纳米纤维膜在空气净化中的应用研究进展

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2021-06-11 环球过滤分离技术网  mems9





胡敏，仲兆祥，邢卫红



（南京工业大学化工学院，国家特种分离膜工程技术研究中心，江苏 南京 210009）



文章来源：《化工进展》2018年第37卷

第4期：1305-1313

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-2290



摘  要

面向空气净化的应用需要，开发高效净化材料已成为研究热点之一，其中具有相互连贯孔结构的纳米纤维膜在高效空气净化领域展示出巨大的应用前景。对于纳米纤维膜对空气净化效果的评估指标通常包括过滤效率和过滤阻力。本文介绍了串珠、蛛网和复合等结构纳米纤维膜的研究进展，分析了驻极式纳米纤维膜在高效除尘方面的应用现状，探讨了银纳米颗粒和半导体金属氧化物改性纳米纤维膜在抗菌和除有机易挥发性气体等多功能性空气净化中的应用可行性，指出了高效低阻、功能化是纳米纤维膜用于空气净化领域的研究重点。并提出今后应高度关注多污染物对纳米纤维空气净化膜性能的影响，深入研究具有多功能协同作用的纳米纤维空气净化膜，以期获得更广泛的应用。



研制高效净化材料用于空气污染治理已成为迫切需求。目前研究报道较多的空气过滤材料主要是驻极熔喷非织造材料、超细玻璃纤维纸、改性聚四氟乙烯薄膜（ePTFE）和纳米纤维膜等。纳米纤维膜一般采用静电纺丝技术制得，其纤维直径在几纳米到几百纳米范围。这些由纳米级纤维构筑的纳米纤维膜，一方面具有较均一的孔径、高孔隙率和比表面积，使纤维与空气中的污染物之间具有更多的有效接触，因此具有过滤效率高的优点；另一方面，纤维直径与空气分子的平均自由程（约66nm）相当，由于“滑脱效应（slip effect）”，使得过滤阻力降低。因此，纳米纤维膜已成为制备高效低阻空气过滤器的重要发展方向。



对于纳米纤维膜空气过滤性能的评估指标通常包括过滤效率和过滤阻力两项。一般情况下，减小纳米纤维膜的孔径可以获得较高的过滤效率，提高空气净化效果，但会增大过滤阻力。如何在获得高过滤效率的同时降低过滤阻力是纳米纤维膜的研究方向之一。空气中细菌等微生物、有机易挥发性气体（VOCs）、超细粉尘等污染物需要同时去除，要求空气净化材料具有多功能性。如何使纳米纤维膜具有多功能也是目前研究的热点。



本文主要从提高过滤效率和多功能化两个方面分析纳米纤维膜在高效除尘、空气净化中的应用现状。提高过滤效率的综述包括以下两方面的内容：一是优化纳米纤维膜的结构，降低纤维膜中的纤维堆积密度，提高过滤效率；二是添加驻极体改善纳米纤维膜的表面电荷密度，增强其与污染物之间的静电作用，提高过滤效率。多功能化的综述主要围绕抗菌和降解挥发性有机化合物（VOCs）两个方面展开，分析多功能性纳米纤维膜在空气净化中的应用前景。



1  纳米纤维膜结构对空气过滤效率的影响

图1  不同结构静电纺纳米纤维膜的扫描电镜图

1.1 串珠结构的纳米纤维膜

1.2  蛛网结构的纳米纤维膜

1.3  复合结构的纳米纤维膜

图2  三明治结构PA-6/PAN/PA-6复合纳米纤维膜示意图

表1  不同结构纳米纤维膜过滤性能比较

2  纳米纤维膜表面电荷密度对空气过滤效率的影响

表2  添加不同驻极体的复合纳米纤维膜空气过滤性能比较

3  功能性纳米纤维膜在空气净化中的应用

表3  不同功能性纳米纤维膜材料的过滤效率、抑菌率和VOCs降解率总结

3.1  抗菌性纳米纤维膜

3.2  除VOCs的纳米纤维膜

图3  TiO2系列纳米纤维膜的扫描电镜图和介孔-大孔Ce1-xZrxO2纳米纤维膜的扫描电镜图和透射电镜图

3.3  多功能纳米纤维膜

图4  ZnO纳米棒改性PTFE纳米纤维膜示意图

4  展望

纳米纤维膜具有较小孔径、高孔隙率、大比表面积，在高效空气净化领域具有巨大的应用前景。静电纺丝技术作为一种简单、有效、可大量连续制备纳米纤维的方法，已被广泛用于纳米纤维膜的制备开发。优化纳米纤维膜结构和提高其表面电荷密度两个角度来改善纳米纤维膜在高效低阻空气除尘中的应用性能已取得了较好的研究进展。未来一方面应更加关注静电纺丝技术的低成本规模化制备技术研究，另一方面，聚合物种类和结构对纳米纤维膜性能的影响亟待进一步研究，多层次结构的纳米纤维膜将是很重要的发展方向。其次，要关注纳米纤维膜在空气净化使用过程中多污染物对膜性能的影响，开发高效低阻且多功能协同作用的纳米纤维空气净化膜将是未来的研究热点。

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