碳纳米管基高效空气过滤介质的制备与性能研究

With the growing concern of the environment and health issues, the micro/nano- particle pollutants in air have attracted more and more attentions. Accordingly, there are higher requirements and more demands on high efficiency particulate air filter (HEPA) all over the world. Most of current HEPA are composed of microfibers. However, according to theoretical predictions, the use of nanofibers as filter media will bring higher filtration efficiency and larger dust capacity. In addition, most of the current HEPAs have a limited lifetime and cannot be regenerated. Carbon nanotubes (CNTs) have tunable diameters in nanoscale, unique properties and can be produced in large scale with low cost. In this project, we proposed to fabricate CNT membranes and microfiber/CNT hybrid membranes by chemical vapor deposition directly and investigate their performance as air filter media. By tuning the structures of CNT-based filter media, we will study the dependence of filtration performance on the micro/nano-structures of the membranes. Furthermore, by taking advantages of the unique electrical, optical properties and the excellent thermal stability of CNTs, we will explore the regeneration of CNT-based HEPA media. Regenerative CNT-based air filter media with high filtration efficiency and low pressure drop is the target of this project. This study will promote the applications of CNTs in the field of air filtration and benefit the fundamental understanding on nanofiber air filtration.

随着人类对环境和健康问题日益增长的关注，空气中细小颗粒污染物的问题越来越受到世界各国的重视，随之而来，对高效空气过滤器（HEPA）有了更高的要求。目前的HEPA多由微米级纤维过滤介质构成，而理论研究表明，纳米纤维介质将为HEPA带来更高的过滤效率和更大的容尘量。此外，目前的HEPA多数无法实现再生和重复使用。本项目拟利用化学气相沉积法制备的碳纳米管薄膜和亚微米级纤维/碳纳米管多级结构薄膜作为空气过滤介质，通过对其微纳米结构的调控，系统研究碳纳米管基空气过滤介质的构效关系，并在此基础上，利用碳纳米管独特的理化性能，探索碳纳米管基空气过滤介质再生的方法和效率，以期制备出高效率、低阻力、可再生型碳纳米管基空气过滤器，并为纳米纤维空气过滤理论的发展提供科学依据。

空气过滤技术是工业现代化的标志之一。传统的空气过滤理论建立在微米纤维的研究基础上。纳米材料科学的飞速发展给传统的过滤领域带来了巨大的机遇与挑战。以碳纳米管为代表的纳米纤维具有其高比表面积、小直径等特性，被认为是制备高效空气过滤材料的理想材料。然而，如何对纳米纤维进行合理的结构设计是充分发挥其优异性能的关键。本项目以制备高效率、低阻力与高使用寿命的过滤材料为目标，围绕碳纳米管基空气过滤材料的制备、结构设计与性能展开。 提出了一种多级结构的设计思路。以微米石英纤维膜为基底，通过原位浮游化学气相沉积的方法在石英纤维表面原位生长碳纳米管，得到碳纳米管/石英纤维空气过滤材料。碳纳米管的引入使得原始过滤材料的比表面积增大了12倍以上，结果使得过滤材料的穿透率下降了两个数量级，过滤材料的过滤效率达到了高效空气过滤材料（HEPA）的标准。与此同时，过滤材料的质量因子也明显上升。另外，使用寿命低是高效空气过滤材料在应用中遇到的突出问题。本项目基于梯度过滤的概念，设计了具有梯度结构的碳纳米管/石英纤维空气过滤材料，实现了碳纳米管在石英纤维膜厚度方向上的指数分布。这种结构的过滤材料比原始石英纤维过滤材料具有更高的过滤效率与质量因子，与此同时，使用寿命提高了64%。发现梯度结构的排列方式对使用寿命影响巨大，质量因子这一指标不足以对过滤材料性能进行准确评价。还借助气溶胶技术实现了催化剂在基体表面的大面积负载，从而解决了具有梯度结构的碳纳米管/空气过滤材料的大规模制备问题。 流态化技术在空气过滤领域具有良好的应用前景，其具有低过滤阻力、高容尘量的优点，然而如何实现高过滤效率仍是挑战。本项目设计了基于碳纳米管聚团流化床的空气过滤器，研究发现流化床只有在散式流化区才具有良好的过滤效率，而当流化床进入鼓泡流化状态时，过滤效率会迅速下降，并且碳纳米管会从聚团表面脱落。通过调节床层高度，能够使流化床达到HEPA效率标准。 总之，这项研究探索了碳纳米管空气过滤器的结构设计、制备，验证了其优异的过滤性能，并探索了其过滤机理、使用寿命等，为一维纳米材料用于空气过滤奠定了基础。