李巨教授、朱美芳院士、莫金汉教授等开发智能纤维实现空气颗粒物的高效、低阻、快速过滤- 大数跨境

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李巨教授、朱美芳院士、莫金汉教授等开发智能纤维实现空气颗粒物的高效、低阻、快速过滤

科学材料站

2021-07-27

导读：本研究发展了一种静电增强颗粒物过滤装置（EAA，如上图），通过电晕放电预荷电颗粒物，并通过平行电极极化粗效纤维过滤材料

文章信息

开发智能纤维实现空气颗粒物的高效(>99%)、低阻(9.5Pa) 、快速(0.4 m s^-1)过滤

2021年7月26日，《Small》杂志刊登了李巨教授、朱美芳院士、莫金汉教授和徐桂银博士等最新成果：Ultralow resistance two-stage electrostatically assisted air filtration by polydopamine coated PET coarse filter，该论文的第一作者是清华大学-麻省理工学院联合培养博士生田恩泽。

“Ultralow resistance two-stage electrostatically assisted air filtration by polydopamine coated PET coarse filter（2021, 2102051）https://doi.org/10.1002/smll.202102051。该论文还被选为“封底内页文章”（Inside Back Cover）

研究背景

空气中的颗粒物污染对人们的健康造成了严重威胁，颗粒物的高效去除技术已成为人们应对环境变化的重要手段。由于大多数人80%以上的时间在室内度过，因此在大风量下实现高效去除室内颗粒物的技术成为了营造健康环境的必需。

目前在建筑和车辆通风系统中最常用的颗粒物去除方式是采用机械过滤，但通风过滤技术的瓶颈问题是：高过滤效率、低阻力、大容尘量难以兼得。因此发展兼顾上述三者的空气颗粒物过滤技术，对健康建筑环境营造和节能减排都具有重要意义。

目前主要思路是围绕纳米材料等高成本、高级材料制备方法来提升过滤性能，本研究思路是基于低成本的粗效过滤材料，采用可大规模量产的清洁无污染方法对粗效材料进行修饰或改造，通过增强材料表面的静电响应能力和保持颗粒物的能力，增大纤维与颗粒物之间的作用力，在不明显增加阻力的情况下显著提高过滤效率，从而解决通风过滤的应用需求。

研究成果

本研究发展了一种静电增强颗粒物过滤装置（EAA，如上图），通过电晕放电预荷电颗粒物，并通过平行电极极化粗效纤维过滤材料，增加颗粒物和纤维之间的静电作用力，实现颗粒物的高效率、低阻力、大容尘量去除。

其中，通过在PET粗效过滤纤维上原位负载聚多巴胺（PDA），调控过滤纤维表面的电学特性和微结构，使得过滤纤维对极化电场具有更强的静电响应能力和颗粒物保持能力，可以从空气中选择性地捕获和锁定荷电颗粒物，而不增加对气体分子流动的阻碍，实现在不明显增加阻力的情况下显著提高过滤效率。

静电增强粗效PET纤维过滤（EAA PET），静电增强负载PDA后的粗效PET纤维过滤（EAA PDA@PET），和市售暖通空调用过滤器的过滤效率和阻力对比：

EAA PDA@PET过滤器可以对0.3 μm颗粒物实现高达99.48%的过滤效率，并且在迎面风速为0.4 m/s时空气阻力低至9.5 Pa。与不负载PDA的普通市售PET过滤材料对比，过滤效率显著提升的同时，阻力无明显变化。

负载PDA前后对各粒径段的颗粒物过滤效率对比：

负载PDA前后在不同迎面风速下对0.3 μm颗粒物的过滤效率对比：

负载PDA前后在不同迎面风速下的阻力对比：

负载PDA前后的PET粗效过滤材料形貌对比：

该EAA PDA-140@PET过滤装置在长达30天，每天运行8小时的长期工况中表现出稳定的高过滤效率（如下图，对0.3、0.5和1 μm颗粒物的平均过滤效率分别为 98.63%、99.04% 和 99.83%）。

PDA-200@PET在30天内集尘量达到173.9 g/m²（如下图），与过滤材料自重 (187.9 g/m²)相当，从而可以有效解决通风过滤的实际应用需求。

要点小结

1. 本研究通过原位多巴胺聚合工艺将聚多巴胺（PDA）负载在粗效PET纤维上，通过与双荷电静电增强过滤装置（EAA）结合，与市售暖通空调用过滤器相比，实现了高过滤效率和低阻力的优异性能：对0.3 μm颗粒物实现高达99.48%的过滤效率，并且在迎面风速为0.4 m/s时空气阻力低至9.5 Pa。由于其具备低阻、高效特性，可直接加装应用于送风口或通风管道，而无需增设驱动风机。

2. 该技术易于实施且具备环境可持续性。本研究中的原材料是市售的低成本粗效过滤器，且负载物PDA是一种环保型可生物降解的粘合剂。PDA@PET过滤材料的制造过程简便，不使用和产生污染环境的物质，可以实现工业化量产。

3. 该技术可以有效解决通风过滤的实际应用需求。在迎面风速达到2m/s时，相比未负载的PET粗效过滤，PDA@PET对0.3 μm颗粒物的过滤效率从75.24%提升至90.72%，且不增加阻力。该技术在长期运行过程中效率高且稳定，在30天内对0.3、0.5和1 μm颗粒物的平均过滤效率分别保持在98.63%、99.04%和99.83%，总集尘量达到173.9 g/m2，与过滤材料自重相当。实现了在大风速下，长期稳定、高效、大容尘量去除颗粒物。

4. 本研究详细刻画了EAA装置的设计原则和过滤材料选择标准：依据单极子捕获距离RMC将EAA粗效过滤的机制分为三个阶段。其中R_MC取决于颗粒物荷电量q_p、极化电压

U₂、和纤维材料的介电/热电/异质性等，较大的R_MC意味着颗粒能够经过较大的孔径（以较低的空气阻力）被纤维捕获。当颗粒到达纤维表面后，具备抗静电性能、强附着力和粗糙表面的过滤纤维将颗粒物牢固粘附，实现长期稳定高效率和大容尘量过滤颗粒物。

作者介绍

李巨教授，材料科学家、美国麻省理工学院终身教授。

曾获 2005 年美国 “青年科学家工程师总统奖”，2006 年材料学会杰出青年科学家大奖，2007 年度《技术评论》杂志 “世界青年创新（TR35）奖”，2009 年美国金属、矿物、材料科学学会 (TMS) “Robert Lansing Hardy” 奖。入选汤森路透 / 科睿唯安全球高被引科学家及Webometrics h>100名单。2014 年被选为美国物理学会（APS）会士，2017 年入选材料研究学会（ MRS ）会士，2020年入选美国科学促进会（AAAS）会士。

朱美芳教授，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。

1986年毕业于中国纺织大学化纤系获学士学位，1989年获该校硕士学位，1999年毕业于东华大学获材料学博士学位。现任东华大学材料科学与工程学院院长、纤维材料改性国家重点实验室主任。中国化学会会士、中国材料研究学会副理事长、中国纺织工程学会副理事长、中国女科技工作者协会副会长，兼任国务院学位委员会材料科学与工程学科评议组成员、教育部高等学校材料类专业教学指导委员会副主任委员、Advanced Fiber Materials期刊主编等职。

莫金汉长聘副教授，清华大学建筑技术科学系建环研究所副所长。

主要从事室内空气污染控制的研究工作，研究方向为室内空气净化技术，室内空气污染测评技术和室内污染暴露与健康关系等。主持了国家自然科学基金优秀青年基金、面上基金、青年基金，国家“十三五”重点研发课题、中国航天员科研与训练中心项目等50余项。担任国际室内空气学会空气净化学组委员，中国环境科学学会室内环境与健康分会副秘书长（2019-）、青委会主任（2017-2019）。获中国环境科学学会室内环境与健康分会何兴舟室内环境与健康青年学术奖（2017）、国际室内空气学会雅格鲁青年科学家奖（2016）等奖励。

徐桂银博士，麻省理工学院博士后。

目前在麻省理工学院从事博士后研究工作, 研究方向为功能纤维与隔膜材料在绿色能源与环境修复中应用。获首届工信部创新创业奖等荣誉。

田恩泽博士，清华大学建筑技术科学系。

田恩泽博士致力于发展具有静电响应的超低阻过滤技术。她作为第1作者已申请发明专利3项（其中1项已获授权和转让）和发表国际期刊论文6篇，并连续两届在国际室内空气质量大会上获奖：Best Student Paper（Indoor Air 2018, Philadelphia，亚洲唯一获奖者）和Best Poster Award（Indoor Air 2020, Seoul, online）。她自2019年9月至2020年11月，在美国麻省理工学院李巨教授课题组访问学习，期间与徐桂银博士共同完成了此项合作研究，在建筑环境与材料科学的交叉领域找到了新的结合点。