:10.1021/acssuschemeng.9b06853
本文介绍了通过软化学处理获得的分子带电电纺纳米纤维，并将其用于捕获颗粒物（PM）。这些PM和某些挥发性有机化合物（VOCs）不仅对人类健康而且对环境都构成了严重威胁。由于这些PM的浓度在东南亚国家/地区中一直在稳定增长，因此迫切需要针对这些颗粒进行防护。使用各种过滤介质（例如面罩和鼻过滤器）过滤掉污染的空气已经成为减少暴露于PM的标准方法。在此，研究者展示了通过化学处理使聚苯乙烯（PS）和聚丙烯腈（PAN）的电纺纳米纤维带有分子电荷来去除PM和VOCs。经过化学处理的纤维可以成功捕获300 nm的颗粒，这些被认为是最易穿透的颗粒。研究显示，该材料去除此类颗粒的过滤效率约为93％，与未处理的纤维相比，过滤效率提高了3±1.5％。纤维在PM2.5的极端雾度条件下（约1413μg m-3）进行了1小时的测试，过滤效率约为99.01％。这些纤维还具有捕获模型VOCs（如苯胺、甲苯、四氢呋喃和氯仿）的能力。当对PAN、PS及其经过化学处理的同类产品进行抗菌活性测试时，这些滤垫对大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和粪肠球菌均具有杀菌作用。当前已设计了容纳这些滤垫的鼻塞，可为个人防护PM提供保障。加强对残余颗粒的去除是极其重要的，而本研究所提供的方法使得完成这项艰巨的任务成为可能。该方法的效率取决于颗粒物的带电性质，尤其是较小尺寸的颗粒物。
图1.（左上方）静电纺丝技术的示意图，纤维收集在置于滚筒收集器上的非织造纤维垫上。这些纤维捕获了PM，以提供清洁的空气。（右上方）放大的图像，显示了由于纤维上的正电荷而引起的颗粒的捕获。（中心）进一步放大以显示ChCl处理的PAN的分子模型。虽然显示了正电荷和负电荷，但纤维被设计为仅具有一种优选电荷。在ChCl的球棒模型中，颜色代码灰色代表碳、蓝色代表氮和红色代表氧。
图2.电纺PAN（（a）裸纤维，（b）处理过的）和PS（（c）裸纤维和（d）处理过的纤维）的扫描电子显微照片。比例尺对应于5 µm。化学功能化纤维的分子模型：（e）ChCl处理的PAN和（f）磺化的PS。在球棒模型中，碳、氧、氮和硫的颜色代码分别为灰色、红色、蓝色和黄色。
图3.暴露于气相二氧化硅后纤维的扫描电子显微镜照片：（a）裸PAN、（b）ChCl-PAN、（c）裸PS和（d）磺化的PS。比例尺对应于50μm。
图4.处理过的和未经处理的纤维的过滤效率比较。（a）使用纤维垫捕集烟尘颗粒的过滤装置（左）的照片，由于引入PM2.5约1413μg m-3而产生的朦胧状态。（插图）PS垫的照片，圆形区域归因于烟尘接触60分钟。（b）未经处理的PAN、PS和经处理的组合（PAN+PS）纤维毡在去除PM<2.5和PM10方面的过滤效率比较。（c和d）分别比较纤维的PM2.5和PM10随时间变化的过滤效率。
图5.烟灰沉积后纤维的扫描电子显微照片。（a）裸PAN纤维、（b）ChCl-PAN、（c）裸PS和（d）磺化的PS纤维。比例尺对应于50 µm。图像（i）和（ii）分别对应60和86400 s的曝光时间。
图6.（a，b）分别通过未经处理的纤维毡和经过化学处理的不同质量的纤维毡对PM2.5和PM10的长期过滤效率。（c）过滤装置的示意图，将过滤器置于两个玻璃瓶之间，其中将烟尘颗粒引入左瓶中。（d）比较未处理和处理过的滤垫的颗粒物去除效率。暴露于（e）THF、（f）苯胺、（g）甲苯和（h）氯仿1小时后，纤维垫吸收的VOC。
