苔藓基多孔介质中水分耦合的气溶胶过滤：颗粒捕集增强与空气动力学阻力权衡

《Building and Environment》：Moisture-coupled aerosol filtration in moss-based porous media: enhanced particle capture and aerodynamic resistance trade-off

　　

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  基于苔藓的过滤器在亚微米气溶胶过滤方面进行了评估。
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  水分增强了颗粒捕集，但增加了压降。
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  泥炭藓在过滤效率和QF方面优于羽藓。
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  苔藓过滤器表现出与纤维过滤器相似的MPPS行为。
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  水分在苔藓介质中造成了捕集与阻力之间的权衡。

引言

空气中的颗粒物（PM），特别是细颗粒物和超细颗粒物，仍然是一个主要的健康和公共健康问题，因为亚微米尺寸范围内的颗粒可以深入渗透到呼吸道，并与心肺疾病、全身性炎症反应和过早死亡相关[[1], [2], [3], [4], [5]]。由于人们大部分时间在室内度过，室内PM暴露受到室外渗透、室内排放、沉降、通风和空气净化的综合影响[6,7]。因此，有效地将颗粒从气流中分离出来是降低吸入暴露的核心工程策略，特别是对于无法仅靠重力沉降高效去除的亚微米颗粒。HVAC系统和便携式过滤系统被广泛用于此目的，其效果强烈依赖于在真实气流条件下按尺寸解析的空气中颗粒物的去除[8]。

传统空气过滤器通常基于聚合物纤维介质，颗粒物的去除通过布朗扩散、拦截、惯性碰撞以及在某些情况下的静电相互作用的综合效应发生[[9], [10], [11], [12]]。这些机制导致出现特征性的最易穿透粒径（MPPS），在此粒径处过滤效率达到最低值，因为扩散主导机制和惯性主导机制均不够有效[9,10]。纤维过滤器的性能强烈受结构参数的控制，如纤维直径、堆积密度、孔隙结构、层状构型和沉积均匀性，所有这些参数都会影响颗粒捕集和气流阻力[[13], [14], [15], [16]]。因此，过滤介质的实际设计不仅取决于过滤效率，还取决于颗粒去除与压降之间的权衡，通常使用质量因子（QF）来评估。尽管高性能纤维过滤器取得了很大进展，但大多数商业过滤器是由不可生物降解的合成聚合物制成的，引发了关于资源消耗、塑料废物产生和使用寿命结束处置的担忧[[17], [18], [19]]。这一局限性促使人们对可持续的和生物基过滤材料产生了越来越大的兴趣，这些材料能够提供有效的颗粒捕集并改善环境兼容性。基于植物和草本的生物过滤系统作为替代空气净化技术引起了关注。先前的研究表明，草本生物过滤器可以通过涉及植物吸收、微生物降解、基质吸附以及通过生长介质的主动气流等耦合过程，去除挥发性有机化合物（VOCs）、甲醛、二氧化氮和臭氧等气态污染物[[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26]]。几项研究还报告了使用室内草本生物过滤器、绿墙系统和路边草本生物过滤装置可降低PM浓度[27,28]。然而，大多数基于植物的PM去除研究是在系统或房间尺度上进行的，通常使用整体PM_2.5或PM₁₀浓度变化作为性能指标，而不是按尺寸解析的过滤指标。因此，植物衍生介质作为功能性气溶胶过滤器的作用仍然了解不足，特别是在亚微米范围内，颗粒传输机制会随颗粒直径和面速度的变化而强烈变化。这一差距很重要，因为一种在减少整体PM质量方面看似有效的材料，当作为过滤介质评估时，不一定表现出有利的MPPS行为、压降特性或QF。

苔藓是生物基颗粒过滤的一个特别有前景的候选材料，因为它的结构与工程化纤维过滤器有着根本性的不同。苔藓是非维管植物，具有高度异质的多孔结构、较大的有效表面积和强大的持水能力[29]。由于这些特性，苔藓被广泛用作大气污染物的生物监测材料，包括颗粒物和重金属[29,30]。野外研究还表明，苔藓表面可以有效地捕集空气中悬浮的PM，在某些情况下，在路边条件下表现出比常见树叶更强的PM滞留能力[31]。更广泛地说，关于基于植物的PM捕集研究表明，表面粗糙度、微观结构、润湿性和天气条件可以显著影响颗粒沉积、滞留和冲刷[[32], [33], [34]]。基于苔藓的系统也被探索用于富水分的应用，如雾收集和去除[35]。这些特性表明，不应简单地将苔藓视为被动的生物表面，而应将其视为一种持水的、生物衍生的多孔介质，能够通过物理拦截和表面介导的粘附与空气中的颗粒相互作用。基于苔藓的过滤介质的一个显著特征是其与水分固有的耦合。与传统的干式合成过滤器不同，苔藓可以在其多孔结构内保留大量水分，这可以改变孔隙几何形状、表面润湿性、流动路径和颗粒-表面相互作用。水分已知在过滤系统中会产生相互竞争的影响。在湿式或液载纤维过滤器中，保留的液体可以增加有效捕集体直径，形成液桥，通过毛细力增强粘附，并抑制颗粒回弹，从而提高颗粒捕集[36,37]。同时，液体积聚可以减少开放孔隙空间，增加曲折度，促进毛细引起的流动阻力，并大幅增加压降[[36], [37], [38], [39], [40]]。因此，水分可以提高过滤效率，同时降低空气动力学性能，造成一个核心的分离权衡。尽管这些效应已在工程化湿式纤维过滤器和雾过滤系统中得到研究，但它们尚未在具有生物结构、持水能力强的介质（如苔藓）中得到系统解决，在这些介质中，异质形态和吸水可能导致与传统纤维介质不同的过滤行为。

在本研究中，在受控的干式和湿式条件下，实验评估了基于苔藓的多孔过滤器对亚微米NaCl气溶胶的过滤性能。制备了由泥炭藓（Sphagnum）和羽藓（Hypnum plumaeforme）组成的不同配置的过滤器，以考察苔藓类型和空间排列的影响。在颗粒尺寸范围为22–540 nm、面速度为1.2、1.5和1.8 m s?¹的条件下，测量了按尺寸解析的过滤效率、压降、MPPS和QF，并将结果与商用MERV等级过滤器进行了对标比较。本研究解决了三个具体问题：(i) 苔藓微观结构和材料类型如何影响按尺寸解析的颗粒捕集，(ii) 保留的水分如何改变过滤效率和空气动力学阻力，以及(iii) 与常规过滤器相比，基于苔藓的介质能否实现有利的效率-压降平衡。通过将生物结构、持水能力和气溶胶过滤物理联系起来，本工作提供了一个评估水分耦合的生物衍生多孔过滤器的框架，并确定了它们在可持续空气净化应用中实际使用的关键设计约束。

章节摘要

过滤器配置与材料

选择了两种苔藓物种——泥炭藓（Sphagnum，新西兰来源；S. cristatum和S. subnitens）和羽藓（Hypnum plumaeforme，韩国来源）——作为生物衍生过滤介质，因为它们的形态和持水特性各不相同。这两种苔藓均以商业供应的气干（非活体）材料形式获得，并未经过任何化学或热处理。因此，本研究考察的过滤行为反映了物理结构和持水[能力]

干苔藓介质的尺寸依赖性过滤行为

图5显示了四种干苔藓过滤器配置的按尺寸解析的过滤效率。所有干苔藓过滤器在测试的颗粒直径范围内均表现出U形的效率曲线，表明存在与常规纤维和多孔过滤介质中观察到的类似的尺寸选择性颗粒捕集。对于较小的颗粒，过滤效率相对较高，在中间尺寸范围内降至最低值，然后对于较大的颗粒又有所增加。

结论

本研究调查了基于苔藓的多孔介质在干式和湿式条件下的亚微米气溶胶过滤行为，重点关注生物微观结构和保留水分的耦合效应。在干式条件下，苔藓过滤器表现出特征性的尺寸依赖性过滤行为，包括U形效率曲线和约200–300 nm范围内的MPPS值。在所测试的配置中，基于泥炭藓的过滤器表现出最佳干态性能，

CRediT作者贡献声明

Hyeon-Min Kang：写作——原稿撰写、可视化、调查、形式化分析、数据整理。 Handol Lee：写作——原稿撰写、可视化、验证、调查、形式化分析。 Yong-Ho Lee：方法论、调查、形式化分析。 Choulyoung Kim：资源、资金获取、概念构思。 Se-Jin Yook：写作——审阅与编辑、验证、监督、资源、概念构思。

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