通过静电纺丝和静电喷雾制备的双功能EES-PAC/PAN纤维膜用于空气净化

《Process Safety and Environmental Protection》：Dual-functional EES-PAC/PAN fibrous membrane for air purification via electrospinning and electrospraying

　　

摘要

气溶胶和挥发性有机化合物（VOCs）是常见的室内空气污染物，对健康构成重大风险。尽管纤维过滤介质在捕获气溶胶颗粒方面效果显著，但通常缺乏去除VOCs的能力。本研究将静电纺丝和静电喷雾技术相结合，制备了粉末活性炭/聚丙烯腈（EES-PAC/PAN）复合纤维膜，获得了一种轻质可携的双功能空气净化材料。我们系统研究了PAC含量对复合材料结构和功能性能的影响。在制备过程中，PAC颗粒的分散和PAN纤维的拉伸独立进行，使各组分保留其原始形态和特性。与纯PAN纤维膜相比，EES-PAC/PAN复合纤维膜的平均直径相似，约为0.2 μm。优化后的复合纤维膜对PM0.3实现了超过99.4%的高过滤效率，过滤阻力低于138.1 Pa，表现出优异的质量因子（QF）。此外，静电喷雾工艺通过减少孔隙堵塞，有效保留了PAC的孔隙结构。在面密度为4.93 g·m?2时，EES-PAC/PAN复合纤维膜展现出415.94 m2·g?1的高比表面积和381.99 mg·g?1的苯静态吸附容量（20 °C）。这些性能指标远超传统工艺生产的商业过滤材料。本研究为新型室内空气净化过滤材料的开发提供了切实可行的设计方案，涵盖设计、制备和工程应用。

引言

大气气溶胶对人类健康和福祉构成重大风险。细颗粒物，特别是PM2.5，可被吸入并沉积在呼吸道中，导致局部损伤（He等，2026）。这些颗粒还可能进入血液，引发心脑血管疾病，并对其他器官系统造成二次危害（Jung等，2019，Xu等，2026）。鉴于COVID-19大流行及其相关公共卫生挑战，生物气溶胶的去除已成为关键研究领域（Lai等，2024，Frydas等，2025）。在室内环境和个人防护装备中，气溶胶过滤主要通过纤维过滤技术实现。常用的过滤材料包括玻璃纤维过滤材料、熔喷非织造布和静电纺丝纤维膜等（Fu等，2025，Sanyal和Sinha-Ray，2021）。玻璃纤维过滤材料作为成熟的商业产品，已广泛应用于高效及超低穿透率空气过滤器（Fu等，2025）。然而，这些材料依赖致密的纤维堆积和低孔隙率来捕获颗粒，导致气流阻力高、能耗增加（Liu等，2024a，Sheng等，2020）。此外，玻璃纤维在使用或处理过程中容易脱落和破碎，引发二次暴露的担忧（Manzo等，2016）。熔喷非织造布由微米级和亚微米级纤维组成，依靠静电吸附捕获细颗粒（Xue等，2025，Wu等，2023）。尽管有效，但其压降较高，且需额外的驻极处理，增加了生产成本（Shao等，2025）。玻璃纤维和熔喷材料的克重也相对较高。相比之下，静电纺丝纤维直径通常在纳米至亚微米级别。在高电压电场下，这些纤维保留表面电荷并形成多孔、蓬松的结构（Deng等，2021）。这种形态增强了与亚微米颗粒的静电相互作用，从而提高捕获效率（Yu等，2024）。同时，它也为气流提供了畅通的通道。在相同过滤条件下，其阻力低于当前商业熔喷过滤介质。此外，静电纺丝材料与功能添加剂具有优异的兼容性，便于适应多种应用。

除颗粒物外，大气中还含有大量挥发性有机化合物（VOCs）等气态污染物。这些空气污染物可通过多种途径进入人体，包括结膜、皮肤和呼吸道（Jiang等，2025）。暴露可能导致一系列急性或慢性毒性效应，造成器官损伤（Zhu等，2026）。这些气态污染物还可与气溶胶相互作用形成复合污染，产生协同效应，进一步危害人体健康（Tian等，2026）。VOCs的去除主要通过吸附技术实现（Zhang等，2017）。活性炭目前是最广泛使用的吸附剂，具有发达的孔隙结构、低廉的成本和广泛的原料来源（Wen等，2024，Li等，2020）。然而，活性炭作为粉体材料，自粘性差且结构不稳定，限制了其成型能力（Baghirzade等，2023）。这一固有缺陷使其需要与其他材料结合才能在实际应用中发挥作用（Soberman等，2020）。将纤维材料与吸附剂结合可以固定颗粒，从而提高复合材料的可加工性（Si等，2024，Jaworek等，2009）。现有双功能复合纤维膜的制备策略主要包括一步纺丝、分步纺丝/浸渍后处理和原位生长。然而，上述方法在吸附剂均匀负载、孔隙结构保持、工艺重现性和纤维形态完整性方面仍存在一定局限性。例如，采用一步混合纺丝时，聚合物溶液容易渗入并堵塞吸附剂的内部孔隙，大幅降低吸附容量。分步纺丝工艺繁琐，且难以实现吸附剂颗粒在纤维网络中的均匀分布。原位生长工艺通常重现性差，且难以在高吸附剂负载与均匀分散之间取得平衡。此外，晶体生长过程往往改变纤维的本征形态，进而影响膜材料的空气过滤性能（Chen等，2025，Wang等，2025a，Xu等，2025a）。因此，双功能复合纤维膜的应用面临紧迫的工程挑战。大量研究致力于构建兼具颗粒物过滤和气态污染物吸附功能的静电纺丝复合纤维过滤介质。然而，此前对双功能复合纤维膜的研究多集中于通过调节纤维直径或组分比例来改善单一过滤性能。掺杂的吸附剂往往仅被视为增加颗粒捕获位点的手段。因此，这些材料的整体净化性能尚未得到系统研究。此外，鲜有研究从颗粒负载引起的膜孔隙变化如何影响过滤性能的角度提供机理解释（Huang等，2020）。另外，当高含量PAC掺入纤维膜时，PAC在纤维表面或纤维网络中的固定稳定性直接影响材料的长期安全性和吸附性能。迄今为止，此类复合过滤材料中活性颗粒脱附的研究仍然有限。因此，除了评估过滤和VOC吸附性能外，本研究还考察了PAC颗粒的保留稳定性，并探讨了限制颗粒脱附的可行策略。

为克服这些工艺局限性并理解结构-性能关系，本研究采用集成静电纺丝-静电喷雾策略。以无水乙醇作为分散介质，组装了配备微型磁搅拌模块的静电喷雾发生器。通过一步操作，同时形成静电纺丝PAN纤维膜并负载粉末活性炭（PAC），制备了既能过滤颗粒物又能吸附气态污染物的EES-PAC/PAN复合纤维膜。在电场作用下，含有PAC的乙醇液滴迅速蒸发，使PAC颗粒均匀嵌入光滑的PAN纤维网络中，而不干扰纤维形成。后续真空或热干燥可去除吸附在PAC上的乙醇，恢复活性炭的原始孔隙结构。该工艺不仅有效保持了PAC的固有孔隙通道，最大限度减少复合制备过程中对纤维形态的损伤，还在实现高吸附剂负载的同时保留了优异的吸附性能。此外，该方法简化了制备流程，降低了操作复杂度和材料消耗。

在此基础上，本研究进一步对比了两种方法制备的静电纺丝复合纤维的孔隙结构：一步直接混合与集成工艺。我们阐明了吸附剂负载和负载方式如何改变纤维结构，并展示了嵌入颗粒含量如何控制结构-性能关系。

所得EES-PAC/PAN复合纤维膜的PAC负载量为63.7 wt%。它保留了孔隙结构，具有高比表面积，同时保持PAN纤维网络完整。纤维层之间的额外气流通道在不降低过滤效率的情况下减少了空气阻力。在面风速0.053 m·s?1下，复合膜实现>99%的PM?.?过滤效率，质量因子为0.041 Pa?1，并表现出强劲的苯吸附能力。其性能超过商业熔喷过滤介质和一步静电纺丝PAC膜。

这些发现表明，EES-PAC/PAN复合纤维膜轻质高效，具有强劲的VOC去除性能。该材料还具有足够的机械强度和柔韧性，适用于个人防护装备、室内空气净化器和自然通风窗纱。

总体而言，本研究解决了一步静电纺丝中的一个实际工程局限：基体聚合物堵塞吸附剂的孔隙结构。我们提出了一种静电纺丝-静电喷雾分离负载策略，将纤维形成与颗粒负载解耦。该方法使PAC在掺入后保持原始孔隙结构。该策略解决了空气净化过滤介质中的一个关键工程权衡问题：难以同时实现高过滤效率、高吸附容量和低材料消耗。

本工作提供了一种可行的制备路线，利用现有材料体系开发高性能过滤-吸附介质。它还提供了一种可扩展的方法，制造用于空气净化的多功能复合纤维膜。我们进一步评估了这些静电纺丝复合纤维的能耗、工业安全和潜在操作风险。这些发现支持了材料工业可行性的评估。

材料部分

N,N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯）、聚丙烯腈（PAN）粉末（Mw =150 kDa）和无水乙醇购自北京诺泰尔科技有限公司（中国北京）。PAC（425目）购自上海麦克林生化科技有限公司（中国上海）。用于吸附性能测试的高纯度氮气（N?）和液氮由北京海普盛气体有限公司供应。苯（液体，分析纯）亦由北京供应。

材料形貌

根据一步静电纺丝和静电纺丝-静电喷雾制备的复合样品的SEM图像（图2），采用静电纺丝-静电喷雾路线制备的复合纤维中的PAC颗粒保留其粗糙表面形貌。这表明纤维形成与颗粒负载解耦可保留PAC的固有孔隙结构。

图3展示了EES-PAC/PAN复合纤维膜与纯PAN膜的形貌。SEM图像显示……

结论

本研究通过集成静电纺丝和静电喷雾技术制备了EES-PAC/PAN复合纤维膜。静电纺丝-静电喷雾分离负载策略将纤维形成与颗粒负载解耦，防止PAN基体堵塞PAC的固有孔隙结构。这种新材料具有双功能空气净化作用，可同时过滤气溶胶并吸附VOCs。值得注意的是，这种EES-PAC/PAN复合纤维膜……

CRediT作者贡献声明

Kai Kang：验证、监督、项目管理、方法论。Hua Song：验证、监督、项目管理、方法论。Hao Han：验证、项目管理、方法论、经费获取。Shupei Bai：验证、项目管理、方法论、经费获取。Liang Lan：写作——审稿与编辑、可视化、验证、方法论、形式分析、概念化。Yucong Xie：写作——审稿与编辑、可视化、验证、方法论。

利益冲突声明

我们提交题为"通过静电纺丝和静电喷雾制备用于空气净化的双功能EES-PAC/PAN纤维膜"的手稿，供《过程安全与环境保护》作为原创研究文章出版考虑。我们声明与可不当影响我们工作的人员或机构不存在任何财务和个人关系，与任何产品、服务、流程或材料不存在任何职业或其他个人利益关系。

Yi Yu | Liang Lan | Yucong Xie | Hao Han | Kai Kang | Hua Song | Shupei Bai