DOI:10.1016/j.seppur.2019.116377

空气中超细颗粒物（PM）的存在是最危险的环境问题之一，对人类健康构成严重的威胁。因此迫切需要设计和开发经济、节能的空气过滤器，以通过简便的方法去除PM。电纺纳米纤维膜由于具有超细的纳米纤维，可以获得较高的去除效率，而被用于PM过滤。但是，它们增强的颗粒去除效率是以高压降为代价的。在这项工作中，通过优化静电纺丝过程中的电纺丝聚丙烯腈（PAN）浓度和环境湿度条件，成功地制备了沿纳米纤维轴具有纳米珠的多孔串珠式过滤器。在静电纺丝过程中，聚合物浓度和湿度的共同作用可以使喷丝板射流的排斥力和收缩力达到不平衡状态，从而产生一个具有理想串珠形态的过滤器。纳米颗粒能够降低过滤器的堆积密度和压降，而超细纳米纤维则保证了PM的去除效率。此外，还系统地研究了纳米纤维直径、气流速度和纳米颗粒密度对平均粒径为300nm的NaCl固体和石蜡油气溶胶过滤效率和压降的影响。借助于串珠式结构，在4.2cm/s的气流速度下，当低压降为27pa时，原PAN过滤器的效率可以达到99%以上。这项工作表明，通过调整聚合物浓度和环境湿度，电纺过滤器从纳米纤维结构转变为串珠状结构，足以产生效率高、气流阻力小的过滤介质用于空气过滤，且易于实现规模化，因为不需要特殊设备和昂贵的化学物品。

图1.自动过滤试验机方案。

图2.不同湿度下使用11 wt%PAN溶液的电纺PAN纳米纤维过滤器的表面形貌及其各自的纳米纤维直径分布：（A）相对湿度为30%时为#P11-3；（B）相对湿度为40%时为#P11-4；（C）相对湿度为50%时为#P11-5；（D）相对湿度为60%时为#P11-6。

图3.不同湿度下电纺8wt%聚丙烯腈溶液制备的电纺聚丙烯腈过滤器的表面形貌及其直径分布：（A）相对湿度为30%时的#P8-3；（B）相对湿度为40%时的#P8-4；（C）相对湿度为50%时的#P8-5；（D）相对湿度为60%时的#P8-6。

图4.8%和5%聚丙烯腈溶液在不同湿度下电纺聚丙烯腈过滤器的表面形貌及其各自的直径分布：（A）相对湿度为30%时为#P8/5-3；（B）相对湿度为40%时为#P8/5-4；（C）相对湿度为50%时为#P8/5-5；（D）相对湿度为60%时为#P8/5-6。

图5.通过静电纺丝8%和5%聚丙烯腈溶液制备的聚丙烯腈空气过滤器的纳米颗粒密度。

图6.当上游空气中含有平均直径为300nm的NaCl固体或石蜡油气雾剂时，在不同的气流速度下，电纺11wt%PAN溶液得到的空气过滤器的去除效率和压降为：（A）#P11-3；（B）#P11-4；（C）#P11-5；（D）#P11-6。

图7.当上游空气中含有平均直径为300nm的NaCl固体或石蜡油气雾剂时，在不同的气流速度下，电纺8wt%PAN溶液制备的空气过滤器的去除效率和压降为：（A）#P8-3；（B）#P8-4；（C）#P8-5；（D）#P8-6。

图8.在不同的气流速度下，同时电纺5wt%和8wt%聚丙烯腈溶液制备的空气过滤器的去除效率和压降：（A）#P8/5-3；（B）#P8/5-4；（C）#P8/5-5；（D）#P8/5-6。

图9.通过（A）纳米纤维和（B）串珠过滤器进行空气过滤的示意图；（C）空气中PMs通过单个纳米纤维的拦截机理，插入的FESEM图像显示了捕获NaCl固体PM（顶部）和石蜡油PM（底部）后纳米纤维的表面形貌。

图10.通过在不同气流速度下电纺不同PAN溶液开发的PAN过滤器的QFs：通过电纺11 wt%PAN溶液开发的过滤器（A:处理NaCl固体气溶胶，B:处理石蜡油气溶胶），8 wt%PAN溶液（C:处理NaCl固体气溶胶，D:处理石蜡油气溶胶），5 wt%和8 wt%PAN溶液（E:处理NaCl固体气溶胶，F:处理石蜡油气溶胶）。

图11.（A）30个循环中的串珠式过滤器的过滤效率；（B）串珠式过滤器与文献中报道的其他过滤器和商业过滤器的比较图；（C）展示过滤器以阻止室外（右瓶）的烟气PM进入室内环境（左瓶）；（D）在这项工作中开发的扭曲、拉伸和大型过滤器的图像。