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陶国宏何玲团队在自供能空气过滤设备研究中取得重要进展

访问量: 2020-04-10

 

空气污染是近年来人类所面临的重大危害之一。根据对2017年全球疾病负担研究的分析,空气中的颗粒物污染(PM)已经成为导致我国死亡和寿命缩减的四大危险因素之一。根据空气动力学直径分类,PM污染可以被分为PM10(颗粒直径<10 μm)、PM2.5(颗粒直径<2.5 μm)以及纳米级别的颗粒污染物(NP,空气动力学直径<1 μm)。其中,目前市面上常见的PM2.5口罩防护设备已经做到了对PM2.5级别污染物的理想防护。然而值得注意的是,对于具有更小动力学直径的NP,它们具有更大的防护难度。与此同时,NP由于粒径小,在空气中更易形成气溶胶,并长期悬浮在空气当中。此外,NP能轻易进入并损失人体呼吸道、皮肤、大脑、肺和免疫系统,甚至造成DNA损伤。因此,对于NP防护设备的研究具有重要意义。

图1. 过滤设备制备示意图

基于此,四川大学陶国宏何玲团队设计并制备了一种能高效去除常规PM污染以及更小粒径的NP污染的自供能空气过滤设备。通过对设备供给人体安全范围内的低电压,即可实现对颗粒污染的高效吸附。

图2. ILP材料对PM污染物的吸附装置及效率

该团队结合了拥有良好电化学特性的功能材料——离子液体1-甲基-3-丁基咪唑鎓乙酸盐([C4mim][OAc])以及具有良好可塑性的高分子,制备了可无规则分布在多孔泡沫骨架上的导电高分子复合材料(ILP)。这种巧妙的设计既实现了材料与污染物的充分接触,又降低了过滤设备前后的压降。最终通过添加3 V的安全电压,实现了对PM2.5、PM10以及NP的高效去除,效率达99.59%、99.75%以及93.77%。

图3. 自供能便携式口罩及其过滤效果

为实现材料的实际应用,研究人员尝试将搭载ILP材料的过滤设备安装到口罩上,结合纽扣锂电池或者是太阳能电池板,制备了一种新型自供能过滤面罩。在无需外部电源情况下,制备了便携式的高效头戴式空气过滤设备。通过研究表明,该设备具有一个良好的长期稳定性,与商用口罩对比,具有更好的颗粒去除效果。

这一成果近期发表在Nature Communications上,文章第一作者是硕士研究生张国浩,通讯作者陶国宏教授、何玲副教授。

 

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