Instituto de Tecnología Química de Corea (KRICT) Centro de investigación de química de base biológica, Ulsan, 44429, República de Corea
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Debido a la pandemia de coronavirus y los problemas relacionados con las partículas (PM) en el aire, la demanda de máscaras ha crecido exponencialmente.Sin embargo, los filtros de mascarilla tradicionales basados en electricidad estática y nanotamiz son todos desechables, no degradables o reciclables, lo que provocará graves problemas de residuos.Además, el primero perderá su función en condiciones de humedad, mientras que el segundo funcionará con una caída significativa de la presión del aire y se producirá una obstrucción de los poros relativamente rápida.Aquí, se ha desarrollado un filtro de máscara de fibra biodegradable, a prueba de humedad, altamente transpirable y de alto rendimiento.En resumen, dos fibras ultrafinas biodegradables y esteras de nanofibras se integran en el filtro de membrana de Janus y luego se recubren con nanobigotes de quitosano cargados catiónicamente.Este filtro es tan eficiente como el filtro N95 comercial y puede eliminar el 98,3 % de PM de 2,5 µm.Las nanofibras filtran físicamente las partículas finas y las fibras ultrafinas proporcionan una diferencia de presión baja de 59 Pa, que es adecuada para la respiración humana.A diferencia de la fuerte disminución del rendimiento de los filtros comerciales N95 cuando se exponen a la humedad, la pérdida de rendimiento de este filtro es insignificante, por lo que puede usarse varias veces porque el dipolo permanente del quitosano adsorbe partículas ultrafinas (por ejemplo, nitrógeno).y óxidos de azufre).Es importante que este filtro se descomponga por completo en el suelo compostado en 4 semanas.
La actual pandemia de coronavirus sin precedentes (COVID-19) está impulsando una gran demanda de mascarillas.[1] La Organización Mundial de la Salud (OMS) estima que se necesitan 89 millones de máscaras médicas cada mes este año.[1] Los profesionales de la salud no solo necesitan máscaras N95 de alta eficiencia, sino que las máscaras de uso general para todas las personas también se han convertido en un equipo diario indispensable para la prevención de esta enfermedad infecciosa respiratoria.[1] Además, los ministerios pertinentes recomiendan enfáticamente el uso de máscaras desechables todos los días, [1] esto ha generado problemas ambientales relacionados con grandes cantidades de desechos de máscaras.
Dado que las partículas (PM) son actualmente el problema de contaminación del aire más problemático, las máscaras se han convertido en la contramedida más efectiva disponible para las personas.Las PM se dividen en PM2,5 y PM10 según el tamaño de las partículas (2,5 y 10 μm respectivamente), lo que afecta gravemente al entorno natural [2] y a la calidad de vida humana de diversas maneras.[2] Cada año, PM causa 4,2 millones de muertes y 103,1 millones de años de vida ajustados por discapacidad.[2] PM2.5 representa una amenaza particularmente grave para la salud y está designado oficialmente como carcinógeno del grupo I.[2] Por lo tanto, es oportuno e importante investigar y desarrollar un filtro de máscara eficiente en términos de permeabilidad al aire y eliminación de PM.[3]
En términos generales, los filtros de fibra tradicionales capturan PM de dos maneras diferentes: mediante tamizado físico basado en nanofibras y adsorción electrostática basada en microfibras (Figura 1a).El uso de filtros a base de nanofibras, especialmente las mallas de nanofibras electrohiladas, ha demostrado ser una estrategia eficaz para eliminar las partículas, que es el resultado de la amplia disponibilidad de materiales y la estructura controlable del producto.[3] La malla de nanofibras puede eliminar partículas del tamaño objetivo, lo que se debe a la diferencia de tamaño entre las partículas y los poros.[3] Sin embargo, las fibras a escala nanométrica deben apilarse densamente para formar poros extremadamente pequeños, que son perjudiciales para la respiración humana cómoda debido a la alta diferencia de presión asociada.Además, los pequeños agujeros inevitablemente se bloquearán con relativa rapidez.
Por otro lado, la estera de fibra ultrafina fundida por soplado se carga electrostáticamente mediante un campo eléctrico de alta energía y las partículas muy pequeñas son capturadas por adsorción electrostática.[4] Como ejemplo representativo, el respirador N95 es un respirador de máscara facial con filtro de partículas que cumple con los requisitos del Instituto Nacional de Seguridad y Salud Ocupacional porque puede filtrar al menos el 95 % de las partículas en el aire.Este tipo de filtro absorbe partículas ultrafinas, que generalmente están compuestas por sustancias aniónicas como SO42− y NO3−, a través de una fuerte atracción electrostática.Sin embargo, la carga estática en la superficie de la estera de fibra se disipa fácilmente en un ambiente húmedo, como el que se encuentra en la respiración humana húmeda, [4] lo que da como resultado una disminución en la capacidad de adsorción.
Para mejorar aún más el rendimiento de la filtración o resolver el compromiso entre la eficiencia de eliminación y la caída de presión, los filtros basados en nanofibras y microfibras se combinan con materiales de alta k, como materiales de carbono, estructuras orgánicas metálicas y nanopartículas de PTFE.[4] Sin embargo, la toxicidad biológica incierta y la disipación de carga de estos aditivos siguen siendo problemas inevitables.[4] En particular, estos dos tipos de filtros tradicionales generalmente no son degradables, por lo que eventualmente serán enterrados en vertederos o incinerados después de su uso.Por lo tanto, el desarrollo de filtros de máscara mejorados para resolver estos problemas de desechos y al mismo tiempo capturar MP de manera satisfactoria y potente es una importante necesidad actual.
Para resolver los problemas anteriores, hemos fabricado un filtro de membrana Janus integrado con esteras de microfibras y nanofibras a base de poli(succinato de butileno) (basadas en PBS)[5].El filtro de membrana de Janus está recubierto con nano bigotes de quitosano (CsWs) [5] (Figura 1b).Como todos sabemos, PBS es un polímero biodegradable representativo, que puede producir fibras ultrafinas y telas no tejidas de nanofibras mediante electrohilado.Las fibras a nanoescala atrapan físicamente la PM, mientras que las nanofibras a microescala reducen la caída de presión y actúan como un marco CsW.El quitosano es un material de base biológica que ha demostrado tener buenas propiedades biológicas, incluida la biocompatibilidad, la biodegradabilidad y una toxicidad relativamente baja, [5] que puede reducir la ansiedad asociada con la inhalación accidental de los usuarios.[5] Además, el quitosano tiene sitios catiónicos y grupos amida polares.[5] Incluso en condiciones de humedad, puede atraer partículas polares ultrafinas (como SO42- y NO3-).
Aquí, informamos sobre un filtro de máscara biodegradable, de alta eficiencia, a prueba de humedad y de baja caída de presión basado en materiales biodegradables fácilmente disponibles.Debido a la combinación de tamizado físico y adsorción electrostática, el filtro integrado de microfibra/nanofibra recubierto de CsW tiene una alta eficiencia de eliminación de PM2.5 (hasta 98 %) y, al mismo tiempo, la caída de presión máxima en el filtro más grueso es solo es 59 Pa, apto para la respiración humana.En comparación con la importante degradación del rendimiento exhibida por el filtro comercial N95, este filtro presenta una pérdida insignificante de eficiencia de eliminación de PM (<1 %) incluso cuando está completamente mojado, debido a la carga permanente de CsW.Además, nuestros filtros son completamente biodegradables en suelo compostado en 4 semanas.En comparación con otros estudios con conceptos similares, en los que la parte del filtro está compuesta de materiales biodegradables o muestra un rendimiento limitado en aplicaciones potenciales de biopolímeros no tejidos, [6] este filtro muestra directamente la biodegradabilidad de características avanzadas (película S1, información de respaldo).
Como componente del filtro de membrana Janus, primero se prepararon esteras de PBS de nanofibras y fibras superfinas.Por lo tanto, se electrohilaron soluciones de PBS al 11 % y al 12 % para producir fibras nanométricas y micrométricas, respectivamente, debido a su diferencia de viscosidad.[7] La información detallada de las características de la solución y las condiciones óptimas de electrohilado se enumeran en las tablas S1 y S2, en la información de respaldo.Dado que la fibra hilada todavía contiene solvente residual, se agrega un baño de coagulación de agua adicional a un dispositivo de electrohilado típico, como se muestra en la Figura 2a.Además, el baño de agua también puede usar el marco para recolectar la estera de fibra de PBS pura coagulada, que es diferente de la matriz sólida en el entorno tradicional (Figura 2b).[7] Los diámetros promedio de las fibras de las mallas de microfibras y nanofibras son 2,25 y 0,51 µm, respectivamente, y los diámetros promedio de los poros son 13,1 y 3,5 µm, respectivamente (Figura 2c, d).Como el solvente de cloroformo/etanol 9:1 se evapora rápidamente después de ser liberado de la boquilla, la diferencia de viscosidad entre las soluciones de 11 y 12 % en peso aumenta rápidamente (Figura S1, información de respaldo).[7] Por lo tanto, una diferencia de concentración de solo el 1% en peso puede causar un cambio significativo en el diámetro de la fibra.
Antes de verificar el rendimiento del filtro (Figura S2, información de apoyo), para comparar razonablemente varios filtros, se fabricaron telas no tejidas electrohiladas de espesor estándar, ya que el espesor es un factor importante que afecta la diferencia de presión y la eficiencia de filtración del rendimiento del filtro.Dado que los no tejidos son suaves y porosos, es difícil determinar directamente el grosor de los no tejidos electrohilados.El grosor de la tela es generalmente proporcional a la densidad de la superficie (peso por unidad de área, peso base).Por lo tanto, en este estudio, usamos el peso base (gm-2) como una medida efectiva de espesor.[8] El grosor se controla cambiando el tiempo de electrohilado, como se muestra en la Figura 2e.A medida que el tiempo de centrifugado aumenta de 1 minuto a 10 minutos, el grosor de la estera de microfibra aumenta a 0,2, 2,0, 5,2 y 9,1 gm-2, respectivamente.De la misma manera, se aumentó el espesor de la malla de nanofibras a 0,2, 1,0, 2,5 y 4,8 gm-2, respectivamente.Los tapetes de microfibras y nanofibras se designan por sus valores de espesor (gm-2) como: M0.2, M2.0, M5.2 y M9.1, y N0.2, N1.0, N2.5 y N4. 8.
La diferencia de presión de aire (ΔP) de toda la muestra es un indicador importante del rendimiento del filtro.[9] Respirar a través de un filtro con una caída de presión elevada es incómodo para el usuario.Naturalmente, se observa que la caída de presión aumenta a medida que aumenta el espesor del filtro, como se muestra en la Figura S3, información de apoyo.La malla de nanofibras (N4.8) muestra una mayor caída de presión que la malla de microfibras (M5.2) con un grosor comparable porque la malla de nanofibras tiene poros más pequeños.A medida que el aire pasa a través del filtro a una velocidad entre 0,5 y 13,2 ms-1, la caída de presión de los dos tipos diferentes de filtros aumenta gradualmente de 101 Pa a 102 Pa. El espesor debe optimizarse para equilibrar la caída de presión y la eliminación de PM eficiencia;una velocidad del aire de 1,0 ms-1 es razonable porque el tiempo que tardan los humanos en respirar por la boca es de aproximadamente 1,3 ms-1.[10] En este sentido, la caída de presión de M5.2 y N4.8 es aceptable a una velocidad del aire de 1,0 ms-1 (menos de 50 Pa) (Figura S4, información de apoyo).Tenga en cuenta que la caída de presión de las máscaras N95 y del estándar de filtro coreano similar (KF94) es de 50 a 70 Pa, respectivamente.El procesamiento adicional de CsW y la integración de filtros micro/nano pueden aumentar la resistencia del aire;por lo tanto, para proporcionar un margen de caída de presión, analizamos N2.5 y M2.0 antes de analizar M5.2 y N4.8.
A una velocidad de aire objetivo de 1,0 ms-1, se estudió la eficiencia de eliminación de PM1.0, PM2.5 y PM10 de las mallas de microfibras y nanofibras de PBS sin carga estática (Figura S5, información de respaldo).Se observa que la eficiencia de eliminación de PM generalmente aumenta con el aumento del espesor y el tamaño de PM.La eficiencia de eliminación de N2.5 es mejor que M2.0 debido a sus poros más pequeños.Las eficiencias de remoción de M2.0 para PM1.0, PM2.5 y PM10 fueron 55.5%, 64.6% y 78.8%, respectivamente, mientras que los valores similares de N2.5 fueron 71.9%, 80.1% y 89.6% (Figura 2f).Notamos que la mayor diferencia en eficiencia entre M2.0 y N2.5 es PM1.0, lo que indica que el tamizado físico de la malla de microfibra es efectivo para PM de nivel micrométrico, pero no es efectivo para PM de nivel nanométrico (Figura S6, información de apoyo)., M2.0 y N2.5 muestran una baja capacidad de captura de PM de menos del 90 %.Además, N2.5 puede ser más susceptible al polvo que M2.0, porque las partículas de polvo pueden bloquear fácilmente los poros más pequeños de N2.5.En ausencia de carga estática, el tamizado físico está limitado en su capacidad para lograr la caída de presión requerida y la eficiencia de eliminación al mismo tiempo debido a la relación de compensación entre ellos.
La adsorción electrostática es el método más utilizado para capturar PM de manera eficiente.[11] Generalmente, la carga estática se aplica a la fuerza al filtro no tejido a través de un campo eléctrico de alta energía;sin embargo, esta carga estática se disipa fácilmente en condiciones de humedad, lo que resulta en la pérdida de la capacidad de captura de MP.[4] Como material de base biológica para la filtración electrostática, introdujimos CsW de 200 nm de largo y 40 nm de ancho;debido a sus grupos amonio y grupos amida polares, estos nanobigotes contienen cargas catiónicas permanentes.La carga positiva disponible en la superficie de CsW está representada por su potencial zeta (ZP);CsW se dispersa en agua con un pH de 4,8 y se encuentra que su ZP es de +49,8 mV (Figura S7, información de apoyo).
Se prepararon microfibras (ChMs) y nanofibras (ChNs) de PBS recubiertas con CsW mediante recubrimiento por inmersión simple en una dispersión de agua de CsW al 0,2 % en peso, que es la concentración adecuada para adherir la cantidad máxima de CsW a la superficie de las fibras de PBS, como se muestra en la figura. figura Se muestra en la Figura 3a y la Figura S8, información de apoyo.La imagen de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía de nitrógeno (EDS) muestra que la superficie de la fibra de PBS está recubierta uniformemente con partículas de CsW, lo que también es evidente en la imagen del microscopio electrónico de barrido (SEM) (Figura 3b; Figura S9, información de apoyo) .Además, este método de recubrimiento This permite que los nanomateriales cargados envuelvan finamente la superficie de la fibra, lo que maximiza la capacidad de eliminación de partículas electrostáticas (Figura S10, información de respaldo).
Se estudió la eficiencia de eliminación de PM de ChM y ChN (Figura 3c).M2.0 y N2.5 se recubrieron con CsW para producir ChM2.0 y ChN2.5, respectivamente.Las eficiencias de eliminación de ChM2.0 para PM1.0, PM2.5 y PM10 fueron 70,1 %, 78,8 % y 86,3 %, respectivamente, mientras que los valores similares de ChN2.5 fueron 77,0 %, 87,7 % y 94,6 %, respectivamente.El recubrimiento de CsW mejora en gran medida la eficiencia de eliminación de M2.0 y N2.5, y el efecto observado para partículas ligeramente más pequeñas es más significativo.En particular, los nanobigotes de quitosano aumentaron la eficiencia de eliminación de PM0.5 y PM1.0 de M2.0 en un 15 % y un 13 %, respectivamente (Figura S11, información de respaldo).Aunque M2.0 es difícil de excluir el PM1.0 más pequeño debido a su espaciado de fibrillas relativamente amplio (Figura 2c), ChM2.0 adsorbe PM1.0 porque los cationes y amidas en CsWs pasan a través de ion-ion, acoplando la interacción Polo-ion , e interacción dipolo-dipolo con el polvo.Debido a su recubrimiento CsW, la eficiencia de eliminación de PM de ChM2.0 y ChN2.5 es tan alta como la de M5.2 y N4.8 más gruesos (Tabla S3, información de respaldo).
Curiosamente, aunque la eficiencia de eliminación de PM mejora considerablemente, el recubrimiento de CsW apenas afecta la caída de presión.La caída de presión de ChM2.0 y ChN2.5 aumentó ligeramente a 15 y 23 Pa, casi la mitad del aumento observado para M5.2 y N4.8 (Figura 3d; Tabla S3, información de respaldo).Por lo tanto, el recubrimiento con materiales de base biológica es un método adecuado para cumplir con los requisitos de rendimiento de dos filtros básicos;es decir, la eficiencia de eliminación de PM y la diferencia de presión de aire, que son mutuamente excluyentes.Sin embargo, la eficiencia de eliminación de PM1.0 y PM2.5 de ChM2.0 y ChN2.5 es inferior al 90%;obviamente, este rendimiento debe mejorarse.
Un sistema de filtración integrado compuesto por múltiples membranas con diámetros de fibra y tamaños de poro que cambian gradualmente puede resolver los problemas anteriores [12].El filtro de aire integrado tiene las ventajas de dos nanofibras diferentes y redes de fibra superfina.En este sentido, ChM y ChN simplemente se apilan para producir filtros integrados (Int-MN).Por ejemplo, Int-MN4.5 se prepara usando ChM2.0 y ChN2.5, y su rendimiento se compara con ChN4.8 y ChM5.2 que tienen densidades de área similares (es decir, grosor).En el experimento de eficiencia de eliminación de PM, el lado de la fibra ultrafina de Int-MN4.5 quedó expuesto en la habitación polvorienta porque el lado de la fibra ultrafina era más resistente a la obstrucción que el lado de las nanofibras.Como se muestra en la Figura 4a, Int-MN4.5 muestra una mejor eficiencia de eliminación de PM y diferencia de presión que dos filtros de un solo componente, con una caída de presión de 37 Pa, que es similar a ChM5.2 y mucho más baja que ChM5.2 ChN4.8. Además, la eficiencia de eliminación de PM1.0 de Int-MN4.5 es del 91 % (Figura 4b).Por otro lado, ChM5.2 no mostró una eficiencia de eliminación de PM1.0 tan alta porque sus poros son más grandes que los de Int-MN4.5.
Hora de publicación: 03-nov-2021
