静电纺丝纳米纤维空气过滤器优化制备新方法：实现低压降高效室内颗粒物去除

推荐：为解决传统HEPA过滤器压降高、能耗大的问题，研究人员开发了一种基于静电纺丝技术的纳米纤维空气过滤器优化方法。通过解耦电压和纺丝时间的耦合影响，该方法可精准控制PM0.3–0.4过滤效率（η）并实现压降（ΔP）最小化，验证实验中压降最高降低40.6%，室内PM0.3–0.4去除率提升22.7%，为节能型空气净化提供了新方案。

　　

随着城市化进程加速，室内颗粒物污染引发的肺癌、呼吸道感染等健康风险日益凸显。传统高效颗粒空气（HEPA）过滤器虽能有效拦截颗粒物，但其致密结构导致压降（ΔP）过高，不仅增加能耗，还可能产生噪音。更棘手的是，人们90%时间处于室内，而现有技术难以兼顾过滤效率与能耗的平衡。静电纺丝纳米纤维过滤器因其纤维直径接近空气分子平均自由程，可通过滑移效应降低压降，但如何精准调控其结构参数仍是行业痛点。

香港理工大学的研究团队在《Indoor Environments》发表突破性成果，提出一种无需测量结构参数的静电纺丝优化新方法。该研究通过解耦电压（10-22 kV）与纺丝时间（20-300分钟）的耦合关系，建立压降-效率（η）的指数模型η=1?exp(a₁?ΔP)，确定16 kV为最优电压，并推导出纺丝时间公式t_needed=ln(1?η_target)/a₂。实验验证显示，该方法可使PM_0.3–0.4过滤效率误差<1%，压降最高降低40.6%。数值模拟进一步证实，优化后的过滤器在香港公屋应用中，室内PM_0.3–0.4 I/O比率最高降低22.7%。

研究采用四大关键技术：1）多参数静电纺丝制备系统（TL-Pro-BM），调控电压与纺丝时间梯度；2）TSI系列气溶胶测试平台，精确测量压降和效率；3）扫描电镜（SEM）表征纤维形貌；4）基于质量平衡方程的室内颗粒物动态模型，评估实际净化效果。

【2. 方法开发】

通过系统实验建立电压-纺丝时间-过滤性能数据库，发现电压主要影响压降，而纺丝时间主导效率。最优16 kV下，纤维直径稳定在251±37 nm，证明电压对形貌影响可忽略。

【3. 实验验证】

对比69%、89%、94%三种目标效率案例，优化过滤器压降较随机样品平均降低28.8%、17.2%、16.0%，且CADR（洁净空气输送率）提升显著。

【4. 数值评估】

结合香港公屋参数（α=0.16 h^?1，V=98.75 m³），计算显示优化过滤器使PM_0.3–0.4渗透率降低12.8%-22.7%，尤其在高效率区间优势更明显。

该研究突破传统优化需测量纤维直径、厚度等结构参数的局限，首创"电压控压降、时间控效率"的解耦策略。相比前期方法[32]，制备溶液从5组减至1组，测量工作量减少80%，更具工程实用性。尽管目前仅验证PAN（聚丙烯腈）材料和NaCl颗粒，但该方法为开发低能耗空气净化系统提供了普适性框架，未来可拓展至病毒气溶胶过滤等领域。正如研究者Zhuolun Niu和Chun Chen强调，这种"性能导向"的简化优化路径，将加速纳米纤维过滤器在公共卫生场景的规模化应用。