ارزیابی عملکرد فیلتراسیون نانوالیاف پلی آکریلونیتریل حاوی نانو لوله کربنی تک جداره در سه آزمون: کارایی اولیه، تخلیه الکتریکی و نشتی

زمینه و هدف: در سال های اخیر با پیشرفت فناوری نانو، تولید الیاف نانومقیاس مورد توجه فراوانی قرار گرفته است. لایه هاینانو الیاف نبافته، اندازه حفره های خیلی کوچکی دارند و تخلخل آنها زیاد است. این ویژگی باعث شده که گزینه مناسبی برایکاربردهای متنوع فیلتراسیون هوا در زمینه های مختلف مثل ماسک های تنفسی و فیلتر تصفیه هوا باشند. مطالعه حاضر بهبررسی عملکرد فیلتراسیون نانوالیاف پلی آکریلونیتریل حاوی نانو لوله کربنی تک جداره در سه آزمون کارایی اولیه ، تخلیهالکتریکی و نشتی به ترتیب جهت تعیین راندمان اولیه فیلتر در ابتدای استفاده ، میزان سهم مکانسیم الکترواستاتیکدر فرایند فیلتراسیون و میزان نفوذ موضعی ذرات از مدیای فیلتر می پردازد.مواد و روش ها: نانوالیاف از محلول wt % 16 متشکل از پلیمر پلی آکریلونیتریل (PAN)، نانولوله کربنی تک جداره(SWNT) (با نسبت 99:1) و حلال N ، N- دی متیل فرمامید (DMF) توسط تکنیک الکتروریسی تولید و بر روی مدیایفیلتر پلی استر کلاس M5 جهت آزمون نشتی و بر روی لایه اسپان باند پلی پروپیلن جهت انجام سایر آزمون ها نشانده شدند.تست کارایی اولیه فیلتراسیون مطابق استاندارد ISO 29463:2011 در تونل تست طراحی شده مبتنی براستاندارد ASHREA52.2: 2007 در دانشگاه Hanyang کره جنوبی انجام گرفت. این آزمون توسط تزریق ذراتKCL در رنج سایزی 10 نانومتر تا 300 نانومتر در تونل تست و شمارش ذرات در پایین دست و بالادست مدیای فیلتر توسطدستگاه های طیف سنج روبشی نانوذرات (SNPS) و شمارشگر نوری ذرات (OPC) انجام شد. تست تخلیه الکتریکی ازطریق روش پردازش شیمیایی مدیا با ایزوپروپانول مطابق استاندارد EN779 صورت گرفت. ابتدا تست کارایی ذره برای نمونهفیلتر بدون پردازش انجام پذیرفت. سپس نمونه فیلتر در ایزوپروپانول برای حدود 2 دقیقه غوطه ور گردید. بعد از 24 ساعتتست کارایی نمونه فیلتر تکرار شد. ذرات مورد استفاده در آزمون بعد از تولید توسط نوترولایزر از لحاظ بارالکتریکی خنثیمی شدند تا از این طریق اثر مکانیسم حذف ذرات از طریق الکترواستاتیک محدودتر شود. تست نشتی نیز بوسیله اسکنفیلتر از طریق فتومتر آئروسل بر اساس استاندارد ISO 14644 صورت گرفت. آئروسل SHELL Ondina Oil به عنوانیک ماده روغنی استاندارد با قطر متوسط جرمی 0/3 میکرون مورد استفاده قرار گرفت. غلظت آئروسل پشت فیلتر طبق استاندارد بین 20 تا 80 میکروگرم بر لیتر از طریق کنترلگر حجم در تولید کننده (جنراتور) و سرعت تزریق در پمپ تنظیممی شد. یک پروب دم ماهی شکلی که در فاصله بین 5-1 سانتی متری از سطح فیلتر قرار می گرفت و با سرعت کمتر از 5سانتیمتر بر ثانیه روی سطح حرکت می نمود، برای اسکن سطح فیلتر برای تعیین میزان نشتی آن استفاده شد. مشخصاتساختاری مدیا مانند قطر، ریخت شناسی (مورفولوژی) و تخلخل سطحی نانوالیاف تولیدی با استفاده از میکروسکوپ الکترونیروبشی (SEM) صورت پذیرفت.یافته ها: میانگین کارایی اولیه مدیای نانولیفی برای جمع آوری ذرات nm 100 و nm 200 به ترتیب 2/74±95/92 و1/11±97/26 درصد و میانگین کارایی اولیه برای جمع آوری ذرات nm 250 تا 80؛ 2/74±96/73 درصد تعیین شد. افتفشار اولیه مدیا در سرعت سطحی تست (cm/s 10) 01/4±71/164 پاسکال و فاکتور کیفیت آن برای جمع آوری ذراتnm 250 تا 85 برابر Pa-1 0207/0 محاسبه گردید. اندازه ذره با بیشترین میزان نفوذ (MPPS) برای این مدیا ، nm 88بود. نتایج تست تخلیه الکتریکی نشان داد که میزان کارایی مدیای بدون پردازش بین 0/2 تا 1/2 درصد بالاتر از فیلترمدیای PAN/SWNT بعد از تخلیه الکتریکی با ایزوپروپانول است و در رنج های سایزی پایین تر اختلاف بین آن ها بیشتر است.بیشترین میزان کاهش در رنج سایزی nm 100 تا 50 دیده شد. افت فشار و فاکتور کیفیت مدیا بعد از پردازش باایزوپروپانول به ترتیب افزایش (164/7 در مقابل 185/3 پاسکال در سرعت سطحی تست) و کاهش Pa-1 019/0 در مقابل Pa-1 014/0 برای ذرات nm100) یافت. نتایج تست نشتی بر روی مدیای فیلتر تجاری کلاس M5 پوشش داده شده بانانوالیاف/ SWNT PAN نشان داد که این مدیا در سطح خود فاقد نشتی بوده و موفق به پذیرش در این تست گردید. نتایجمشخصات ساختاری نانوالیاف تولیدی نشان داد که میانگین قطر الیاف nm 165، و با ضریب تغییر 1/01 از نظر مورفولوژی دانه دار و تخلخل سطحی آن 37 درصد است.نتیجه گیری: کارایی جمع آوری بالای مدیای PAN/SWNT در حذف ذرات در محدوده مورد بررسی را می توان بهکوچک بودن قطر، فشردگی الیاف و مورفولوژی دانه دار آن نسبت داد. کاهش کارایی فیلتراسیون مدیا بعد از انجام تستتخلیه الکتریکی حاکی از آن است که نانوالیاف الکتروریسی شده دارای شارژ الکتریکی موثر بر کارایی اولیه فیلتراسیون هستند.عدم وجود نشتی در مدیای مورد بررسی تاکیدی بر عملکرد مناسب و نفوذناپذیری موثر آن در برابر ذرات تست بود. بطور کلی،پوشش دهی بستر اسپان باند با نانو الیاف الکتروریسی شده توانست آن را به یک فیلتر کارآمد برای حذف ذرات زیر 300نانومتر تبدیل کند و نشاندن نانو الیاف الکتروریسی شده بر مدیای فیلتر کلاس M5 ، توانست درصد نشتی مدیا را از 50 بهزیر 3 هزارم درصد مطابق کلاس فیلترهای با راندمان بالا برساند.

کلیدواژه ها:

نانوالیاف ، نانولوله کربنی ، فیلتراسیون ، آزمون ، عملکرد ، الکتروریسی