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纳米纤维气凝胶:下一代高性能过滤器-岩拓气凝胶

纳米纤维气凝胶:下一代高性能过滤器

众所周知,纳米纤维膜由于具有小孔径和高比表面积,具有很好的颗粒物过滤性能,被用作很多防霾神器的过滤层。不过,在使用一段时间后这种纳米纤维膜不可避免会出现较大压降。一些科学家将多个纳米纤维膜层叠在一起制备出了3D的过滤介质,获得了更高的过滤效率,然而其依然存在随使用时间的增长,过滤效率和压降降低的问题。

近日,来自苏黎世应用科学大学等机构的研究人员发表了一项研究成果,他们利用静电纺丝法制备了纳米纤维,并用其制备成了纳米纤维气凝胶,并可以有效控制其孔隙率和微观结构,将其用作过滤器,发现其具有很高的过滤效率,且在高过滤速度时不会显著降低过滤效率。

据该研究论文,这种3D纳米纤维气凝胶的制备过程如下:

首先是纳米纤维膜的制备。通过将4g Pul和6g PVA溶解在90g水中来制备复合Pul/PVA复合纳米纤维。使用静电纺丝机对溶液进行静电纺丝。纳米纤维被圆柱形电极和16cm的收集器纺成80kV高压的纳米纤维膜。在静电纺丝过程中,温度和湿度分别为26±3°C和26±4%RH。 最终可以获得直径为240±55nm的均匀纳米纤维。

纳米纤维气凝胶:下一代高性能过滤器

纳米纤维气凝胶制备的主要步骤

随后制备纳米纤维气凝胶。对于热交联后表观密度为48.91mg/mL,孔隙率为96.64%的纳米纤维气凝胶的制备过程如下:将10mg先前制备的纳米纤维膜切成约1×1cm2的小块,并分散在100mL 1,4-二恶烷中。将纳米纤维膜片进一步切割,并通过匀浆器在13000rpm下分散20分钟以获得纤维长度分布为48.8±30μm的纳米纤维。随后将均匀分散的纤维倒入模具中,抽真空并以特定速率冷冻。然后将冷冻的固体冷冻干燥48小时得到纳米纤维气凝胶。最终将原始纳米纤维气凝胶在180℃下热交联40分钟。通过控制冷冻条件可以制备不同孔径的纳米纤维气凝胶。

纳米纤维气凝胶:下一代高性能过滤器

研究人员提出的不同过滤介质的过滤机理示意图

研究人员研究了不同过滤器的过滤性能特征和机理,他们认为不同介质过滤的机理不同,对于单独的纳米纤维主要以扩散、拦截、妨碍来捕获颗粒,而纳米纤维膜过滤时粒子的扩算速度很短,在高粒子负荷下会在主要孔隙中很快形成滤饼。纳米纤维气凝胶过滤则与前两者不同,其通过二级孔径获得了很大的扩散通道,表现为错流过滤的形式,能够有效降低压降和增加容尘量。

进一步研究人员发现,通过调整纳米纤维气凝胶的孔隙率,可以将渗透颗粒数量减少1000倍。他们通过在纳米纤维气凝胶中引入分层开孔结构,粒子的扩散速度不再成为过滤器过滤效率的限制因素,因此可以在很高的面速度下稳定工作,当面速度增加到6cm/s时,过滤效率仍能保持在10的高因子范围。

气凝胶用于过滤的场景并不新鲜,但是来自欧洲的这些科学家们对其过滤机理全面的研究值得称道,并且该团队获得了具有商业应用级别过滤性能的纳米纤维气凝胶,有望推进其在工业领域的广泛应用,堪称下一代高性能过滤器。

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