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[转帖]上海交大张亚非教授：氧化石墨烯改性聚丙烯腈纳米纤维膜用于高效空气过滤（2019-05-24 15:47:41）

标签：过滤吸附 静电纺丝  

颗粒物(PM)污染已经给人们的健康带来了严重的威胁。PM2.5是空气动力直径小于2.5微米的颗粒物，是最常见的致病污染物。PM2.5污染物具有较大的表面积，含有大量的致病物质，也会提高疾病的发病率，危害全球公共健康。为了尽量减少空气污染对我们健康的负面影响，不仅要严格执行规定，而且还要准备高效率的空气过滤器。但是，目前大型空气净化设备普遍价格昂贵、能耗高、效率低。商用口罩也存在成本高、效率低的缺点，这可能是由于滤膜的缺陷。现有的空气滤清器和滤膜普遍存在滤除效率低、质量因数低、驻极体失效带来的安全隐患以及对超细颗粒的捕获效率低下等问题。因此，急需开发一种高效、低成本的空气过滤膜。

近日，上海交通大学张亚非教授课题组将氧化石墨烯(GO)粉末引入二甲基甲酰胺(DMF)与PAN溶液中，通过静电纺丝制备纳米纤维膜。制备的纳米纤维重量轻，透气性好，长期稳定，在过滤设备中具有潜在的应用前景，如口罩和纱窗，以及其他空气净化系统。纳米纤维的直径主要分布在250 nm左右，保证了较高的空气过滤效率和较高的颗粒吸附稳定性。由于氧化石墨烯薄片上有额外的官能团，PAN/GO纳米纤维对PM2.5的吸附作用可以形成协同作用。与商用口罩过滤材料和纯PAN纳米纤维相比，PAN/GO纳米纤维使用100小时后的去除率分别高出99.1%和15.1%。

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图1 (a)电纺纳米纤维的制备方案。(b)电纺丝溶液的组成。

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图2 (a)商用纤维、(b) PAN纳米纤维和(c) PAN/GO-3纳米纤维的直径分布图。(d)商品纤维，(e)PAN纳米纤维和(f) PAN/GO-3纳米纤维吸附前SEM图。(g)商业纤维、(h) PAN纳米纤维和(i) PAN/GO-3纳米纤维吸附后的SEM图像。

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图3 (a)(d)商业纤维，(b)(e) PAN纳米纤维和(c)(f) PAN/GO-3纳米纤维吸附前后的示意图。

当未经净化的空气流经商业纤维时，只有少数颗粒能撞击并吸附在薄纤维上，而几乎没有任何颗粒能附着在厚纤维上。可以认为，纤维之间存在大量的空隙间隔，粗大的纤维与PM2.5颗粒之间没有足够的有效接触，尤其是化学相互作用。大多数商用过滤器中的纤维只是对含pm2.5的空气流动起到物理屏障的作用，很少有纤维能被动吸附这些微小颗粒，导致去除效果较差。

PAN纳米纤维对PM2.5颗粒吸附不均匀，但与工业纤维相比，去除效率有明显提高。聚在纳米纤维的交联点处，在纤维的中部只有少量椭圆状。PM2.5颗粒聚集在PAN纳米纤维上的原因可能是PAN纳米纤维的腈基与PM2.5颗粒的极性表面官能团之间存在偶极矩相互作用。

对于PAN/GO纳米纤维，PM2.5均匀吸附在每一根纳米纤维上(图4c和f)，加入GO粉后，新电纺纳米纤维中亲水官能团增多，有利于PM2.5颗粒与纳米纤维的均匀结合。除了丁腈基团氧化石墨烯中的许多含氧基团表现出良好的亲水性，促进了氧化石墨烯/氧化石墨烯纳米纤维的均匀吸附。由于PM2.5一般为固体或液体气溶胶，含氧基团的亲水性有助于吸附空气中更多的水分，从而更容易吸附。

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文章来源：易丝帮