一：研究背景

在全球工业化和城市化迅猛发展的当下，空气污染尤其是颗粒物（PM）污染，已成为威胁公众健康的严峻问题。其中，PM2.5，即空气动力学直径小于等于 2.5μm 的细颗粒物，因其微小尺寸可远距离传输并直接被吸入人体肺部。在众多用于 PM 过滤的材料中，纤维过滤介质凭借其复杂多孔结构和大比表面积脱颖而出，成为去除细颗粒物的常用有效方法。

传统的熔喷纤维和玻璃纤维等常规纤维过滤器，因孔径和直径较大，过滤性能差强人意。而纳米纤维因直径小、通道细长弯曲，有望克服拦截能力和空气阻力之间的固有矛盾，成为低能耗空气过滤的理想选择。静电纺丝技术作为制备纳米纤维的有效手段，可制造出形态可控、内部连通性好、孔隙率可调且柔韧性高的连续纳米纤维，还能实现原位电荷注入，使纳米纤维膜通过主动吸附和被动筛分协同作用拦截 PM。

聚苯乙烯（PS）因具有高介电性能、固有疏水性和低成本等优点，成为备受关注的空间电荷存储材料，静电纺 PS 纳米纤维膜蓬松多孔，透气性良好。然而，常规 PS 纤维分子结构极性低、表面光滑，限制了其过滤效果。碳气凝胶（CA）具有高孔隙率、大比表面积、低密度和化学稳定性等特点，在废水处理和废气净化等领域展现出良好的吸附性能，但将 PS 基纳米纤维膜与 CA 结合用于增强 PM 拦截性能的研究却鲜有报道。

在此背景下，来自同济大学化学科学与工程学院的谷红波教授团队，制备出一种具有疏水性和透气性优势的环氧改性 PS（g - PS）/CA 纳米纤维复合膜，旨在提升纯 PS 膜的 PM2.5 过滤性能，同时研究 CA 含量和静电纺丝时间对复合膜过滤性能的影响。该研究成功发布在国际知名期刊《分离与纯化技术》。

二：研究内容

在实验过程中，研究人员首先对 CA 进行酸处理，以提高其在 PS - DMF 溶液中的分散性。将 CA 置于硝酸溶液中水浴加热，随后多次用去离子水洗涤至滤液 pH 值约为 7，烘干备用。接着，通过环氧氯丙烷对 PS 粉末进行功能化改性，制得 g - PS。将不同质量分数的 o - CA（酸处理后的 CA）分散液滴加到 g - PS 的 DMF 溶液中，搅拌均匀得到静电纺丝前驱体溶液。利用注射器泵将前驱体溶液以一定速率挤出，在高压静电作用下，溶液从针头喷出并在接收装置上形成纳米纤维，沉积在聚丙烯无纺布上，制备出不同 o - CA 含量和静电纺丝时间的纳米纤维复合膜，如 gPCAM40 - 0.4、gPCAM40 - 1.2 等，并在烘箱中干燥去除残留溶剂。

SEM结果显示，纯 PS 膜表面光滑平整，而 gPCAM40 - 1.2 膜表面出现突起，呈现粗糙结构（图 1a、b）。这种粗糙表面增加了 PM 与纳米纤维的有效接触面积，提高了物理捕获概率，同时突起还增大了纳米纤维间的空隙，有利于空气渗透。通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析复合膜的化学结构，证实了环氧基团成功接枝到 PS 上（图 1c）。X 射线光电子能谱（XPS）用于分析 PM 过滤前后复合膜的变化，结果表明，过滤后膜表面出现新的元素，证明纳米纤维膜对 PM 有吸附作用。此外，还利用接触角测量仪、孔径分析仪等对复合膜的疏水性、孔径等进行表征。

图 1：（a）PS 膜 SEM 图像；（b）gPCAM40 - 1.2 膜 SEM 图像；（c）gPCAM40 不同 o - CA 含量膜的 FTIR 光谱

对复合膜的过滤性能进行评估时，搭建了自制实验装置。以燃烧艾条产生的烟雾模拟 PM 源，利用空气 blower 驱动气流，通过 PM 探测器测量过滤前后 PM2.5 的浓度，用差压计检测过滤器的压降，计算过滤效率和品质因子（QF）。实验结果表明，随着 o - CA 含量增加到 1.2wt%，复合膜的过滤效率提高，gPCAM40 - 1.2 对 PM2.5 的去除效率达到 95.3%（图 2a）。进一步增加 o - CA 含量至 1.6wt%，过滤效率反而下降。这是由于过滤效率受物理拦截和静电吸附共同影响，与纳米纤维的直径大小和粗糙表面有关。同时，gPCAM40 - 1.2 的压降相对较低，为 28 Pa，其 QF 值达到 0.115 Pa⁻¹，综合性能最优（图 2b）。而改变静电纺丝时间发现，随着时间增加，过滤效率和压降均升高，gPCAM40 - 1.2 因在过滤效率和压降之间取得较好平衡，QF 值最高（图 2c、d）。

图 2：（a）gPCAM40 不同 o - CA 含量膜的过滤效率和压降；（b）gPCAM40 不同 o - CA 含量膜的品质因子；（c）不同静电纺丝时间膜的过滤效率和压降；（d）不同静电纺丝时间膜的品质因子

通过对过滤前后复合膜的化学结构分析可知，纳米纤维膜对 PM 的捕获是多种作用协同的结果。FTIR 光谱显示，过滤后膜表面的烷基峰强度增强，出现了新的极性羰基峰（图 3a）。XPS 分析表明，过滤后膜表面出现新的元素，证明纳米纤维膜与 PM 存在相互作用（图 3b）。纳米纤维膜表面的极性官能团通过诱导偶极和偶极 - 偶极相互作用、氢键以及疏水相互作用增强了对 PM 的捕获能力。此外，复合膜具有较高的表面电位（约 1.93 kV），在库仑力作用下，带电或电中性的 PM 颗粒被吸附到膜上（图 3c）。

图 3：（a）PM 和 gPCAM40 - 1.2 过滤前后的 FTIR 光谱；（b）gPCAM40 - 1.2 过滤前后的 XPS 光谱；（c）gPCAM40 不同 o - CA 含量膜的表面电位

三：研究结论

综上所述，本研究通过静电纺丝技术制备出具有分级结构的纳米纤维复合膜，利用电荷存储 PS 和环氧改性 PS 材料，增强了纳米纤维与 PM 之间的相互作用。突起结构赋予纳米纤维粗糙表面，增加了吸附和拦截位点，同时降低了膜的空气阻力。复合膜的高表面电位通过静电作用有效促进了对细颗粒物的捕获，最终实现了高达 95.3% 的 PM2.5 去除效率和 0.115 Pa⁻¹ 的品质因子，且膜具有优异的疏水性和透气性。这种纳米纤维复合膜为个人呼吸防护和室内设施净化等实际应用提供了有效途径，展现出良好的应用前景。

文章来源：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.128793