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成果展示

空氣顆粒物污染對人類健康的不利影響，促使科研人員開發(fā)了過濾空氣中顆粒物的凈化系統(tǒng)。為了保持性能，過濾器組件不可避免地必須在某些時候更換，需要維護，涉及成本并產(chǎn)生固體廢物。在2022年9月26日，廈門大學侯旭教授（通訊作者）等人報道了他們利用選定的功能液體滲透的離子摻雜共軛聚合物涂層基質，即電化學液體基系統(tǒng)（the electrochemical liquid-based system, ELBS），并且實現(xiàn)了高效、連續(xù)和免維護的空氣凈化。當需要凈化的空氣以氣泡的形式通過該系統(tǒng)時，功能流體提供了用于過濾和從空氣中去除顆粒物質和污染物分子的界面。理論建模和實驗結果表明，該系統(tǒng)具有高效性和穩(wěn)定性：一次空氣凈化效率可以達到99.6%，容塵量可以達到950?g?m^-2。此外，該系統(tǒng)經(jīng)久耐用，耐污染和腐蝕，作為過濾器的液體可以重復使用和調整，以去除細菌或異味。作者預計該凈化方法將有助于開發(fā)可能在醫(yī)院、工廠和礦山等環(huán)境中證明有用的專業(yè)空氣凈化器。

背景介紹

在空氣污染物中，可吸入顆粒物（PM10、PM2.5和超細顆粒物等）由于體積小，可深入人體的支氣管和肺部，需要特別關注。直接有效地去除這些細顆粒依賴于使用由多層纖維或多孔材料組成的過濾器組件，并經(jīng)過表面處理，以被動地阻止固體顆粒的運動或主動捕獲過濾器表面上的污染物。然而，這些過濾器組件由于顆粒在其表面和內部孔隙上的積聚而遭受結垢問題，從根本上限制了這種過濾器組件的效率和使用壽命。因此，過濾器組件需要定期更換或清潔以保持最佳性能，并在凈化效率、使用壽命和維護成本之間進行權衡。水界面具有在接觸后捕獲固體顆粒的能力，顆粒從水環(huán)境到氣泡界面的粘附被廣泛研究用于多相反應和浮選工藝等應用，但很少考慮相反的效果，即顆粒從氣泡內部移動到水界面。

圖文解讀

ELBS的原理

作者構建了可控制微氣泡產(chǎn)生的ELBS，其凈化過程分為過濾和吸收兩步。在過濾過程中，被污染的空氣進入系統(tǒng)后，基質中充滿液體的孔隙充當粗過濾器進行過濾過程，并分離大顆粒，而孔隙中的液體襯里防止顆粒在基質表面積聚。在該階段，具有較小孔徑的多孔基質將導致更高的凈化效率和更低的空氣流量。在吸收過程中，穿過多孔基質的小氣載顆粒被困在微泡內，并由于慣性繼續(xù)移動，最終接觸氣液界面。此外，ELBS還可通過調整生成氣泡的大小來提供一系列凈化效率，以適應不同的操作環(huán)境。使用兩種方法來控制氣泡大?。赫{整基質的孔徑或調整基質的潤濕性。較小的氣泡具有較大的比表面積，導致氣液界面處的傳質速率更高。在實際應用中，可以在凈化效率、空氣流量和氣泡直徑之間進行權衡。

圖1. ELBS的原理及空氣凈化性能

ELBS制備和過濾過程

ELBS由多孔基質和功能液體組成。通過界面聚合法制備基質，在不銹鋼網(wǎng)（SSM）上沉積十二烷基苯磺酸鹽（DBS^–）摻雜的聚吡咯（PPy），利用聚合時間和氧化還原電位分別控制基質的孔徑和表面性質。作者選擇LiClO₄溶液作為功能液體，并根據(jù)所施加的氧化還原電位通過Li⁺離子摻雜（還原過程，親水）和去摻雜（氧化過程，疏水）來可控和可逆地改變基體的界面潤濕性。結果表明，通過調節(jié)功能液體對基質的親和力，在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)之間可逆地切換液體襯里基質，可用于防止顆粒積累。

圖2. ELBS的制備及過濾工藝

吸收過程

ELBS的吸收過程分為三個步驟：氣泡形成、氣泡上升和粒子捕獲。在氣泡形成步驟中，通過改變ELBS的基質孔徑和氧化還原狀態(tài)來控制生成的微氣泡的大小。由于更有效的氣液界面?zhèn)髻|行為，較小的氣泡尺寸提供了更高的顆粒吸收效率。氣泡直徑D_min的下限可以由幾何關系計算為D_min=L+2R(1-cosθ)，其中氣泡的中心必須高于其接觸線的中心，L是DPM的孔徑，R是DPM的纖維半徑。在氣泡上升步驟中，顆粒被氣液界面捕獲的關鍵是它們可以在氣泡破裂之前接觸到氣液界面。

經(jīng)過理論計算，大部分顆粒的停止距離大于氣泡直徑，表明顆粒在氣泡破裂前有足夠時間移動到氣液界面。在顆粒捕獲過程中，如顆粒接觸到氣液界面，無論是疏水性顆粒還是親水性顆粒，都可以被功能液體捕獲。在實驗中，當親水性顆粒接觸氣液界面時，顆粒迅速粘附在界面上并進入功能液體（溶液A，LiClO₄）。當通過添加鈉DBS（SDBS）對溶液A進行改性以形成溶液B時，親水性和疏水性顆粒都可以快速移動到液體中。

圖3. ELBS的微泡產(chǎn)生和顆粒吸收過程

應用與性能

ELBS可連續(xù)、可編程和自動凈化，不受腐蝕或堵塞的影響，對于健康保護、煙氣處理和除塵等應用具有吸引力。由于功能液體可調整，ELBS可以調整到特定凈化需求所需的性能特征，例如去除異味、有害空氣污染物等。甲醛測試表明，ELBS具有良好的去除性能。ELBS不僅可去除腐蝕性煙氣，而且具有良好的耐腐蝕性。材料表面形貌的表征表明，裸露SSM的表面被嚴重腐蝕，而來自ELBS的DPM表面幾乎保持不變，表明ELBS的防腐性能。對比商用過濾器，在危險環(huán)境下運行超過100?h后，ELBS表現(xiàn)出更好的防堵塞性能，并保持98.2%的凈化效率，施加壓力沒有明顯增加。ELBS具有99.6%的高凈化效率，容塵量達到950 g m^-2，比其他凈化系統(tǒng)高出5至10倍。

圖4. ELBS的應用和性能

文獻信息

Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption.?Nature,?2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05124-y.

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05124-y.

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