J. Hazard. Mater.多层结构的PASS纳米纤维过滤器，具有出色的热稳定性和出色的机械性能，可高效去除颗粒物

如今，空气污染已成为严重的环境问题和社会问题。由于发电、工业化和交通等人类活动，排放了大量污染物，尤其是在印度和中国等发展中国家。在这些空气污染物中，颗粒物（PM）是主要污染物之一，含有多种微小颗粒和有毒物质。

PM根据空气动力学可分为两类：PM2.5（粒径小于2.5 µm）和PM10（粒径2.5-10 µm）。尤其是体积小的PM2.5很容易通过呼吸系统进入支气管和肺部，导致多种疾病，如呼吸系统疾病、脑血管疾病，甚至肺癌等。

针对上述问题，大量研究者做了许多努力。然而，基于过滤PM，尤其是PM2.5的去除，由于其粒径小和轨迹复杂，仍然是一个巨大的挑战。有两种不同类型的传统空气过滤器用于去除PM2.5。一种是由微米级尺寸的纤维组成的纤维状空气过滤器。

另一种是多孔膜过滤器，它根据孔的大小去除PM。然而，这两种类型的过滤器受到去除效率低和空气过滤阻力大的限制。最近有报道称，由纳米纤维复合而成的纳米纤维过滤器在低压降的情况下表现出高效的PM2.5去除效果。

静电纺丝是一种利用各种聚合物溶液生产纳米纤维的独特技术。电纺纳米纤维具有尺寸小、比表面积大、结构多样、开孔相互连通的特点，可有效去除PM2.5，过滤阻力小。

纳米纤维的结构会直接影响过滤性能，如均匀结构、珠状结构、褶皱结构等。值得一提的是，珠状结构可以扩大纳米纤维之间的距离，优化纳米纤维的堆叠结构，有利于进一步降低过滤阻力。已经报道了一系列由不同聚合物制成的多层结构空气过滤器。

虽然电纺纳米纤维膜的过滤效率和压降比传统的纤维膜更具优势，但这些膜通常应用于常温下的空气过滤。由于热稳定性低，它们尚不适合在高温环境下工作。

值得注意的是，大多数PM2.5是在高温条件下产生的（例如，材料燃烧、火力发电厂和汽车尾气）。因此，迫切需要制造稳定的耐高温纳米纤维膜。考虑实际环境，高温烟气约200 ℃。

因此，耐高温纳米纤维膜必须在这种条件下保持稳定。不幸的是，大多数热稳定性聚合物（如聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚磺酰胺（PSA）和聚四氟乙烯（PTFE）等）由于熔融温度高、溶解度低而不能形成纳米纤维。

基于上述难题，四川大学卫志美选择了一种由聚苯硫醚（PPS）改性的高性能工程聚合物聚（亚芳基硫醚砜）（PASS），用于制造耐高温的纳米纤维空气过滤膜。由于具有砜基团（-SO₂-），PASS具有高热稳定性和出色的溶解性。

在这项工作中，团队通过静电纺丝技术设计和制造了具有多层结构的新型PASS纳米纤维膜。所制备多层PASS(M-PASS)复合纳米纤维膜由串珠状结构纤维组成以便降低过滤阻力，纳米纤维直径小(163.4±3.1 nm)以提高过滤效率，纤维直径大的(675.7±8.2 nm)以增强机械性能。

M-PASS复合纳米纤维膜具有极高的过滤效率、相对较低的压降、高热稳定性和出色的机械性能。更重要的是，M-PASS复合纳米纤维膜在200 ^oC高温处理4 h后过滤性能保持稳定。

总的来说，这项工作不仅提供了一种从高温烟气中去除PM的新型过滤器，而且还探索了一种制备了高性能过滤器的简单方法。

图文解析

图1. M-PASS纳米纤维膜的制备工艺、空气过滤和高温处理。

图1显示了M-PASS纳米纤维膜的制备过程。锡箔纸覆盖在转速为100 r/min 的滚筒上，作为纳米纤维的收集器。

静电纺丝法制备的F-PASS、B-PASS、C-PASS和M-PASS纳米纤维膜的厚度分别为141.4 µm、151.7 µm、139.8 µm和120.6 µm。M-PASS纳米纤维膜中F-PASS（细的PASS）、B-PASS（串珠状的PASS）和C-PASS(粗的PASS)的厚度分别为32.4 µm、53.0 µm和35.2 µm。

图2. 纳米纤维膜的SEM图、纤维直径分布和多层复合纤维膜的横截面。(a)B-PASS纳米纤维；(b)F-PASS纳米纤维；(c)C-PASS纳米纤维；(g)多层膜的横截面的SEM图和部分放大图。

M-PASS纳米纤维膜由三种不同的纤维结构组成。B-PASS纤维位于膜的中间，而F-PASS和C-PASS纤维对称分布在B-PASS纤维的两侧。

图3. 基于PASS膜的分析。(a)不同纳米纤维结构的膜的力学性能；(b)纳米纤维膜的疏水性能；(c)不同纳米纤维膜的孔隙率和容尘量；(d)PASS纳米纤维膜的TG曲线；(e)不同纳米纤维膜的孔径分布；(f)不同纳米纤维膜的平均孔径。

图4. 面速度为32.0 L/min时PASS基膜对不同颗粒粒径的过滤效率。(a)F-PASS膜的过滤效率；(b) C-PASS膜的过滤效率；(c) B-PASS膜的过滤效率；(d)M-PASS膜的过滤效率。

观察到F-PASS纳米纤维膜具有优异的过滤效率，对0.5-2.5 µm 颗粒物的过滤效率接近100.0%。此外，还研究了C-PASS和B-PASS膜的过滤效率，这两种膜的过滤效率明显低于F-PASS一种。

值得注意的是，B-PASS膜对所有颗粒物的过滤性能较差，这主要是由于其较大的空腔结构和纤维间空隙造成的。M-PASS纤维膜对过率粒径为400 nm的颗粒，过滤效率达89.4%。

图5. 过滤前后的过滤性能和SEM。(a)PASS膜的总过滤效率和压降；(b)PASS膜的品质因数；(c)过滤前过滤器的SEM图像；(d)过滤后过滤器的SEM图像；(e)M-PASS纳米纤维膜和报道的电纺纳米纤维膜的过滤性能比较；(f)M-PASS纳米纤维膜与报道的商用空气过滤器的过滤性能比较。

M-PASS纳米纤维膜可以拦截不同直径的PM，甚至是直径<0.2 µm的细颗粒。最重要的是，M-PASS纳米纤维膜表现出优异的性能，具有综合机械性能、疏水性和过滤性能。

此外，利用多级结构的优势，制备的M-PASS膜与目前的商业材料相比，具有更高的过滤效率和较低的压降（在32.0 L/min的面速度下测试）。

图6.模拟过滤过程和模拟颗粒通过纤维过滤器的路径。(a)F-PASS滤波器；(b) C-PASS过滤器；(c)B-PASS滤波器；(d) M-PASS滤波器。

B-PASS纳米纤维膜的珠状结构不利于污染物颗粒的拦截，但颗粒在较大的纤维间隙中容易穿透，阻力较低。此外，还进行了M-PASS滤膜的模拟。显然，单个球的轨迹比F-PASS和C-PASS 长，表明PM很容易通过低压降的M-PASS膜。

图7. M-PASS热处理前后的化学分析。(a)M-PASS热处理前后的FTIR曲线；(b)热处理前后M-PASS的XPS光谱调查；(c)热处理前M-PASS的高分辨率区域XPS光谱；(d)热处理后M-PASS的高分辨率区域XPS光谱。

图8. 热处理后通过过滤器的评估。(a)热处理前三种纤维结构的SEM图像；(b)热处理后三种纤维结构的SEM图像；(c) M-PASS过滤器热处理前后的应力应变曲线；(d)M-PASS过滤器在热处理前后的过滤效率。

图9. 长期性能和重复性。(a)M-PASS过滤器过滤冲洗实验的过滤效率和压降变化，(b)M-PASS过滤器在过滤冲洗测试过程中的光学图像。

为了阐明M-PASS过滤器的过滤性能稳定性，跟踪了其9天（每天6小时）内的性能变化，并进行了循环测试。在过滤的前5天，压降呈线性增加，当过滤器开始堵塞时，压降呈指数上升。

去除效率在99.99-95.20%范围内保持稳定。随着颗粒负载的进一步提升，效率开始显著下降，因为沉积的颗粒降低了拦截效果。对过滤器清洗后过滤性能是否能完全恢复，将用过的过滤器在超声波水浴中清洗30分钟，然后进行同样的过滤测试。

如图9a中红色箭头所示，去除效率和压降恢复到初始值，表明M-PASS过滤器可以重复使用。

作者使用三种PASS 基纳米纤维结构成功地制备了一种新型多层纳米纤维过滤器（M-PASS过滤器）。

系统地研究了热性能、孔隙率、亲水性和机械性能。由于三种结构的协同作用，M-PASS纳米纤维过滤器表现出优异的过滤性能，包括高过滤效率（99.97±0.0050%）、低压降（44.3±0.7 Pa）和优异的机械性能（强度7.0±0.2 MPa，伸长率31.9 ± 0.4%)。

此外，经过高温处理（200.0 ℃，4.0 h）后，其纤维形态和过滤性能保持稳定。更重要的是，经过长时间的过滤测试，M-PASS空气过滤器仍然表现出较高的PMs去除效率。

以上所有特性表明，M-PASS纳米纤维过滤器可以广泛应用于空气过滤器的制造，特别是用于高温PMs过滤。