Реферат по нанохимии. Нанопористые воздушные фильтры получение и эффективность при
 Скачать 495.73 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ НЕФТИ И ГАЗА (НИУ) ИМЕНИ И.М. ГУБКИНА
РЕФЕРАТ
Предмет: Основы нанохимии
Москва, 2022 ОглавлениеВведение 3 Основная часть 5 История теорий фильтрации 5 Механизмы и эффекты фильтрации 5 Материалы для фильтрации воздуха 6 Фильтрационные наноматериалы 7 Антибактериальные разработки 8 Заключение 10 Список литературы 12 ВведениеУрбанизация увеличивает плотность населения в городах и, следовательно, приводит к сильному загрязнению воздуха внутри помещений. В результате этих тенденций все большее внимание уделяется проблеме устойчивой и здоровой внутренней среды. Для оптимизации качества воздуха в помещении были приняты различные методы фильтрации воздуха. Метод фильтрации воздуха может удалить загрязнители воздуха и эффективно уменьшить ухудшение качества воздуха в помещении. Большое количество предметов домашнего обихода, включая мебель и строительные материалы, выделяют летучие органические соединения в течение своего срока службы. Материалы для внутренней отделки помещений являются источниками реактивных соединений, которые могут приводить к загрязнению воздуха внутри помещений. Эта проблема становится доминирующей, когда различные материалы реагируют друг с другом. Некоторые терпеноиды и родственные соединения многих освежителей воздуха и чистящих средств для помещений улетучиваются в течение периода их использования, что может образовывать вторичные загрязнители при взаимодействии с озоном. [1] Небольшие изменения качества воздуха в помещении часто трудно определить. Люди могут воспринимать ухудшение качества воздуха только через сенсорные эффекты (такие как неприятный запах, раздражение дыхательных путей и глаз) и воздействие на центральную нервную систему (например, головные боли). В течение последнего десятилетия загрязнители воздуха внутри помещений были признаны во всем мире опасными для здоровья населения. Накопление загрязняющих веществ приводит к «синдрому больного здания» и к другим зарегистрированным заболеваниям в пострадавших помещениях. Более 5,5 млн человек во всем мире ежегодно умирают преждевременно из-за загрязнения воздуха внутри и снаружи помещений. Например, вдыхание крошечных жидких или твердых частиц увеличивает риск респираторных заболеваний, инсульта, сердечных заболеваний и даже рака. Загрязнение воздуха ставится на четвертое место по величине риска после высокого кровяного давления, пищевых рисков и курения. Кроме того, в строительной отрасли особое внимание уделяется «герметичности» зданий с целью повышения энергоэффективности зданий. Это затрудняет получение лучшего качества воздуха в помещении за счет естественной вентиляции. Как следствие, воздухонепроницаемые здания ставят под угрозу здоровье жильцов, успешно сохраняя при этом энергию. В то время как технология фильтрации воздуха, основанная на вентиляции зданий, может удалять загрязнители воздуха и повышать качество воздуха в помещении, фильтры увеличивают энергопотребление систем и эксплуатационные расходы. Потребление энергии связано с сопротивлением фильтра проходящему через него воздуху: сопротивление увеличивается, когда фильтр загрязняется, что приводит к повышенному потреблению энергии. Дополнительные проблемы, такие как акустическое воздействие и неоднородная тепловая среда, могут возникать из-за воздушных фильтров. Тем не менее, энергоэффективность остается центральной проблемой. Таким образом, стратегии энергосбережения зданий следует также включать в стратегии защиты и улучшения здоровья жильцов. Вентиляция играет решающую роль в поддержании чистоты в помещении. Тем не менее, системы вентиляции также могут быть основными источниками переносимых по воздуху загрязнителей в результате неправильной конструкции системы, распределения, перекрестного загрязнения и т. д. Таким образом, технология фильтрации воздуха играет ключевую роль в защите здоровья человека, удаляя загрязнения воздуха внутри помещений, а также обеспечивая альтернативное решение для снижения энергопотребления и эксплуатационных расходов. Применение материалов для фильтрации воздуха постепенно развивалось от различных областей промышленности до улучшения качества воздуха в помещениях. Целенаправленные и функциональные материалы для фильтрации воздуха могут стать будущими направлениями в разработке материалов для воздушных фильтров. В последнее время в различных исследованиях сообщается о профилактике и лечении вспышек респираторных инфекций, вызванных смертельными вирусами. Следовательно, были разработаны различные воздушные фильтры, покрытые антимикробными агентами, для улавливания и инактивации вирусных частиц в условиях непрерывного воздушного потока. Однако, поскольку тестирование аэрозольных инфекционных вирусов нецелесообразно из соображений безопасности, их противовирусная способность была проверена только путем помещения фильтров в жидкие среды, в которых рассеиваются инфекционные вирусные частицы. Таким образом, можно сформулировать следующие тезисы: Применение наночастиц имеет преимущество перед другими фильтрами Наночастицы эффективны против микробов и вирусов Основная частьИстория теорий фильтрацииТеория фильтрации развивалась от ранней классической теории фильтрации в 19 веке до современной теории фильтрации и теории микропористых фильтров. Движение мелких частиц впервые наблюдал ботаник Браун в начале 19 века, когда мелкие частицы взвешивались в жидкости, что было определено как броуновское движение. В 1922 году Фрейндлих представил понимание закона фильтрации аэрозолей и указал, что максимальная проницаемость аэрозольных частиц существует в радиусе от 0,1 мкм до 0,2 мкм. В 1931 году Альбрехт возглавил исследование движения воздуха через одиночное цилиндрическое волокно и создал теорию Альбрехта, которую позже усовершенствовал Селл. К 1942 году Ленгмюр признал, что на фильтрацию в основном влияют захват и диффузия, в то время как осаждением инерционных частиц на волокне фильтра можно было пренебречь. Дэвис (1952) объединил механизмы диффузии, перехвата и инерции, выразил формулу и построил новую теорию фильтрации: теорию изолированных волокон. Фридлендер (1958) и Йошиока (в 1967) отдельно разработали вышеупомянутую теорию изолированных волокон. Они исследовали и пришли к выводу о блокировке фильтра, а также о влиянии инерции, осаждения и силы тяжести. [2] В 1967 году Пикар и Кларенбург предложили математическую теорию микропористой структуры волоконного фильтра. Пайе, Було, Мадлен и Ренукс (1992) считали, что введение поправочных коэффициентов классической теории могло бы лучше согласовать теорию с экспериментальными данными, когда газ скользит по одиночному волокну. Рознер и др. (1995) усовершенствовали теорию и предложили пространственное распределение частиц в одиночном волокне, поскольку частицы, диспергированные на поверхности одиночного волокна, были неравномерными и часто характеризовались образованием дендритной структуры. Теория и вычислительные процедуры могут быть использованы для прогнозирования осаждения частиц. Томас и др. (2001) теоретически и экспериментально исследовали воздушные фильтры в условиях блокировки и предложили модель расчета эффективности фильтра и потери давления воздушного фильтра с учетом фильтрационной корки. В последние годы многие исследователи провели теоретическое моделирование и эксперименты по формированию и механизму образования фильтрационной корки с некоторыми достижениями. Механизмы и эффекты фильтрацииМеханизм фильтрации обычных фильтрующих материалов (как показано на рис. 1) является результатом различных видов синтезированных эффектов, таких как инерционный эффект, эффект диффузии, эффект перехвата, электростатический эффект, сила тяжести, эффект термофореза и эффект Вана, сила Ван-дер-Ваальса и т. д., из которых первые три преимущественно управляют механизмами фильтрации. [3]  Рисунок 1 - Принципиальная схема механизмов захвата одиночного волокна [1] Механизм инерционного захвата тесно связан с массой частиц. Эффект инерции возникает, когда частицы движутся вместе с потоком воздуха. Твердые частицы, не попадающие в поток воздуха, задерживаются поверхностью волокна при изменении потока. На эффективность инерционного захвата большое влияние оказывает скорость ветра, поскольку она является функцией параметра Стокса (St) и числа Рейнольдса (Re). Чем больше размер частиц, тем больше будет инерция и тем выше эффективность инерции. Механизм диффузионного захвата возникает при захвате частиц малого размера поверхностью волокна при столкновении молекул газа и беспорядочном движении. Механизм диффузионного захвата зависит от числа Рейнольдса (Re) и числа Пекле (Pe). Этот механизм наиболее значим для частиц размером менее 1 мкм. Чем меньше размер частиц, тем интенсивнее беспорядочное движение и тем очевиднее эффективность диффузии. Исследования показывают, что теоретическое расчетное значение эффективности диффузионного захвата становится более 80%, когда размер частиц составляет менее 0,1 мкм. Механизм захвата перехвата возникает, когда частицы движутся вместе с воздушным потоком, так как расстояние между линией тока центральной линии частицы и линией тока центральной линии волокна меньше или равно сумме радиуса волокна и радиус частицы. На эффективность перехвата влияют число Рейнольдса и коэффициент перехвата. Материалы для фильтрации воздухаМатериал для воздушного фильтра из стекловолокна появился в Соединенных Штатах и получил патент в 1940 году. С тех пор он быстро развивался. К 1970-м годам HEPA (высокоэффективный воздушный фильтр) со сверхтонкой бумагой из стекловолокна мог достигать эффективности 99,9998% для пыли размером ≥0,3 мкм. С 1950-х годов мировая обрабатывающая промышленность быстро развивалась и открыла новую главу в области материалов для воздушных фильтров. В 1970 году японцы начали разрабатывать активированное углеродное волокно (ACF) с использованием вискозы, полипропиленового нитрила и т. д. ACF считается одним из лучших материалов для очистки воздуха в 21 веке из-за преимуществ его формы: более эффективных абсорбирующих пор, равномерного распределения пор по размерам, короткого периода адсорбции, высокой скорости отпарки (очистки), большой адсорбционной емкости и легкой регенерации. Нанотехнологии зародились в конце 1980-х годов. Основной формой наноматериалов в области фильтрации воздуха являются нановолокна. Нанометровое волокно имеет большую удельную площадь поверхности, поверхностную энергию и поверхностное натяжение, что увеличивает осаждение взвешенных в воздухе частиц на поверхности волокна и, следовательно, повышает эффективность фильтрации. При одинаковых потерях давления прямое улавливание и эффект инерционного удара нановолокна более значительны, чем у традиционного растительного волокна, что приводит к снижению сопротивления, повышению эффективности фильтрации и увеличению срока службы. [4] Фильтрационные наноматериалыВ начале 1990-х годов американская компания Lydair произвела ULPA-фильтр (воздушный фильтр со сверхнизким проникновением) из сверхтонкого стекловолокна, эффективность которого для пыли размером 0,1 мкм могла достигать 99,999999%. Это в значительной степени способствовало развитию электронного, аэрокосмического, точного машиностроения и других отраслей промышленности с высокими требованиями к качеству воздуха в помещении. Стекловолокно стало традиционным фильтрующим материалом, используемым в различном фильтрующем оборудовании, таком как дыхательные аппараты, бытовые пылевые фильтры, воздушные фильтры и системы ОВКВ (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха). К середине 1990-х годов был разработан пленочный составной фильтрующий материал. Он был изготовлен из политетрафторэтилена, покрытого тканью, нетканым полотном или фильтрующим материалом из стекловолокна. Постепенно он стал более популярным в отрасли очистки от пыли и кондиционирования воздуха благодаря своим преимуществам высокой эффективности фильтрации (более 99,9 % для субмикронной пыли (пыль размером от 0,1 до 0,5 мкм)), низкому сопротивлению (на 30–40 % ниже, чем у традиционного фильтрующего материала), длительному сроку службы (до в 2–5 раз больше, чем у традиционного фильтрующего материала), устойчив к высоким температурам (до 280 °C) и обладает высокой скоростью отслаивания пыли. Фотокаталитический материал нано-диоксид титана (TiO2) является наиболее многообещающим фильтрующим материалом 21 века для удаления вредных газов. Энергия ультрафиолетового (УФ) возбуждения возникает после того, как материал поглощает УФ-лучи, что приводит к окислительно-восстановительной реакции, в результате которой образуются супероксидные анионные радикалы и сильные окисляющие гидроксильные радикалы, которые могут эффективно разлагать газы NOx, CO, NH3, SO2, VOC и т. д. до H2O. , CO2 и другие соответствующие неорганические элементы. Эта реакция происходит при атмосферном давлении и температуре, очищает воздух и обеспечивает стерилизацию без вторичного загрязнения. Кроме того, можно добиться дополнительной очистки воздуха в помещении, поскольку он сочетает в себе различные композитные материалы. [5] Электретный фильтрующий материал привлек больше внимания общественности из-за меньшего перепада давления и лучшей фильтрации в условиях, когда традиционные фильтрующие материалы демонстрируют низкую эффективность фильтрации или высокое сопротивление. Электретный фильтрующий материал представляет собой сильно заряженные синтетические нетканые материалы, которые используют электростатические силы для повышения эффективности улавливания частиц, выходящих далеко за пределы физической структуры пор. Эффективность может быть улучшена без увеличения сопротивления, потому что электростатический эффект не только вызывает удлинение волокна, но также делает осажденную пыль цепной или дендритной структурой. Применение электретных фильтрующих материалов быстро растет в различных областях и постепенно вытесняет фильтрующие материалы из стекловолокна. Антибактериальные разработкиФильтры могут проявлять противомикробные свойства в сочетании с противомикробными агентами, например с серебром (Рис. 2).  Рисунок 2 – Распределение и размер наночастиц серебра до(середина) и после (справа) фильтрации [2] Антибактериальные свойства нановолокон и нейлоновых нановолокон с Ag можно использовать против Staphylococcus aureus и Escherichia coli (грамотрицательных). Мембраны из электроформованных нановолокон (ЭНМ), содержащие частицы Ag, обладают высокой активностью против микробов, а также обладают достаточными транспортными свойствами для фильтрации воздуха. Эти технологии фильтрации на основе нановолокна могут снизить содержание бактерий в воздухе. Способность фильтров из нановолокон удалять из воздуха наночастицы и летучие органические соединения также весьма перспективна. Чтобы поддерживать чистоту воздуха в помещении, большинство передовых технологий фильтрации воздуха сочетаются с другими технологиями очистки воздуха для достижения синергетического эффекта: повышения энергосбережения и уменьшения загрязнения побочными продуктами и т.д. [6] Противовирусные воздушные фильтры изготовляются путем нанесения покрытия на стекло. Волокнистые высокоэффективные HEPA-фильтры с наночастицами Ag: используются НЕРА-фильтры толщиной 0,07 ± 0,004 см, плотностью 0,09 ± 0,004 и диаметром волокна 2,7 ± 0,55 мкм. Наночастицы Ag синтезируются с использованием лабораторной системы генерации искрового разряда. Электростатический воздушный фильтр (ES) представляет собой тип воздушного фильтра, который сочетает в себе электростатические свойства: фильтрацию и регенерацию. Схема ES показана на рис. 3.  Рисунок 3 - Принципиальная схема электростатического воздушного фильтра [3] Электростатические воздушные фильтры очищают воздух за счет статического электричества, что является естественным и безопасным явлением. Частицы в воздухе притягиваются и улавливаются статическим зарядом, когда воздух проходит через лабиринт склонных к статическому электричеству волокон, пока не высвобождается при регенерации. Все электростатические воздушные фильтры Air Commander содержат противомикробный материал, зарегистрированный EPA (Агентством по охране окружающей среды), для подавления роста плесени и бактерий на поверхности воздушного фильтра. Фильтр ES обеспечивает эффективный и действенный способ уменьшить количество частиц размером менее одного микрона, таких как пыльца, пыль, бактерии, споры плесени, перхоть домашних животных и дым. Эффективность фильтрации от 82% до 94% может быть достигнута с помощью различных типов электростатических воздушных фильтров. ЗаключениеУстойчивая и безопасная внутренняя среда в течение года привлекала большое внимание. Исследования, направленные на уменьшение или устранение возможных источников загрязнителей воздуха в помещениях из потребительских товаров и строительных материалов, эффективно остановили ухудшение качества воздуха в помещениях. В настоящее время доступно большое разнообразие технологий воздушных фильтров для удаления загрязнителей воздуха внутри помещений. Традиционные волокнистые фильтры обладают многочисленными преимуществами, такими как высокая эффективность удаления, низкая начальная стоимость и простая конструкция. Однако они также характеризуются высоким перепадом давления, высокими затратами на техническое обслуживание и засорением фильтра. Чтобы преодолеть последнее, традиционные физические фильтры должны быть покрыты химическими веществами или наночастицами, чтобы проявлять фунгицидные или фунгистатические свойства. Кроме того, методы одиночной фильтрации неэффективны при наличии нескольких типов загрязняющих веществ. Таким образом, стратегическое сочетание метода фильтрации с другими технологиями очистки необходимо для повышения их производительности за счет синергетического эффекта. Электростатический воздушный фильтр теоретически считается постоянным, а эффективность фильтрации частиц может достигать 82–94%. Эффективность фильтрации обычных волокнистых фильтров прямо пропорциональна перепаду давления воздуха. Высокий перепад давления влечет за собой дополнительное потребление энергии и повышенные эксплуатационные расходы. В этом смысле нановолокно имеет преимущество, так как сочетает в себе высокую эффективность фильтрации воздуха и низкий перепад давления. Однако самым большим его недостатком является высокая начальная стоимость. Электростатические воздушные фильтры позволяют избежать высокого перепада давления по сравнению с волокнистыми фильтрами. Большинство исследований в этой области сосредоточено на повышении эффективности воздушного фильтра, снижении перепада давления, экономии эксплуатационных расходов и т. д., в то время как тепловой комфорт и акустические эффекты фильтрации воздуха обычно игнорируются. Правила, регулирующие проектирование систем HVAC, обычно сосредоточены на скорости воздуха на выходе, температуре воздуха на выходе, относительной влажности и других связанных параметрах. В то время как бытовые стандарты фильтрации воздуха в первую очередь касаются типов воздухоочистителей, технических требований, экспериментальных методов и правил проверки и т. д., и редко учитывают влияние очистки воздуха на тепловой комфорт. Из-за отсутствия международного стандарта по шуму допустимые уровни шума могут различаться от страны к стране, а иногда и по городам. Кроме того, больше внимания требует мониторинг качества воздуха в помещениях. Поскольку на качество воздуха в помещении больше всего влияет деятельность человека, людям рекомендуется носить датчики загрязнения. Собранные таким образом данные могут быть полезны руководителям объектов, которые, таким образом, могут получить более точные сведения о степени и распределении загрязнения воздуха внутри помещений. Также существует растущая потребность в разработке систем оценки энергопотребления и методов моделирования для воздушных фильтров. Таким образом, можно сделать следующие выводы по выдвинутым тезисам: Эффективность фильтрации пыли размером 100 нм – 99,9%, низкое сопротивление фильтрующемуся потоку, длительный срок службы, устойчивость к высоким температурам и простота регенерации характерны фильтрам с наночастицами Воздушные фильтры, содержащие противомикробный материал способны удалять от 82 до 94% микробов и вирусов Список литературыGunnar, D. N., Lea, F. H., & Peder, W. (1997). Chemical and biological evaluation of building material emissions approaches for setting indoor air standards or guidelines for chemicals II. Indoor Air, 7, 17–32. Liu, G., Xiao, M., Zhang, X., Gal, C., Chen, X., Liu, L., Pan, S., Wu, J., Tang, L. and Clements-Croome, D. (2017). A review of air filtration technologies for sustainable and healthy building ventilation. Sustainable Cities and Society, 32, 375-396. Colbeck, I., & Lazaridis, M. (2013). Filtration Mechanisms. Aerosol science: Technology and applications. Chichester, UK: Wiley Wang, H., Yang, Z. Y., Liu, J. Y., Zheng, G. F., & Liu, Y. P. (2016). Research on the advantages of nanofibrous air filtration membrane. Key Engineering Materials, 474–476, 2016–2019. Zhang, X., Li, H., Zhao, M., Wu, M., Fang, D., & Ma, H. (2015). Compound antibiotic filtration filter core, screen window, air purification device and gauze mask. Shanghai: Shanghai Jie Sheng Environmental Protection Technology Co., LTD. Dae Hoon Parka, Yun Haeng Joe, Amin Piri, Sanggwon An, Jungho Hwang. Determination of Air Filter Anti-Viral Efficiency against an Airborne Infectious Virus | |||||||||||||||||||||||||||||||||