Губка с ионной жидкостью оказалась эффективным воздушным фильтром

Китайские ученые сделали эффективный и надежный воздушный фильтр для наноразмерных частиц. Он состоит из губки, пропитанной составом с ионной жидкостью, через которую пропускают ток. Изобретение, помимо способности отфильтровывать частицы размером меньше микрона, отличается от существующих аналогов долговечностью, приспособленностью к регенерации и стабильностью при высоких скоростях воздушного потока. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

В результате сгорания топлива и ряда других производственных процессов в воздух выбрасываются микро- и наночастицы, с размерами от десяти микрон и меньше. Они являются опасными канцерогенами, которые способны проникать даже в мозг, их вред является одним из распространенных аргументов сторонников зеленой энергетики. Но, даже если предположить, что человечеству удастся сократить использование ископаемого топлива в несколько раз, выбросы на некоторых фабриках все равно неизбежны. Поэтому, для них нужна фильтрация, но чем меньше частица, тем труднее сделать настолько же мелкое сито.

Группа ученых из Сычуаньского университета под руководством Го-Хао Чжана (Guo-Hao Zhang) решила изготовить компактный и недорогой фильтр, использующий электростатическую силу. В отличие от обычного фильтра, в котором грязь задерживаются небольшими порами, в такой конструкции частицы оседают на поверхности из-за электростатических сил, подобно тому как пыль притягивалась к экрану старых телевизоров с электронно-лучевыми трубками.

Существует класс веществ, называемых ионными жидкостями. По большому счету, любая соль состоит из ионов — электрически заряженных частиц, но обычная соль плавится при нагреве в несколько сотен градусов. Чтобы это изменить, за последние десятилетия появились соли, остающиеся жидкими при комнатной температуре, среди которых наиболее распространены соединения имидазола. Для фильтров ионные жидкости представляют интерес из-за их высокого электростатического потенциала.

Как основа для фильтра была использована меланил-формальдегидная губка с тонкими порами. В качестве ионной жидкости выступили несколько ацетатов метилимидазола, которые смешали с разными жидкими полимерами (в конце ученые выбрали наиболее эффективную пару). Смесь с полимерами была необходима, во-первых, для увеличения адгезии к губке, во-вторых, гидрофильные полимеры хорошо притягивают мелкую пыль, которая сама по себе влажная, так как впитывает воду из атмосферы.

Смесь нанесли на губку и протестировали. Фильтр хорошо работал для частиц больше микрона, его эффективность была приблизительно равна 98-99 процентам, что примерно соответствует таковой у существующих аналогов. Но, когда дело дошло до наночастиц, имеющих размер меньше микрона, ему удавалось удалить не более 36 процентов, что недостаточно. Поэтому, исследователи решили увеличить электростатическую силу фильтра, подав на него напряжение.

Ток сократил число неотфильтрованных крупных частиц в три-шесть раз, доведя итоговую эффективность до примерно 99,7 процента, но самое значительное влияние оказал на улавливание наночастиц. При увеличении напряжения до трех вольт на губке осело 94 процента пыли с диаметром меньше микрона. Помимо этого, фильтр не теряет эффективность с увеличением скорости прохождения через него воздуха, и его можно повторно использовать после очистки.

Ученые предлагают использовать свое изобретение в качестве лицевой маски, для питания которой используется плоская батарея. Получившийся респиратор несколько дороже существующих сейчас, но его преимуществами будут эффективность, многоразовость и стабильность.

Новые материалы ведут к прогрессу фильтрования, например, при помощи графена удалось обесцветить виски, а металл-органический каркас очистил этилен от этана.

Василий Зайцев