北航吳俊濤&中國地質大學劉金剛:電紡PI-ZIF納米纖維膜捕獲PM2.5

2020-12-03 易絲幫

隨著工業的發展，空氣汙染，尤其是顆粒物汙染，已經成為一個重大的環境問題。PM2.5由於其體積小，很容易通過呼吸道，甚至滲透到血管中，因此，人類長期暴露在PM2.5汙染下會增加心血管和呼吸系統疾病的風險。PM2.5去除過濾器主要分為兩類：多孔膜過濾器和纖維過濾器，其中纖維過濾器由於其表面積大、重量輕、壓降低、合成方便，具有廣泛的應用前景。但傳統的纖維過濾器由於過濾效率低、機械性能差、熱穩定性差等不可避免的缺點，沒有得到廣泛的發展和應用。因此，開發一種綜合性能優異的新型過濾材料是過濾材料研究的長期目標。

近日，北航吳俊濤和中國地質大學劉金剛課題組首次提出利用電紡聚醯亞胺/ZIF-8 (PI-ZIF)納米纖維膜實現高效捕獲PM2.5。作者採用單噴絲頭電紡絲技術，在常壓下製備了PI-ZIF膜，並對比了ZIF-8不同負載量所得的膜過濾效率。隨著ZIF-8的加入，纖維表面變得粗糙，出現超薄纖維。PI-ZIF膜由於其比表面積的增加和ZIF-8的多功能化，可以實現高效過濾。當ZIF-8負載量為10%時，PI-ZIF膜的PM2.5過濾效率最高可達到96.6±2.9%。與PI膜相比，PI-ZIF膜的過濾效率明顯提高。作者將膜經過300°C熱處理，發現該膜仍具有良好的熱穩定性、較高的過濾效率，並保持原有的形貌結構。此外，所得膜具有壓降低、透光性好、力學性能優良等優點。因此，具有優異綜合性能的PI-ZIF膜可用於高效捕獲PM2.5，尤其適用於惡劣環境。相關研究成果以「Electrospun polyimide/metal-organic framework nanofibrous membrane with superior thermal stability for efficient PM2.5 capture」為題目發表於ACS Appl. Mater. Interfaces上。

圖1PI-ZIF納米纖維的SEM圖像(a)PI，(b)(c)PI-ZIF-10；(d)顯示PI-ZIF-10膜的透明度。

圖2(a)PI和(b)PI-ZIF膜過濾後的SEM圖像。(c)不同膜的PM2.5過濾效率。(d)真實霧霾環境中不同膜過濾後PM2.5濃度。(e)不同膜在不同氣體速度下的壓降。

圖3(a)PI和PI-ZIF膜的TG曲線。(b)PI-ZIF膜經過不同溫度熱處理1小時後的PM2.5過濾效率。PI-ZIF-10納米纖維(c)熱處理前和(d)經過1小時300°c熱處理後的SEM圖像。

圖4（a）PI/PI-ZIF膜的應力-應變曲線，(b)顯示PI-ZIF膜的硬度，(c)顯示PI-ZIF膜的柔韌性。

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