摘要：吉林大学于吉红院士、王洋教授等人展示了一种基于核壳液介导膜过滤器的新型液介导净化系统（LMS），该系统能够高效捕获几乎所有有害的空气悬浮颗粒。该系统克服了传统过滤系统不可避免的不稳定性和结垢/堵塞问题，这些问题是由不稳定的表面吸引力位点（例如静电荷）引起的。

成果介绍

悬浮颗粒物造成的空气污染对公众健康产生不利影响，因此促使人们开发空气净化系统。

吉林大学于吉红院士、王洋教授等人展示了一种基于核壳液介导膜过滤器的新型液介导净化系统（LMS），该系统能够高效捕获几乎所有有害的空气悬浮颗粒。该系统克服了传统过滤系统不可避免的不稳定性和结垢/堵塞问题，这些问题是由不稳定的表面吸引力位点（例如静电荷）引起的。

在LMS中优化的液层（例如甘油）具有显著的表面张力效应和较高的颗粒脱离能量，能够实现一体化的三步颗粒捕获过程（颗粒吸引、附着和留存），在3个月的使用期内滤过效率超过99%，且无阻力增加。这种液层引导的净化策略与液层作为主要过滤层具有良好的兼容性和可调节性，促进了通用、高效且环保的颗粒捕获技术的发展。

相关工作以《Functional liquid layer enabled superior performance of air purification filter》为题在《Chem》上发表论文。

图文介绍

图1 LMS的空气净化原理及制造策略

本文提出了一种新型的液态介导空气过滤器，以利用一种更简便且通用的空气净化策略。基于对膜基质与液层之间表面化学的合理调节，本文通过一种简单的卷对卷生产方法，巧妙地设计了一种液态功能化的纤维膜，其中每根纤维都被均匀地涂覆上一层稳定且超薄的液态外壳。这种液态-基质结构提供了清晰的空气通道，并避免了传统过滤器的堵塞问题，从而实现了稳定的低压力降。此外，液态层还能够有效地捕获空气中的颗粒物和污染物，从而实现高效的空气净化。整体过滤机制包含三个步骤，如图1A所示。

第一步是粒子与液气界面之间的相互作用。理想的液体能够为悬浮在空中的颗粒提供强大的吸引力。一旦受污染的空气靠近过滤器，颗粒就会被吸引到液体表面。接下来的第二步涉及对颗粒的捕获。在附着过程中，表面自由能变化表明，从气相到气液界面的颗粒附着能够自发发生。在第三步中，功能性液层能够实现对被捕获颗粒的留存。浸入液中的颗粒所受到的总捕获力（FP）促进了留存过程，而且由于极高的颗粒脱离能，这些颗粒能够在液体内留存下来。换句话说，功能性液介质能够“拖拽”颗粒进入液相，并且能够阻止它们逃回气相。LMS 能够实现对几乎所有种类的空气悬浮颗粒的有效捕获，无论其润湿性和表面形态如何。

首先设计了一种基于甘油介导的聚合物光致变色（PPM）材料（GMPPM），采用了一种简单的连续卷对卷生产方法（图1B），这种方法可以在商用卷对卷生产机上简便地进行，能够大规模经济且实用地生产过滤器。这种制造方法能够施加强大且均匀的压力，从而确保在每个纤维基质上形成超薄的液态外壳。这种“核壳”结构的GMPPM（其中甘油作为外壳部分，纤维基质作为核部分）能够保持PPM的高孔隙率，并提供一条清晰的空气通道以避免高压降。此外，优越的过滤性能被认为取决于功能性液体外壳的稳定性和均匀性。

因此，对PPM基质和功能性液体表面化学的合理调节至关重要，因为它能够提供强的基质-液体亲和力，并对构建高度均匀和稳定的“核壳”结构具有重要意义。如图1C所示，引入了等离子体处理来调节聚偏氟乙烯（PPM）与甘油之间的亲和力，从而形成均匀的液膜包覆层，且不会阻塞原始膜的孔隙（图1C），进一步实现了高过滤效率与相对较低压力降之间的平衡。相比之下，由于气泡基质与液膜之间的亲和力，纤维表面形成的液桥和空白区域会严重影响过滤性能（图1D）。

图2 由表面张力效应驱动的粒子吸引力

准确选择功能性液体，以实现高效的粒子吸引、捕获和留存。在本文中，以烟尘和氯化钠气溶胶粒子作为实验对象，来评估LMS的过滤性能；同时，聚乙二醇（PEG，平均分子量400，PEG 400）和甲基硅油被选作对比功能性液体，以验证液面张力效应在过滤过程中的重要性（图2A-2D）。值得注意的是，随着液面张力的增加（从23.70到64.30 mN/m；图2E），过滤效率明显从约80%提升至99%（针对0.3毫米大小的颗粒）。其中，GMPPM的过滤效率表现尤为出色，超过99%，尤其是对于小于0.3毫米的颗粒（图2E）。

这种竞争性的过滤性能是由高表面张力效应（甘油的表面张力约为64.00 mN/m）所驱动的，它为分散的微小空气悬浮颗粒提供了足够的吸引力以实现附着。使用甘油理论上能够弥补PPMs（微孔过滤膜）固有的微观尺度孔隙结构的缺陷，从而增加空气悬浮颗粒的沉积概率，并且与常规策略相比，还能整体优化过滤性能。

图3 GMPPM的过滤性能及颗粒捕获情况

进一步确定，即便粒子与液相界面接触之后，它们是否仍能逃逸至气相中。图3A对W（脱离能）、Rp（粒子半径）和q（接触角）之间的关系给出了很好的解释。如图所示，脱离能随着接触角q的减小而大幅增加，这表明疏水性粒子更容易逃逸至气相中。以半径为1.0毫米、初始接触角为150°的粒子为例，脱离能达到了2.3×108 KBT（图3B）。在粒子开始在气液界面处附着之前，粒子所能获得的初始能量是动能（E）。考虑到某些空气粒子（如花粉或灰尘，其密度小于2克/平方毫米，尺寸小于1毫米）的典型速度为E被计算为130 KBT，这远远低于粒子要重返气相所需的脱离能。上述计算结果表明，即使是超疏水的粒子也倾向于被牢牢地困在液相中，而不是重返气相。

当对直径约0.3毫米左右的烟尘颗粒和气溶胶颗粒进行连续36小时的过滤时（图3C和3D），能够实现并保持长时间的过滤效率，达到99%以上，这是大多数基于膜的过滤器难以实现的。针对水性氯化钠气溶胶颗粒的过滤效率略高于针对烟灰颗粒的过滤效率。一旦气溶胶覆盖的颗粒与甘油层接触，水与甘油之间的相容性会促进颗粒附着于液面，从而实现颗粒的附着过程。

图4 GMPPM上的颗粒截留情况

此外，作用于粒子上的合力会引导其运动，这也与粒子的润湿性有关，如图4A和B所示。尽管实际的过滤模型是多方向的，但由于粒子尺寸极小（小于1.0毫米），重力（FG）可以忽略不计，而其他力主要沿着气液界面的方向分布。因此，通过可视化构建了一个垂直模型，以便更好地研究在粒子过滤过程中由合力驱动的保留效果。如图所示，当CA小于90°时，大部分粒子处于液相一侧，粒子表现出强烈的向液相介质移动的趋势（图4B），并且最终会被捕获。所选的甘油层对典型的水基和油基粒子显示出强大的保留能力，进一步证实了其高效的粒子捕获能力。

图4C展示了一个示意性的碰撞可能性示意图，以进一步验证粒子在与纤维壁碰撞后或与其他粒子碰撞后能否留在液相介质中。在此过程中，粘性力（Fvis）和毛细力（Fcap）共同作用以阻碍粒子在进入气相时发生碰撞，进一步表明它们有可能留在液层内部；一个尺寸约为50纳米的粒子开始进入气相所需的脱离能可超过1×108 KBT（图4D）。如此高的能量需求能够及时阻止大多数污染物（即便是病毒）向气相中的扩散。在有害烟尘浓度（PM1.0-0.3，浓度大于1000 毫克/立方米）下进行50次过滤循环后，液层的粉尘吸附量增加到100克/平方米，且GMPPM实现了在99%过滤效率和压力降不变之间的出色平衡（图4E-4G）。

图5 LMS的应用潜力

与商业空气净化策略不同，LMS（低阻力微粒过滤器）有可能扩大应用范围并提高安全标准，因为它能有效地过滤微小且危险的生物气溶胶。此外，LMS具有显著的耐久性，从而解决了PP聚合物的滥用问题，并有助于减轻经济损失和环境损害。而且，通过调整LMS以匹配过滤要求，可以实现更多通用和适用功能的发展（图5A）。面罩式呼吸过滤器被视为医疗保健领域至关重要的个人防护装备。

N95面罩被指定用于日常防护，但在之前的研究中，其坚固性和安全性已被评估为在面对孤立的小型生物气溶胶时不够可靠。相比之下，LMS在这些生物气溶胶方面显示出更高的安全性水平，显示出很强的生物相容性。当将Ag@PPM作为过滤基质和甘油作为功能性液体相结合时，过滤系统表现出非凡的抗菌能力（图5B）。对于那些难以捕获的孤立小型空气传播病毒，开发一种更安全、更高效的纯化途径就显得尤为重要。在图5C中，使用了一种直径约为60-140纳米的致命、新型且严重的SARS-CoV-2来评估LMS的病毒过滤性能和抗病毒潜力。LMS成功地将病毒浓度降低了两个数量级，这表明其过滤病毒的效率极高，能够过滤掉99%的病毒。此外LMS通过采用Cu@PPM作为过滤基质（病毒浓度降低了三个数量级）而展现出令人惊叹的抗病毒性能。

对于大多数基于膜的过滤器而言，只有当气体污染物流经它们时，颗粒才能被捕获在膜的织物壁和孔隙中。随着这些颗粒在过滤器表面的累积，会明显增加压力降，并降低过滤效率（图5D）。在相同的过滤要求下，LMS具有较高的粉尘承载能力和功能液层的均匀性，能够提供更高效和稳定的净化途径。在高湿度环境下，水分会大幅消除表面的静电电荷，从而导致过滤性能不佳。而且，过滤器表面的水滴积聚会导致安全性和回收性变差。与商业膜基过滤器不同的是，GMPPM具有良好的吸湿性，有助于吸附水分并防止表面水滴积聚（图5E）。

文献信息

Functional liquid layer enabled superior performance of air purification filter，Chem，2025.

来源：MS杨站长