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摩擦纳米发电机增强纳米纤维空气过滤器用于高效去除雾霾颗粒

近年来,由于工业化、城镇化和日益增长的化石能源的消耗,悬浮颗粒导致的空气污染变得越来越严重。这些悬浮颗粒是形成雾霾的主要原因。通常情况下,空气中的颗粒物(PM)依据粒径的大小可分为粗、细和超细颗粒(UFPs),直径分别在2.5-10 μm(PM10)、< 2.5 μm(PM2.5)和< 0.1 μm(PM0.1)内。研究表明长时间暴露于污染空气(PM2.5)之中会导致呼吸道、心血管等疾病的发生,因此如何有效去除空气中的PM备受关注。目前市场上的空气净化器主要包括静电过滤器和纤维过滤器两种。静电过滤器主要是通过高压静电场使雾霾颗粒带电并吸附沉积来净化空气。其缺点是高压电场不可避免地会击穿空气,产生副产物臭氧。臭氧对人们的健康有害,具有致癌性。而纤维过滤器,如HEPA滤网、纳米纤维滤网对尺寸大于滤网网孔的悬浮颗粒具有很好的过滤效果,但对于小于滤网网孔尺寸的颗粒,效率大幅度下降。


中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林点击查看介绍院士李从举点击查看介绍研究员(共同通讯作者)开发了一种高效旋转摩擦纳米发电机(R-TENG)增强型聚酰亚胺(PI)纳米纤维空气过滤器,用于环境气氛中PM的去除。研究人员对不同粒径的PM进行了过滤去除实验,得到了具有指导意义的实验数据。这种空气净化和雾霾处理的方法,具有零臭氧释放和低压降的优异性能。

图1. 过滤器去除空气中PM的原理和不同过滤器对PM的去除效果。(左)R-TENG增强的PI纳米纤维过滤器去除空气中PM的原理示意图;(右)不同过滤器对PM的去除效果对比图。


图2. PI纳米纤维的制造、结构与透射光谱。(a)通过静电纺丝制造PI空气过滤器的示意图;(b)(c)(d)具有不同放大倍率的PI空气纳米纤维的SEM图像;(e)静电纺丝时间为10至60分钟的PI过滤器照片;(f)不同纺丝时间对应PI纳米纤维膜的透射光谱。


图3. PM去除效率测量示意图与两种不同的过滤结构。(a)PM去除效率测量装置的示意图,插图是PI纳米纤维膜的FE-SEM图像;(b)过滤器过滤结构的示意图,无R-TENG;(c)过滤器过滤结构的示意图,有R-TENG;(d)R-TENG的整流电压示意图;(e)不同网眼大小和静电纺丝时间下,空气过滤器的PM2.5去除效率。


图4. 不同因素对PM去除效率的影响。(a)不同静电纺丝时间下,不同过滤器(是否具有R-TENG增强)的PM2.5去除效率;(b)60分钟静电纺丝时间下,不同过滤器(是否具有R-TENG增强)对不同尺寸PM的去除效率;(c)不同气体速度下,不同过滤器(是否具有R-TENG增强)PM2.5的去除效率;(d)不同气体速度下,不同纺丝时间的过滤器压降情况。


图5. 不同粒径PM在过滤器中的过滤情况与去除效率。(a)PM粒径为15-50 nm之间时,三种不同情况下(未处理、过滤器处理和R-TENG增强的过滤器处理)PM的粒度分布;(b)在PM粒径为15-50 nm之间时,不同过滤器(是否具有R-TENG增强)的去除效率对比;(c)在PM粒径为0.54-20 μm之间时,三种不同情况下(未处理、过滤器处理和R-TENG增强的过滤器处理)PM的粒度分布;(d)在PM粒径为0.54-20 μm之间时,不同过滤器(是否具有R-TENG增强)的去除效率对比,图中使用的过滤器是静电纺丝60分钟后得到的。


小结


王中林院士和李从举研究员开发了高效率的R-TENG增强型PI纳米纤维空气过滤器用于去除PM。PI静电纺丝纳米纤维膜对直径大于0.5 μm的PM颗粒具有较高的去除效率。当使用R-TENG强化时,过滤器对PM的去除效率显著提高,特别是当PM的粒径小于100 nm时,R-TENG增强型过滤器的去除效率保持在80%以上。这种具有高效去除效率的新技术为空气净化和雾霾处理提供了新的方法。这一成果近期发表在ACS Nano 上,文章的第一作者是北京纳米能源与系统研究所的博士研究生顾广钦韩昌报副研究员。


该论文作者为:Guang Qin Gu, Chang Bao Han, Cun Xin Lu, Chuan He, Tao Jiang, Zhen Liang Gao, Cong Ju Li and Zhong Lin Wang

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Triboelectric Nanogenerator Enhanced Nanofiber Air Filters for Efficient Particulate Matter Removal

ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b02321


导师介绍

王中林

http://www.x-mol.com/university/faculty/26757

李从举

http://www.x-mol.com/university/faculty/45865


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