《碳納米管基高效空氣過濾介質的製備與性能研究》是依託清華大學，由張瑩瑩擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：碳納米管基高效空氣過濾介質的製備與性能研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：張瑩瑩
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
隨著人類對環境和健康問題日益增長的關注，空氣中細小顆粒污染物的問題越來越受到世界各國的重視，隨之而來，對高效空氣過濾器（HEPA）有了更高的要求。目前的HEPA多由微米級纖維過濾介質構成，而理論研究表明，納米纖維介質將為HEPA帶來更高的過濾效率和更大的容塵量。此外，目前的HEPA多數無法實現再生和重複使用。本項目擬利用化學氣相沉積法製備的碳納米管薄膜和亞微米級纖維/碳納米管多級結構薄膜作為空氣過濾介質，通過對其微納米結構的調控，系統研究碳納米管基空氣過濾介質的構效關係，並在此基礎上，利用碳納米管獨特的理化性能，探索碳納米管基空氣過濾介質再生的方法和效率，以期製備出高效率、低阻力、可再生型碳納米管基空氣過濾器，並為納米纖維空氣過濾理論的發展提供科學依據。
結題摘要
空氣過濾技術是工業現代化的標誌之一。傳統的空氣過濾理論建立在微米纖維的研究基礎上。納米材料科學的飛速發展給傳統的過濾領域帶來了巨大的機遇與挑戰。以碳納米管為代表的納米纖維具有其高比表面積、小直徑等特性，被認為是製備高效空氣過濾材料的理想材料。然而，如何對納米纖維進行合理的結構設計是充分發揮其優異性能的關鍵。本項目以製備高效率、低阻力與高使用壽命的過濾材料為目標，圍繞碳納米管基空氣過濾材料的製備、結構設計與性能展開。 提出了一種多級結構的設計思路。以微米石英纖維膜為基底，通過原位浮游化學氣相沉積的方法在石英纖維表面原位生長碳納米管，得到碳納米管/石英纖維空氣過濾材料。碳納米管的引入使得原始過濾材料的比表面積增大了12倍以上，結果使得過濾材料的穿透率下降了兩個數量級，過濾材料的過濾效率達到了高效空氣過濾材料（HEPA）的標準。與此同時，過濾材料的質量因子也明顯上升。另外，使用壽命低是高效空氣過濾材料在套用中遇到的突出問題。本項目基於梯度過濾的概念，設計了具有梯度結構的碳納米管/石英纖維空氣過濾材料，實現了碳納米管在石英纖維膜厚度方向上的指數分布。這種結構的過濾材料比原始石英纖維過濾材料具有更高的過濾效率與質量因子，與此同時，使用壽命提高了64%。發現梯度結構的排列方式對使用壽命影響巨大，質量因子這一指標不足以對過濾材料性能進行準確評價。還藉助氣溶膠技術實現了催化劑在基體表面的大面積負載，從而解決了具有梯度結構的碳納米管/空氣過濾材料的大規模製備問題。 流態化技術在空氣過濾領域具有良好的套用前景，其具有低過濾阻力、高容塵量的優點，然而如何實現高過濾效率仍是挑戰。本項目設計了基於碳納米管聚團流化床的空氣過濾器，研究發現流化床只有在散式流化區才具有良好的過濾效率，而當流化床進入鼓泡流化狀態時，過濾效率會迅速下降，並且碳納米管會從聚團表面脫落。通過調節床層高度，能夠使流化床達到HEPA效率標準。 總之，這項研究探索了碳納米管空氣過濾器的結構設計、製備，驗證了其優異的過濾性能，並探索了其過濾機理、使用壽命等，為一維納米材料用於空氣過濾奠定了基礎。
