港大研究团队研发纳米纤维口罩 循环使用助减轻环境污染

港大学生团队研发纳米纤维面罩 循环使用助减轻环境污染

由香港大学(港大)土木工程系本科生张峻伟和劳恩彤领导的本科生团队在该系汤初阳教授和郭浩博士的指导下,成功利用静电纺丝技术开发了一种新型的空气滤芯,有望应用于可循环口罩及其他空气过滤产品。该滤芯由大量纳米纤维构成,在保证透气度的同时,对颗粒物的去除远优于现有的口罩滤芯。此外,只需通过简单的润洗与烘干,该滤芯就可重复使用。在疫情期间,团队希望能够提高口罩产品的过滤效率,并减少一次性口罩对环境带来的二次污染。

现阶段的商业化口罩大多用熔喷布作为过滤层的核心材料,但构成熔喷布的纤维粗细非常不均匀,使用寿命也非常短暂。熔喷布在过滤如细菌,病毒等微小颗粒与污染物时,过滤效果亦不尽人意。为解决这个难题,研究团队运用静电纺丝技术纺织纳米纤维作为新型过滤材料。这种新型滤材具有更好的均匀性与过滤效果,所采用的纳米纤维直径远小于熔喷纤维的微米级直径。这种纳米纤维滤材孔隙率高于80%,可有效降低空气过滤阻力。同时,相互连接的纳米纤维网可以利用其独特的结构以及化学特性来确保对空气污染物的高去除率。在前期研究中,研究团队设计了一款「三明治」结构的纳米纤维滤芯,来提高其整体机械强度及过滤性能。该结构由两层外层疏水层以及一层中间过滤层组成。外层由直径800到1,000纳米的粗纤维构成,为滤芯提供足够的机械支撑。同时,外层的疏水特性也可有效阻隔水分,保护中间过滤层免受水分润湿影响。中间过滤层由直径100到400纳米的细纤维构成,细小的孔径可以有效捕捉空气中细小颗粒物与污染物。

实验证明,纳米纤维滤芯对0.3、2.5、10微米的颗粒物都有着比普通一次性口罩更加卓越的过滤表现。例如,对于0.3微米的颗粒,新型纳米纤维滤芯可以达到九成以上的去除率,而普通口罩只有不到五成。除此之外,为了缓解一次性口罩带来的二次环境污染问题,研究团队为纳米纤维滤芯设计了高效并简单的再生方法,保证其循环使用。通过简单的酒精润洗与加热烘干,滤芯可维持其出色的空气过滤性能。滤芯的循环使用可有效减少一次性口罩带来的环境问题并提高相关产品的可持续性。目前研究团队正在继续优化滤芯的各项性能并制作口罩样品。

该研究获得港大工程学院COVID-19行动种子基金和院长创新与创业基金的支持。研究团队还包括两名计算机科学学生王俊渊和孙天霖、修读生物医学工程的孙介然、会计与金融专业的金飞扬,及姚澜君、吴羽纶及崔锦泽三名学生助手。

目前,研究团队在香港大学技术转移处的协助下已经为此发明申请美国专利。同时,该项发明也在「第五届加拿大国际发明创新大赛」上取得金牌,并荣获「20大最佳发明奖」与「多伦多国际创新与先进技能协会(TISIAS)特别奖」。团队表示希望寻求商业伙伴合作,对这项发明进行商品化。

此次研究由汤初阳教授带领的环境及可持续膜技术团队主导,团队的主要研究方向为高效分离膜及过滤材料的研发。此次所研发的新型纳米纤维滤膜空气滤芯进一步增强了该团队在高效滤材研发方面的经验和优势,有望为控制水体与空气污染,保护公共卫生,提供潜在的集成解决方案。

研究团队前期研发的无电力快速水过滤滤芯已成功申请专利,并获得多个海内外知名奖项,包括2020年香港工程师协会青年工程师/研究员优秀论文奖,2019年瑞士日内瓦国际发明展金牌,2019年《麻省理工科技评论》亚太地区35岁以下创新者奖。汤教授于2013年加入香港大学,在此之前,其在新加坡主导研发了用于海水淡化的水通道蛋白仿生滤膜,该技术目前已被Aquaporin Asia公司成功商业化。

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