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成果展示

空气颗粒物污染对人类健康的不利影响，促使科研人员开发了过滤空气中颗粒物的净化系统。为了保持性能，过滤器组件不可避免地必须在某些时候更换，需要维护，涉及成本并产生固体废物。在2022年9月26日，厦门大学侯旭教授（通讯作者）等人报道了他们利用选定的功能液体渗透的离子掺杂共轭聚合物涂层基质，即电化学液体基系统（the electrochemical liquid-based system, ELBS），并且实现了高效、连续和免维护的空气净化。当需要净化的空气以气泡的形式通过该系统时，功能流体提供了用于过滤和从空气中去除颗粒物质和污染物分子的界面。理论建模和实验结果表明，该系统具有高效性和稳定性：一次空气净化效率可以达到99.6%，容尘量可以达到950 g m^-2。此外，该系统经久耐用，耐污染和腐蚀，作为过滤器的液体可以重复使用和调整，以去除细菌或异味。作者预计该净化方法将有助于开发可能在医院、工厂和矿山等环境中证明有用的专业空气净化器。

背景介绍

在空气污染物中，可吸入颗粒物（PM10、PM2.5和超细颗粒物等）由于体积小，可深入人体的支气管和肺部，需要特别关注。直接有效地去除这些细颗粒依赖于使用由多层纤维或多孔材料组成的过滤器组件，并经过表面处理，以被动地阻止固体颗粒的运动或主动捕获过滤器表面上的污染物。然而，这些过滤器组件由于颗粒在其表面和内部孔隙上的积聚而遭受结垢问题，从根本上限制了这种过滤器组件的效率和使用寿命。因此，过滤器组件需要定期更换或清洁以保持最佳性能，并在净化效率、使用寿命和维护成本之间进行权衡。水界面具有在接触后捕获固体颗粒的能力，颗粒从水环境到气泡界面的粘附被广泛研究用于多相反应和浮选工艺等应用，但很少考虑相反的效果，即颗粒从气泡内部移动到水界面。

图文解读

ELBS的原理

作者构建了可控制微气泡产生的ELBS，其净化过程分为过滤和吸收两步。在过滤过程中，被污染的空气进入系统后，基质中充满液体的孔隙充当粗过滤器进行过滤过程，并分离大颗粒，而孔隙中的液体衬里防止颗粒在基质表面积聚。在该阶段，具有较小孔径的多孔基质将导致更高的净化效率和更低的空气流量。在吸收过程中，穿过多孔基质的小气载颗粒被困在微泡内，并由于惯性继续移动，最终接触气液界面。此外，ELBS还可通过调整生成气泡的大小来提供一系列净化效率，以适应不同的操作环境。使用两种方法来控制气泡大小：调整基质的孔径或调整基质的润湿性。较小的气泡具有较大的比表面积，导致气液界面处的传质速率更高。在实际应用中，可以在净化效率、空气流量和气泡直径之间进行权衡。

图1. ELBS的原理及空气净化性能

ELBS制备和过滤过程

ELBS由多孔基质和功能液体组成。通过界面聚合法制备基质，在不锈钢网（SSM）上沉积十二烷基苯磺酸盐（DBS^–）掺杂的聚吡咯（PPy），利用聚合时间和氧化还原电位分别控制基质的孔径和表面性质。作者选择LiClO₄溶液作为功能液体，并根据所施加的氧化还原电位通过Li⁺离子掺杂（还原过程，亲水）和去掺杂（氧化过程，疏水）来可控和可逆地改变基体的界面润湿性。结果表明，通过调节功能液体对基质的亲和力，在稳态和非稳态之间可逆地切换液体衬里基质，可用于防止颗粒积累。

图2. ELBS的制备及过滤工艺

吸收过程

ELBS的吸收过程分为三个步骤：气泡形成、气泡上升和粒子捕获。在气泡形成步骤中，通过改变ELBS的基质孔径和氧化还原状态来控制生成的微气泡的大小。由于更有效的气液界面传质行为，较小的气泡尺寸提供了更高的颗粒吸收效率。气泡直径D_min的下限可以由几何关系计算为D_min=L+2R(1-cosθ)，其中气泡的中心必须高于其接触线的中心，L是DPM的孔径，R是DPM的纤维半径。在气泡上升步骤中，颗粒被气液界面捕获的关键是它们可以在气泡破裂之前接触到气液界面。

经过理论计算，大部分颗粒的停止距离大于气泡直径，表明颗粒在气泡破裂前有足够时间移动到气液界面。在颗粒捕获过程中，如颗粒接触到气液界面，无论是疏水性颗粒还是亲水性颗粒，都可以被功能液体捕获。在实验中，当亲水性颗粒接触气液界面时，颗粒迅速粘附在界面上并进入功能液体（溶液A，LiClO₄）。当通过添加钠DBS（SDBS）对溶液A进行改性以形成溶液B时，亲水性和疏水性颗粒都可以快速移动到液体中。

图3. ELBS的微泡产生和颗粒吸收过程

应用与性能

ELBS可连续、可编程和自动净化，不受腐蚀或堵塞的影响，对于健康保护、烟气处理和除尘等应用具有吸引力。由于功能液体可调整，ELBS可以调整到特定净化需求所需的性能特征，例如去除异味、有害空气污染物等。甲醛测试表明，ELBS具有良好的去除性能。ELBS不仅可去除腐蚀性烟气，而且具有良好的耐腐蚀性。材料表面形貌的表征表明，裸露SSM的表面被严重腐蚀，而来自ELBS的DPM表面几乎保持不变，表明ELBS的防腐性能。对比商用过滤器，在危险环境下运行超过100 h后，ELBS表现出更好的防堵塞性能，并保持98.2%的净化效率，施加压力没有明显增加。ELBS具有99.6%的高净化效率，容尘量达到950 g m^-2，比其他净化系统高出5至10倍。

图4. ELBS的应用和性能

文献信息

Continuous air purification by aqueous interface filtration and absorption. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05124-y.

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05124-y.

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