納米纖維氣凝膠:下一代高性能過濾器

眾所周知,納米纖維膜由於具有小孔徑和高比表面積,具有很好的顆粒物過濾性能,被用作很多防霾神器的過濾層。不過,在使用一段時間後這種納米纖維膜不可避免會出現較大壓降。一些科學傢將多個納米纖維膜層疊在一起制備出瞭3D的過濾介質,獲得瞭更高的過濾效率,然而其依然存在隨使用時間的增長,過濾效率和壓降降低的問題。

近日,來自蘇黎世應用科學大學等機構的研究人員發表瞭一項研究成果,他們利用靜電紡絲法制備瞭納米纖維,並用其制備成瞭納米纖維氣凝膠,並可以有效控制其孔隙率和微觀結構,將其用作過濾器,發現其具有很高的過濾效率,且在高過濾速度時不會顯著降低過濾效率。

據該研究論文,這種3D納米纖維氣凝膠的制備過程如下:

首先是納米纖維膜的制備。通過將4g Pul和6g PVA溶解在90g水中來制備復合Pul/PVA復合納米纖維。使用靜電紡絲機對溶液進行靜電紡絲。納米纖維被圓柱形電極和16cm的收集器紡成80kV高壓的納米纖維膜。在靜電紡絲過程中,溫度和濕度分別為26±3°C和26±4%RH。 最終可以獲得直徑為240±55nm的均勻納米纖維。

納米纖維氣凝膠:下一代高性能過濾器

納米纖維氣凝膠制備的主要步驟

隨後制備納米纖維氣凝膠。對於熱交聯後表觀密度為48.91mg/mL,孔隙率為96.64%的納米纖維氣凝膠的制備過程如下:將10mg先前制備的納米纖維膜切成約1×1cm2的小塊,並分散在100mL 1,4-二惡烷中。將納米纖維膜片進一步切割,並通過勻漿器在13000rpm下分散20分鐘以獲得纖維長度分佈為48.8±30μm的納米纖維。隨後將均勻分散的纖維倒入模具中,抽真空並以特定速率冷凍。然後將冷凍的固體冷凍幹燥48小時得到納米纖維氣凝膠。最終將原始納米纖維氣凝膠在180℃下熱交聯40分鐘。通過控制冷凍條件可以制備不同孔徑的納米纖維氣凝膠。

納米纖維氣凝膠:下一代高性能過濾器

研究人員提出的不同過濾介質的過濾機理示意圖

研究人員研究瞭不同過濾器的過濾性能特征和機理,他們認為不同介質過濾的機理不同,對於單獨的納米纖維主要以擴散、攔截、妨礙來捕獲顆粒,而納米纖維膜過濾時粒子的擴算速度很短,在高粒子負荷下會在主要孔隙中很快形成濾餅。納米纖維氣凝膠過濾則與前兩者不同,其通過二級孔徑獲得瞭很大的擴散通道,表現為錯流過濾的形式,能夠有效降低壓降和增加容塵量。

進一步研究人員發現,通過調整納米纖維氣凝膠的孔隙率,可以將滲透顆粒數量減少1000倍。他們通過在納米纖維氣凝膠中引入分層開孔結構,粒子的擴散速度不再成為過濾器過濾效率的限制因素,因此可以在很高的面速度下穩定工作,當面速度增加到6cm/s時,過濾效率仍能保持在10的高因子范圍。

氣凝膠用於過濾的場景並不新鮮,但是來自歐洲的這些科學傢們對其過濾機理全面的研究值得稱道,並且該團隊獲得瞭具有商業應用級別過濾性能的納米纖維氣凝膠,有望推進其在工業領域的廣泛應用,堪稱下一代高性能過濾器。

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