導(dǎo)讀
近日，吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院于吉紅院士團(tuán)隊(duì)在高效、長(zhǎng)效捕獲空氣中懸浮的危險(xiǎn)顆粒物方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種新型、簡(jiǎn)便且通用的空氣凈化策略，未來有望推動(dòng)更為安全、健康的空氣過濾器的發(fā)展。研究成果以“Functional Liquid Layer Enabled Superior Performance of Air Purification Filter”為題，于4月4日發(fā)表在Chem上。
由危險(xiǎn)懸浮顆粒物引發(fā)的空氣污染會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境及公眾健康產(chǎn)生不利影響。因此，研究人員致力于開發(fā)兼具高安全性和長(zhǎng)效穩(wěn)定性的空氣凈化系統(tǒng)。大部分現(xiàn)有過濾器的核心過濾機(jī)制是依賴于其附加的表面吸引位點(diǎn)（例如靜電荷）。然而，這類表面吸引位點(diǎn)通常具有易流失的缺陷，從而使上述傳統(tǒng)過濾系統(tǒng)始終面臨不可避免的應(yīng)用穩(wěn)定性差和表面結(jié)垢/堵塞問題。據(jù)此，本團(tuán)隊(duì)提出了一種新型功能液層介導(dǎo)的凈化系統(tǒng)（LMS）。
圖1.LMS的空氣凈化原理及制備策略
如圖1A所示，LMS整體的過濾機(jī)制包含下述三個(gè)步驟：第一步驟是顆粒物與氣-液界面之間的相互吸引效應(yīng)。理想的功能液層能夠?yàn)閼腋≡诳罩械念w粒提供強(qiáng)大的吸引力。當(dāng)受污染的空氣吹向并靠近過濾器時(shí)，其中的顆粒物就會(huì)被集中吸引至液體表面。而第二步驟涉及到對(duì)顆粒的捕獲。該步驟中的顆粒物的表面自由能變化表明，任何顆粒物從氣相到氣液界面的附著行為均能夠自發(fā)發(fā)生。在第三步驟中，功能液層能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)被捕獲顆粒物的截留與浸沒。浸入功能液層中的顆粒物所受到的總捕獲力（FP）協(xié)同其所需的超高顆粒脫離能（顆粒物脫離液層返回氣相所需要的能量）足以保證被捕獲的顆粒能夠在液層內(nèi)留存下來。換句話說，功能液層作為核心的捕獲介質(zhì)能夠“拖拽”顆粒物進(jìn)入液層內(nèi)部，并且同時(shí)阻止被捕獲的顆粒物逃逸返回氣相。LMS能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)幾乎所有種類的空氣內(nèi)懸浮顆粒物（無論其潤濕性和表面形態(tài)）的有效捕獲。
該研究重點(diǎn)開發(fā)了以丙三醇液體層作為核心液體介質(zhì)的LMS（命名為GMPPM），通過采用一種連續(xù)卷對(duì)卷生產(chǎn)方法（圖1B）實(shí)現(xiàn)了單根纖維基質(zhì)上形成超薄的液態(tài)外殼層。這種“核殼”結(jié)構(gòu)的GMPPM（其中甘油作為外殼部分，纖維基質(zhì)作為核部分）能夠保持過濾器固有的高孔隙率，以提供一條通暢的空氣通道從而避免高壓力降數(shù)值的產(chǎn)生。這一獨(dú)特的液態(tài)-多孔膜基質(zhì)結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)液膜由于液體引入造成的孔隙堵塞缺陷。
圖2.由表面張力效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的顆粒物吸引步驟
為進(jìn)一步證明LMS的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，研究人員選取了具有不同表面張力的功能液體以評(píng)估高表面張力效應(yīng)在顆粒物捕獲過程中的重要性（圖2，第一步驟）。
圖3. GMPPM的過濾性能及顆粒捕獲情況
此外，研究人員以煙塵和氯化鈉氣溶膠粒子作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，用于評(píng)估LMS的綜合過濾性能（圖3）。
圖4.GMPPM的顆粒物截留步驟
同時(shí)，基于顆粒物在GMPPM內(nèi)的高脫離能需求，研究人員構(gòu)建了顆粒物浸沒與逃逸模型（圖4）。計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明，即使是具備表面超疏水性的顆粒物也傾向于被牢牢地困在液層中，而不是經(jīng)碰撞后重返氣相（第二、三步驟）。
圖5.LMS的應(yīng)用潛力
與傳統(tǒng)的商業(yè)空氣凈化策略不同，LMS這一低阻力微粒過濾器有望擴(kuò)大實(shí)際應(yīng)用范圍并提高過濾系統(tǒng)的整體安全標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗苡行У剡^濾微小且危險(xiǎn)的生物氣溶膠，且其超高的容塵量使得其在高濃度塵霾環(huán)境下能發(fā)揮高效作用。此外，LMS具有顯著的耐久性，從而有潛力解決聚合物原材料的濫用問題，并有助于減輕經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境損害。此外，基于LMS的可組合性，通過調(diào)整LMS以匹配過濾要求，可以實(shí)現(xiàn)更多通用和適用功能的發(fā)展（圖5）。
吉林大學(xué)博士后王琪菲為第一作者。通訊作者為吉林大學(xué)于吉紅院士和王洋教授。合作團(tuán)隊(duì)在吉林大學(xué)的研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)、吉林省重大科技專項(xiàng)、中國博士后科學(xué)基金和國家資助博士后研究人員計(jì)劃（B檔）科技部等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2025.102526
來源：吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院
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