区别于N95,中国科学家开发新型口罩过滤材料,可阻挡99%颗粒物|专访

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区别于N95,中国科学家开发新型口罩过滤材料,可阻挡99%颗粒物|专访
麻省理工科技评论 2020-04-27

2020-04-27

为了更好地清除空气颗粒物,科学家们正在口罩上做更多的技术改进。
科学
为了更好地清除空气颗粒物,科学家们正在口罩上做更多的技术改进。

新冠肺炎疫情暴发以来,口罩作为有效阻隔新冠病毒进入人体呼吸道的屏障成为最紧缺的防疫物资之一。

但实际上,在此次疫情之前,人们对口罩的需求也因环境的变化在不断增长,主要针对的是空气颗粒物(简称“PM”)污染带来的健康问题。

根据空气动力学直径的大小,我们一般将空气颗粒物分为 PM10(颗粒直径 2.5-10µm),PM2.5(颗粒直径 1-2.5µm)和纳米级颗粒(NP,直径 < 1 µm)。而空气颗粒物中所含成分很有可能包含诸如过渡金属氧化物、无机盐和有机碳等对人类健康有严重影响的物质,并且空气颗粒物的悬浮时间较长,对公众的危害较大。

这些需求带动着口罩相关的技术创新的出现,例如市面上出现的专门针对 PM2.5 等空气颗粒物的口罩。

为了更好地清除空气颗粒物,科学家们正在口罩上做更多的技术改进。

区别于N95,中国科学家开发新型口罩过滤材料,可阻挡99%颗粒物

图丨此次论文(来源:Nature Communications)

来自四川大学陶国宏教授、何玲教授及其科研团队,在去年 9 月份就开始开发一种新型自供能材料制成口罩,可以更高效地清除空气中颗粒物,例如 PM2.5 以及难以除去的纳米颗粒等。更加神奇的是,该材料能够利用外加的低电压提高吸附效率,从而使得去除 PM2.5 和 PM10 的效率分别达到 99.59% 和 99.75%。4 月初,这项研究结果以论文形式发表在 Nature Communications 上。

对于本次研究中的过滤材料,陶国宏解释道:“这种口罩本身材料制成滤膜利用机械过滤适合滤除较大颗粒,又加上强静电吸附适合滤除纳米颗粒,因此我们得到比较好的滤除效果。”

值得一提的是,这项研究在去年就已经完成,并未针对近期暴发的新冠疫情研发,但陶国宏提到,人们佩戴口罩有不同的需求,这些需求间有差异也有联系,虽然进行该研究时没想过拿它来防治新冠病毒,但从原理上讲,新冠病毒仍是冠状病毒的一种,这一材料对于新冠病毒的过滤效果或许值得期待。

论文解析:不同于 N95,新型材料实现高效过滤

口罩的核心就是组成其滤膜的材料,它决定了过滤的方式和效率。

具体来说,本次研究中采用的过滤材料由两部分构成——离子液体高分子(Ionic-liquid Polymer)与类似海绵的网状结构(MF Sponge)——网状结构提供机械支撑,也能滤除较大颗粒,而离子液体高分子则能够利用静电有效吸附纳米颗粒。

区别于N95,中国科学家开发新型口罩过滤材料,可阻挡99%颗粒物

图 | a. 过滤材料制程示意图;b. 过滤材料组成及扫描电镜图;c. 滤膜净化空气示意图

其中离子液体高分子是一种神奇的材料,简单来说是具有离子液体和高分子双重特性的复合材料。离子液体,顾名思义是指完全由离子组成的液体,能够作为有机反应替代溶剂,而高分子与离子液体结合之后,能够使得高分子获得带电荷的官能团,从而发展出很多十分有趣的功能,在导电、催化有机合成反应中有着良好的应用前景。

本次研究中的离子液体高分子由离子液体 “[Cnmim][OAc]” 以及亲水高分子构成。

首先,它本身就是离子化的,能够直接通过静电作用对微小粒子进行吸附。

进一步研究则发现,如果对该材料加上外部电压,能有效提高其对纳米颗粒的吸附效率,如下图所示。

区别于N95,中国科学家开发新型口罩过滤材料,可阻挡99%颗粒物

图 | 离子液体高分子材料外加电压提升纳米颗粒去除效率

除了过滤,评判口罩的一个重要指标则是使用寿命。

因此,该研究也探讨了口罩的使用寿命,研究团队最长进行了单个过滤装置在 21 天的细微颗粒物连续吸附测试,吸附效率略有下降,但仍处在可接受范围。考虑人体使用当中会存在细菌、湿气积累等问题,实际使用天数或有减少。而且,研究团队发现这样的过滤材料能够通过清洗并多次使用。

区别于N95,中国科学家开发新型口罩过滤材料,可阻挡99%颗粒物

图 | 过滤材料重复使用后空气颗粒物去除效率的变化趋势趋于平缓

作者解读:对新冠的作用仍待进一步探索

在专访中,陶国宏针对这项研究的更多细节和应用价值进行了更多介绍,以下为 QA 全文:

DeepTech:为何会想到开发这样一款口罩?

陶国宏:我们课题组长期开展的是离子液体材料研究,关于颗粒物防护的工作始于 2015 年,当时主要考虑的是如何防治环境污染。对于颗粒物防护的滤膜可以用到尾气处理装置、空气净化器、口罩等多种场景,我们分析可能存在的问题主要有滤除效率、压降、抗菌性这几个方面。

口罩本身首先就是一种选择透过性的膜,不能太厚,太厚不透气,呼吸阻力太大,对人的肺部是有损害的。

以现在口罩的主要工艺是利用静电吸附原理,使用一层带静电的熔喷布,加两层保护的无纺布,就达到既有好的滤除效率、又有低的压降的效果。这个工艺确实很有效,但它也有致命问题,即熔喷布本身是中性的高分子聚合物,它的静电是通过驻极处理强制引入的,一旦口罩受了潮或沾了水,它的防护能力就急剧下降了,所以口罩的保质期都不能很长。

我们的离子液体材料实际上可以做成离子型的高分子,它是本身就带有电荷。我们最初的考虑就是,既然静电吸附在空气净化中起了重要作用,那我们研究的离子型高分子应该可以起到类似效果,果然一尝试发现确实如此。

而且离子型高分子用作滤膜的话不用再进行驻极处理了,它本身就是离子化的,不存在遇到潮气破坏静电层的问题。

我们此前工作主要解决滤除效率和压降的问题,从 2018 年开始考虑解决抗菌性问题。

这个问题是,PM2.5 属微米级,虽然有细菌也是这个粒径,但很多达到纳米级,且病毒会更小些,几十纳米的尺度。熔喷布为了保证通气性,一般有几十、几百微米大小的空隙,对纳米级的颗粒滤除效果会迅速下降,解决这个问题就是我们开展这一工作的主要目的。

我们开发的材料仍保留了足够多的孔隙,所以透气性很好、压降低。

但为了达到过滤纳米级污染物的效果,还是利用了材料自身的优势,即它是离子材料,有一定的导电性。由此我们想到使用纽扣电池提供弱电流,增强静电吸附效果,这是自供能过滤装置想法的由来。

本身材料制成滤膜利用机械过滤适合滤除较大颗粒,又加上强静电吸附适合滤除纳米颗粒,因此我们得到比较好的滤除效果。

DeepTech:文章是 2019 年 9 月成文,当时主要面向环境污染,在现在的背景下,是否对于新冠疫情或者其他呼吸道传染病的防治有积极意义?

陶国宏:虽然我们当时没想过拿它来防治新冠病毒,但从原理上讲,新冠病毒还是冠状病毒的一种,我们这一材料对于新冠病毒的过滤效果是值得期待的。

当然抗菌性并不仅是把细菌病毒挡在口罩外就行的,它们有活性的话一不小心还会沾染上,所以材料本身的抑菌性也很值得研究。我们正好近期另外一个工作刚被 Advanced Sustainable Systems 接收,就是使用天然产物来制备抗菌性的离子材料,可以保证透气率好、压降低,同时材料本身对大肠杆菌有抑制作用。

我个人觉得,这两个工作结合起来对于传染病的防治肯定会有积极意义。

区别于N95,中国科学家开发新型口罩过滤材料,可阻挡99%颗粒物

图丨黄色颗粒状为新冠病毒(来源:NIH)

DeepTech:是否有对新冠疫情做出新的研究?

陶国宏:受疫情影响,目前研究生都尚未获准返校,课题组还没有正式复工,因此新的研究还暂时无法开展。

针对新冠疫情,我们在线上进行了讨论,针对性的研究还真不好开展,毕竟这个病毒传染性强,只有 P4 实验室才可能操作。

我们后续的工作可能会将材料对于其它一些常规型的细菌和病毒的滤除和抑制效果做进一步的研究。

DeepTech:电池模块像是概念 / 实验室的设计,有更加成熟,更加靠近产品的设计么?

陶国宏:受工艺限制,电池模块设计只能局限于实验室阶段,更加成熟的产品设计需要专业的工程师来解决。

DeepTech:口罩的造价和售价估计为?

陶国宏:以我们制备原材料购买价格估算,单个纽扣电池口罩的制备价格为 1.5 元左右,单个太阳能电池口罩为 2.8 元左右。

除材料成本外,口罩的成本还涉及人力成本、设备折旧损耗成本等等,这涉及商品生产和销售环节,在我们了解的范围以外,所以我们对于售价暂时无法估计。

DeepTech:一个一次能使用多久?是否能重复使用?是否是利用外加电场改变吸附材料的吸附能力然后对其进行清理?

陶国宏:从实验室研究结果来看,我们最长进行了单个过滤装置在 21 天的细微颗粒物连续吸附测试,吸附效率略有下降,但仍处在可接受范围。考虑人体使用当中会存在细菌、湿气积累等问题,实际使用天数或有减少。

对于重复使用方面,我们对搭载在口罩上的过滤材料进行了循环吸附测试,并利用材料与吸附颗粒物在不同溶剂中的溶解度差异来进行分离和再生,再生后材料的颗粒物吸附能力仍能保留。但目前因涉及使用溶剂,仅对于空气过滤的大型设备场景更为适合。

我们一系列工作的基础是基于过滤材料本身是离子化的,这与目前常用的 N95 类口罩使用带静电的熔喷布是不一样的,所以在重复使用方面用到的工艺肯定不同。

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