蛋白质基纳米纤维空气过滤材料与方法技术

本发明专利技术提供了由含蛋白质纳米纤维毡制备的空气过滤器。纳米纤维形成一种多孔毡，其允许空气通过的同时，实现对颗粒污染物的过滤。蛋白质纳米纤维中的蛋白质还用于化学过滤，以去除污染空气中的有毒气体。具体来说，蛋白质纳米纤维拥有许多氨基酸，其不同氨基酸上的化学官能团可以与不同的化学污染物(例如一氧化碳和甲醛)反应，以捕获或中和污染物。因此，单个纳米纤维毡有两个过滤功能。本专利还公开了使用所提供的空气过滤器过滤空气的方法，以及使用含蛋白质的纳米纤维制备空气过滤器的方法。

Protein based nanofiber air filter materials and methods

The invention provides an air filter prepared by a protein nanofiber felt. Nanofibers form a porous felt that allows air to pass through and filter particulate pollutants. Proteins in protein nanofibers are also used for chemical filtration to remove toxic gases from polluted air. Specifically, protein nanofibers have many amino acids, and their chemical functional groups on different amino acids can react with different chemical pollutants, such as carbon monoxide and formaldehyde, to capture or neutralize pollutants. Therefore, the single nanofiber felt has two filtering functions. The patent also discloses the method of filtering air by using the air filter provided, and the method of preparing air filter using nanofibers containing protein.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】蛋白质基纳米纤维空气过滤材料与方法相关申请的交叉引用本申请要求于2015年9月29日提交的美国临时申请No.62/234,087的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术介绍
来自于广泛的人类活动而产生的大量污染物已使空气污染成为一个严重的环境问题。污染的空气里含有许多污染物，如各种尺寸的颗粒物质(PM)，气体化合物，有害微生物等。此外，在日光照射下，空气中的污染物会发生某些光化学反应而进一步产生未知的化合物，使得空气清洁越来越困难。这些复杂的混合污染物对公共健康构成了更为严重的威胁。PM包含不同尺寸的小的固体颗粒和液滴。基于污染物的尺寸大小，颗粒污染物PM可以分为PM2.5和PM10-2.5，它们用来分别表示粒径在2.5μm以下，介于2.5和10μm之间。PM2.5是许多发展中国家的主要污染物之一。这些颗粒通常由有机物(如碳衍生物物质如碳氧化物)和无机物(如硝酸盐，硫酸盐，硅酸盐等)组成，它们能够严重影响空气质量，公共健康，气候变化，空气能见度等。另外，被污染的空气还包括多种有毒气体分子，如硫氧化物(SOx)，氮氧化物(NOx)，碳氧化物(CO和CO2)，甲醛(HCHO)，甲烷(CH4)和其它挥发性有机化合物(VOC)。这些化学物质可能会进行各种光化学反应，从而可能导致未知的污染物。有害的微生物，包括细菌，病毒，螨虫，花粉等可引发许多过敏反应和传染性疾病，如流行性感冒，麻疹和水痘。由于这些污染物对环境和人体健康的严重影响，迫切需要提供有效保护，特别是改善室内空气质量。过滤膜通常用于除去空气中污染物以提高空气质量。人们已经尝试加强户外个人防护和提高室内空气质量。理想的空气过滤器应具有较高的过滤效率，同时保持较低的空气阻力。传统的空气过滤器通常由合成塑料如聚乙烯和聚丙烯的微米级纤维制成。这些空气过滤器由于原料结构中缺乏活性官能团而无法从空气中除去有毒的气态化学物质。这些材料的过滤作用主要基于四种机理，即基于物理的和尺寸效应的过滤机制，包括筛虑，截留，嵌入和扩散，这些机制仅可以捕获颗粒污染物。鉴于日趋严重的全球污染，急需发展可以同时过滤颗粒和气态化学污染物、但又不会显着降低气流的过滤材料。
技术实现思路
本专利技术概要以简化形式介绍一些概念，这些概念在下面的具体实施方式中将进一步描述。本专利技术概要不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。为了满足改进空气过滤的需要，我们发现蛋白质基纳米纤维(“纳米纤维织物”)材料对各种污染物具有非常高的亲和力从而可以提供多种功能的空气过滤能力。这些蛋白质纳基米纤维过滤材料对于具有不同尺寸的固体颗粒和各种有毒的气态化和物具有极高的去除效率，同时对空气流动保持非常低的阻力。这些功能使得可以使用蛋白质纳基米纤维材料薄层来开发用于实际过滤应用的高效空气过滤材料。一方面，提供一种空气过滤器。在一个实施案例中，空气过滤器包括多孔纳米纤维毡，当空气通过空气过滤器时其形成对具有约0.1μm或更大直径的颗粒的过滤，所述多孔纳米纤维毡包括多个含蛋白质的纳米纤维，所述纳米纤维包括可结合至少一种化学物质并因此过滤至少一种化学物质的蛋白质。另一方面，提供一种过滤空气的方法。在一个实施案例中，该方法包括使空气通过本文所提供的空气过滤器。如前所述，所公开的由多孔纳米纤维毡制成的空气过滤器旨在在基本上任何应用中替代现有的空气过滤器。因此，该过滤空气的方法广泛地包括任何已公开的空气过滤器的应用，其中空气中所含有的颗粒物质和气态化学污染物都可被含蛋白质的纳米纤维过滤(至少部分地)。在另一方面，公开的实施案例中提供了一个制造空气过滤材料的方法。在给出的一个实施方案中，该方法是将包含溶剂和预处理的蛋白质溶液通过电纺丝制成含蛋白质的纳米纤维。在本实施方案中，用于将溶有蛋白质的溶液制备成含蛋白质的纳米纤维的方法是电纺丝法。附图说明当结合附图参考以下详细描述时，本专利技术的上述方面和许多附带的优点将变得更容易理解，其中：图1：明胶溶液制备和通过静电纺丝制备纳米纤维的示意图，随后是其结构中拥用各种官能团而具有官能化表面的单一明胶纳米纤维的示意图。纳米纤维织物的多孔结构和纳米级的纤维直径有助于颗粒过滤，而纤维表面上丰富的官能团可以过滤有毒的化学物质。图2a－2d：以不同的AA对水的比例为溶剂而制备的明胶纳米纤维，溶剂比对明胶纳米纤维织物的形态和纤维直径的影响，和与商业HEPA过滤材料对比的扫描电子显微镜(SEM)图像，表中的百分比是相对标准差。图3a－3h：(图3a，3d)不同放大倍数的明胶过滤器的SEM图像以及过滤前明胶空气过滤器的照片，(图3b－3f)不同放大倍数的明胶过滤器的SEM图像以及过滤后的明胶空气过滤器的照片。明胶过滤纳米纤维的颗粒过滤效率；(图3g)不同面密度的明胶空气过滤器对各种PM颗粒尺寸的颗粒过滤效率。(图3h)具有不同面密度的明胶空气过滤器和商业HEPA过滤器的PM2.5和PM10-2.5颗粒过滤效率比较。图4a－4d：明胶过滤纳米纤维织物的化学物质过滤效率；(图4a)具有不同面密度的明胶空气过滤器和商业HEPA过滤器的甲醛(HCHO)去除效率比较，(图4b)具有不同面密度的明胶空气过滤器与商业化HEPA过滤器的一氧化碳(CO)去除效率比较。明胶过滤材料的压降和整体空气过滤器性能评价；(图4c)压降(气流阻力)对明胶纳米材料的面密度的依赖性，和(图4d)明胶空气过滤器与商业空气过滤器和透明PAN空气过滤器的品质因子比较。图5a和5b：(图5a)明胶空气过滤器和商业HEPA过滤器在过滤时间内的污染物重量百分比增加的(Wp)变化，和(图5b)明胶空气过滤器和商业HEPA过滤器在过滤器时间内的污染物重量吸收率(Wp_rate)。图6a－6e：(图6a)基于明胶分子和污染物之间的相互作用，明胶纳米纤维织物的官能团捕获污染物的过滤机制的简化示意图。(图6b)过滤后的明胶纳米纤维织物的SEM图像，(图6c)FTIR(傅里叶变换红外光谱仪)检测图所示的香烟烟雾PM颗粒，显示其存在的官能团。(图6d)过滤前后的明胶过滤材料的FTIR检测图显示活性官能团和PM－过滤器的相互作用。(图6e)明胶纤维过滤之前和之后的官能团峰强比较表明由于PM-过滤器间的相互作用而引起的相应键的强化。图7a－7f：过滤试验前的(图7a-7c)和过滤试验后的(图7d-7f)的明胶过滤纳米纤维的SEM图像，显示出污染物被卷绕在纤维周围并变形。图8a和8b：测试明胶纳米纤维织物结构中的官能团运动，图8a介电常数测量，图8b介电损耗测量。图9a－9c：使用香烟烟雾测试明胶空气过滤器纳米纤维织物的SEM图像，显示在饱和过程期间软质PM的变形和迁移，图9a第一阶段，图9b半饱和阶段，和图9c饱和阶段。图10a－10e：大豆蛋白改性；(图10a)原始SPI(大豆蛋白分离物)颗粒的示意图,(图10b)原始SPI粉末的SEM图像,(图10c)改性的SPI颗粒的示意图，(图10d)和(图10e)改性的SPI颗粒的SEM和TEM图像。图11a-11h：SPI/PVA空气过滤纳米纤维织物，在过滤之前(图11a，11c，11e)和过滤之后(图11b，11d，11f)的SEM图像，SPI/PVA比例为：(图11a，11b)0：1，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空气过滤器，包括多孔纳米纤维毡，所述多孔纳米纤维毡配置为在空气通过所述空气过滤器时过滤直径为约0.1μm或更大的颗粒，所述多孔纳米纤维毡是包含多个含蛋白质的纳米纤维，所含蛋白质至少与污染空气中的一种化学物质相互结合，从而实现对其过滤。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.29 US 62/234,0871.其中要求保护的独占性质或特权的本发明的实施例定义如下：一种空气过滤器，包括多孔纳米纤维毡，所述多孔纳米纤维毡配置为在空气通过所述空气过滤器时过滤直径为约0.1μm或更大的颗粒，所述多孔纳米纤维毡是包含多个含蛋白质的纳米纤维，所含蛋白质至少与污染空气中的一种化学物质相互结合，从而实现对其过滤。2.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述多个含蛋白质的纳米纤维中至少一部分基本上由蛋白质组成。3.根据权利要求2所述的空气过滤器，其中所述蛋白质选自植物蛋白质、动物蛋白质和合成蛋白质。4.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述多个含蛋白质的纳米纤维中至少一部分是包含蛋白质和聚合物的复合纳米纤维。5.根据权利要求4所述的空气过滤器，其中所述蛋白质选自于植物蛋白质、动物蛋白质和合成蛋白质。6.根据权利要求4所述的空气过滤器，其中所述聚合物选自聚(乙烯醇)(PVA)、聚(环氧乙烷)(PEO)、聚(丙烯腈)(PAN)和尼龙。7.根据权利要求4所述的空气过滤器，其中所述蛋白质与聚合物的重量比在0.5:1至2:1的范围内。8.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述至少一种化学物质选自一氧化碳、甲醛、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、氨(NH3)、二氧化碳(CO2)、挥发性有机化合物(VOCs)、臭氧(O3)。9.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述空气过滤器，当空气流通过所述空气过滤器，在4升/分空气流速下，对空气流的阻力为或低于250Pa。10.根据权利要求1所述的空气过滤器，其中所述多孔纳米纤维毡的厚度在8μm至30...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲伟虹，H·叟赞德，王宇，
申请(专利权)人：华盛顿州立大学，
类型：发明
国别省市：美国,US