静电纺丝制备兼具耐热和优异力学性能的M-PASS纳米纤维滤膜及其颗粒物去除性能

DOI: 10.1016/j.jhazmat.2022.128514

工业化产生的颗粒物（PM）污染对人类健康构成了巨大威胁。尽管纤维基过滤器可以有效地捕获PM，但传统的大直径过滤器存在过滤效率低、压降高和耐低温性等问题。在这项研究中，采用静电纺丝技术设计并制备了一种多层聚芳硫醚砜（M-PASS）复合过滤器。M-PASS复合过滤器为夹层结构。由于其独特的结构和成分，M-PASS过滤器表现出99.97±0.0050%的优异去除效率、44.3±0.7Pa的极低空气阻力、0.19±0.0019/Pa的出色品质因数（QF）及7.0±0.2MPa的理想机械强度。此外，由于PASS的高热稳定性，所制备的M-PASS过滤器在200.0℃下仍能保持优异的过滤性能，经过长期过滤试验，其去除效率仍高于95.2±0.4%。上述结果表明，过滤器结构对于空气过滤至关重要，而M-PASS纳米纤维过滤器在去除PM方面具有巨大的潜力，尤其是在高温条件下。

图1.M-PASS纳米纤维膜的制备工艺、空气过滤应用和高温处理。

图2.纳米纤维薄膜的SEM图像，多层膜的直径分布和横截面。（a）F-PASS纳米纤维；（b）B-PASS纳米纤维；（c）C-PASS纳米纤维；（g）多层膜横截面的SEM图像和部分放大图。

图3.PASS基膜的分析。（a）具有不同纳米纤维结构的膜的力学性能；（b）纳米纤维膜的疏水性能；（c）不同纳米纤维膜的孔隙率和容尘量；（d）PASS纳米纤维膜的TG曲线；（e）不同纳米纤维膜的孔径分布；（f）不同纳米纤维膜的平均孔径。

图4.在32.0L/min迎面风速下PASS膜对不同粒径颗粒污染物的过滤效率。（a）F-PASS膜的过滤效率；（b）C-PASS膜的过滤效率；（c）B-PASS膜的过滤效率；（d）M-PASS膜的过滤效率。

图5.过滤前后的过滤性能和扫描电镜图。（a）PASS膜的总过滤效率和压降；（b）PASS膜的品质因数；（c）过滤前过滤器的SEM图像；（d）过滤后过滤器的SEM图像；（e）M-PASS纳米纤维膜和报道的电纺纳米纤维膜的过滤性能比较；（f）M-PASS纳米纤维膜与报道的商用空气过滤器的过滤性能比较（所有数据均来自文献报告）。

图6.过滤过程模拟以及颗粒通过纤维过滤器的模拟路径。（a）F-PASS过滤器；（b）C-PASS过滤器；（c）B-PASS过滤器；（d）M-PASS过滤器。

图7.M-PASS热处理前后的化学分析，（a）M-PASS热处理前后的FTIR曲线；（b）M-PASS热处理前后的XPS全光谱；（c）热处理前M-PASS的高分辨率区域XPS光谱；（d）热处理后M-PASS的高分辨率区域XPS光谱。

图8.PASS过滤器热处理后的评估。（a）热处理前三种纤维结构的SEM图像；（b）热处理后三种纤维结构的SEM图像；（c）M-PASS过滤器热处理前后的应力应变曲线；（d）M-PASS过滤器热处理前后的过滤效率。

图9.长期性能和重复性。（a）M-PASS过滤器过滤-冲洗实验的过滤效率和压降变化，（b）M-PASS过滤器在过滤冲洗试验期间的光学图像。