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廈門大學(xué)，最新Nature！

成果展示

空氣顆粒物污染對(duì)人類健康的不利影響，促使科研人員開發(fā)了過(guò)濾空氣中顆粒物的凈化系統(tǒng)。為了保持性能，過(guò)濾器組件不可避免地必須在某些時(shí)候更換，需要維護(hù)，涉及成本并產(chǎn)生固體廢物。在2022年9月26日，廈門大學(xué)侯旭教授（通訊作者）等人報(bào)道了他們利用選定的功能液體滲透的離子摻雜共軛聚合物涂層基質(zhì)，即電化學(xué)液體基系統(tǒng)（the electrochemical liquid-based system, ELBS），并且實(shí)現(xiàn)了高效、連續(xù)和免維護(hù)的空氣凈化。當(dāng)需要凈化的空氣以氣泡的形式通過(guò)該系統(tǒng)時(shí)，功能流體提供了用于過(guò)濾和從空氣中去除顆粒物質(zhì)和污染物分子的界面。理論建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有高效性和穩(wěn)定性：一次空氣凈化效率可以達(dá)到99.6%，容塵量可以達(dá)到950?g?m^-2。此外，該系統(tǒng)經(jīng)久耐用，耐污染和腐蝕，作為過(guò)濾器的液體可以重復(fù)使用和調(diào)整，以去除細(xì)菌或異味。作者預(yù)計(jì)該凈化方法將有助于開發(fā)可能在醫(yī)院、工廠和礦山等環(huán)境中證明有用的專業(yè)空氣凈化器。

背景介紹

在空氣污染物中，可吸入顆粒物（PM10、PM2.5和超細(xì)顆粒物等）由于體積小，可深入人體的支氣管和肺部，需要特別關(guān)注。直接有效地去除這些細(xì)顆粒依賴于使用由多層纖維或多孔材料組成的過(guò)濾器組件，并經(jīng)過(guò)表面處理，以被動(dòng)地阻止固體顆粒的運(yùn)動(dòng)或主動(dòng)捕獲過(guò)濾器表面上的污染物。然而，這些過(guò)濾器組件由于顆粒在其表面和內(nèi)部孔隙上的積聚而遭受結(jié)垢問(wèn)題，從根本上限制了這種過(guò)濾器組件的效率和使用壽命。因此，過(guò)濾器組件需要定期更換或清潔以保持最佳性能，并在凈化效率、使用壽命和維護(hù)成本之間進(jìn)行權(quán)衡。水界面具有在接觸后捕獲固體顆粒的能力，顆粒從水環(huán)境到氣泡界面的粘附被廣泛研究用于多相反應(yīng)和浮選工藝等應(yīng)用，但很少考慮相反的效果，即顆粒從氣泡內(nèi)部移動(dòng)到水界面。

圖文解讀

ELBS的原理

作者構(gòu)建了可控制微氣泡產(chǎn)生的ELBS，其凈化過(guò)程分為過(guò)濾和吸收兩步。在過(guò)濾過(guò)程中，被污染的空氣進(jìn)入系統(tǒng)后，基質(zhì)中充滿液體的孔隙充當(dāng)粗過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾過(guò)程，并分離大顆粒，而孔隙中的液體襯里防止顆粒在基質(zhì)表面積聚。在該階段，具有較小孔徑的多孔基質(zhì)將導(dǎo)致更高的凈化效率和更低的空氣流量。在吸收過(guò)程中，穿過(guò)多孔基質(zhì)的小氣載顆粒被困在微泡內(nèi)，并由于慣性繼續(xù)移動(dòng)，最終接觸氣液界面。此外，ELBS還可通過(guò)調(diào)整生成氣泡的大小來(lái)提供一系列凈化效率，以適應(yīng)不同的操作環(huán)境。使用兩種方法來(lái)控制氣泡大?。赫{(diào)整基質(zhì)的孔徑或調(diào)整基質(zhì)的潤(rùn)濕性。較小的氣泡具有較大的比表面積，導(dǎo)致氣液界面處的傳質(zhì)速率更高。在實(shí)際應(yīng)用中，可以在凈化效率、空氣流量和氣泡直徑之間進(jìn)行權(quán)衡。

圖1. ELBS的原理及空氣凈化性能

ELBS制備和過(guò)濾過(guò)程

ELBS由多孔基質(zhì)和功能液體組成。通過(guò)界面聚合法制備基質(zhì)，在不銹鋼網(wǎng)（SSM）上沉積十二烷基苯磺酸鹽（DBS^–）摻雜的聚吡咯（PPy），利用聚合時(shí)間和氧化還原電位分別控制基質(zhì)的孔徑和表面性質(zhì)。作者選擇LiClO₄溶液作為功能液體，并根據(jù)所施加的氧化還原電位通過(guò)Li⁺離子摻雜（還原過(guò)程，親水）和去摻雜（氧化過(guò)程，疏水）來(lái)可控和可逆地改變基體的界面潤(rùn)濕性。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)功能液體對(duì)基質(zhì)的親和力，在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)之間可逆地切換液體襯里基質(zhì)，可用于防止顆粒積累。

圖2. ELBS的制備及過(guò)濾工藝

吸收過(guò)程

ELBS的吸收過(guò)程分為三個(gè)步驟：氣泡形成、氣泡上升和粒子捕獲。在氣泡形成步驟中，通過(guò)改變ELBS的基質(zhì)孔徑和氧化還原狀態(tài)來(lái)控制生成的微氣泡的大小。由于更有效的氣液界面?zhèn)髻|(zhì)行為，較小的氣泡尺寸提供了更高的顆粒吸收效率。氣泡直徑D_min的下限可以由幾何關(guān)系計(jì)算為D_min=L+2R(1-cosθ)，其中氣泡的中心必須高于其接觸線的中心，L是DPM的孔徑，R是DPM的纖維半徑。在氣泡上升步驟中，顆粒被氣液界面捕獲的關(guān)鍵是它們可以在氣泡破裂之前接觸到氣液界面。

經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，大部分顆粒的停止距離大于氣泡直徑，表明顆粒在氣泡破裂前有足夠時(shí)間移動(dòng)到氣液界面。在顆粒捕獲過(guò)程中，如顆粒接觸到氣液界面，無(wú)論是疏水性顆粒還是親水性顆粒，都可以被功能液體捕獲。在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)親水性顆粒接觸氣液界面時(shí)，顆粒迅速粘附在界面上并進(jìn)入功能液體（溶液A，LiClO₄）。當(dāng)通過(guò)添加鈉DBS（SDBS）對(duì)溶液A進(jìn)行改性以形成溶液B時(shí)，親水性和疏水性顆粒都可以快速移動(dòng)到液體中。

圖3. ELBS的微泡產(chǎn)生和顆粒吸收過(guò)程

應(yīng)用與性能

ELBS可連續(xù)、可編程和自動(dòng)凈化，不受腐蝕或堵塞的影響，對(duì)于健康保護(hù)、煙氣處理和除塵等應(yīng)用具有吸引力。由于功能液體可調(diào)整，ELBS可以調(diào)整到特定凈化需求所需的性能特征，例如去除異味、有害空氣污染物等。甲醛測(cè)試表明，ELBS具有良好的去除性能。ELBS不僅可去除腐蝕性煙氣，而且具有良好的耐腐蝕性。材料表面形貌的表征表明，裸露SSM的表面被嚴(yán)重腐蝕，而來(lái)自ELBS的DPM表面幾乎保持不變，表明ELBS的防腐性能。對(duì)比商用過(guò)濾器，在危險(xiǎn)環(huán)境下運(yùn)行超過(guò)100?h后，ELBS表現(xiàn)出更好的防堵塞性能，并保持98.2%的凈化效率，施加壓力沒有明顯增加。ELBS具有99.6%的高凈化效率，容塵量達(dá)到950 g m^-2，比其他凈化系統(tǒng)高出5至10倍。

圖4. ELBS的應(yīng)用和性能

文獻(xiàn)信息

Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption.?Nature,?2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05124-y.

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05124-y.

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