Small:静电增强空气中颗粒物的超低阻、高效滤除

室内外颗粒物污染严峻,严重影响人民健康和生产生活,已成为社会关注的重要问题。在通风系统中使用过滤器是减轻室内颗粒物污染的有效手段,但通风过滤技术的瓶颈问题是:高过滤效率、低阻力、大容尘量难以兼得。因此发展兼顾上述三者的空气颗粒物过滤技术,对健康建筑环境营造和节能减排都具有重要意义。

现有研究的主要思路是围绕纳米材料等高成本、高级材料制备方法来提升过滤性能,本研究思路则绕开这一限制,基于低成本的粗效过滤材料,采用可大规模量产的清洁无污染方法对其进行改造,通过增强材料表面的静电响应能力和保持颗粒物的能力,增大纤维与颗粒物之间的作用力,在不明显增加阻力的情况下显著提高过滤效率,从而解决通风过滤的应用需求。

最近,美国麻省理工学院李巨教授课题组、清华大学莫金汉副教授课题组合作,利用多巴胺的自组装效应,对低成本的粗效纤维表面进行电学特性和微结构的双调控,实现了粗效纤维的过滤效率突破:在迎面风速为0.4 m/s时,对0.3 μm颗粒物高达99.48%,且阻力低至9.5 Pa。该研究被选为Small期刊的Inside back cover。

该研究发展了一种静电增强颗粒物过滤装置(EAA,如上图),通过电晕放电预荷电颗粒物,并通过平行电极极化粗效纤维过滤材料,增加颗粒物和纤维之间的静电作用力,实现颗粒物的高效率、低阻力、大容尘量去除。负载聚多巴胺(PDA)和不负载PDA的普通市售PET过滤材料,以及市售通风过滤器相比,减阻显著:

研究中,通过在PET粗效过滤纤维上原位负载PDA,调控过滤纤维表面的电学特性和微结构(如下图),使得过滤纤维对极化电场具有更强的静电响应能力和颗粒物保持能力,可以从空气中选择性地捕获和锁定荷电颗粒物,而不增加对气体分子流动的阻碍,实现在不明显增加阻力的情况下显著提高过滤效率。

除了初始性能优异,该EAA PDA-140@PET过滤装置在长达30天,每天运行8小时的长期工况中表现出稳定的高过滤效率(对0.3、0.5和1 μm颗粒物的平均过滤效率分别为 98.63%、99.04% 和 99.83%)。EAA PDA-200@PET在30天内集尘量达到173.9 g/m2(如下图),与过滤材料自重 (187.9 g/m2)相当,从而可以有效解决通风过滤的实际应用需求。

该研究还详细阐述了EAA装置的设计原则和过滤材料选择标准(如下图):依据单极子捕获距离RMC将EAA粗效过滤的机制分为三个阶段。其中RMC取决于颗粒物荷电量qp、极化电压U2、和纤维材料的介电/热电/异质性等,较大的RMC意味着颗粒能够经过较大的孔径(以较低的空气阻力)被纤维捕获。当颗粒到达纤维表面后,具备抗静电性能、强附着力和粗糙表面的过滤纤维将颗粒物牢固粘附,实现长期稳定高效率和大容尘量过滤颗粒物。

作者简介

田恩泽,清华大学-麻省理工学院联合培养博士生,致力于发展具有静电响应的超低阻过滤技术。已以第一作者发表国际期刊论文7篇,SCI他引220余次。

莫金汉,清华大学长聘副教授,博士生导师。课题组研究方向为室内空气净化技术,室内空气污染测评技术和室内污染暴露与健康关系等。已发表论文80余篇,被引3000余次,h因子27。课题组链接:https://jmo-lab.net

徐桂银,麻省理工学院博士后。研究方向为功能纤维与隔膜材料在绿色能源与环境修复中应用。获首届工信部创新创业奖等荣誉。

李巨(Ju Li,美国麻省理工学院终身教授。入选美国物理学会(APS)、材料研究学会(MRS)、美国科学促进会(AAAS)会士等,并入选汤森路透/科睿唯安全球高被引科学家及Webometrics h>100名单。

论文信息:

Ultralow resistance two-stage electrostatically assisted air filtration by polydopamine coated PET coarse filter

Enze Tian, Qipeng Yu, Yilun Gao, Hua Wang, Chao Wang, Yinping Zhang, Baohua Li, Meifang Zhu, Jinhan Mo*, Guiyin Xu*, Ju Li*

Small

DOI: 10.1002/smll.202102051

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202102051