کاربرد گرافن در فیلتر هوا

در این بخش کاربرد گرافن در فیلتر هوا را بررسی خواهیم کرد:

گرافن در فیلتر هوا باکتری ها را به دام می اندازد و از بین می برد

دانشمندان یک فیلتر گرافنی استریل کننده ساخته اند که میکروب ها و محصولات مضر آنها را از هوا گرفته و از بین می برد. آنها تصور می کنند که این دستگاه در بیمارستان ها و سایر محیط های مراقبت های بهداشتی مفید باشد.

این فیلتر دارای فناوری گرافن القا شده با لیزر (LIG) است. گرافن شکلی از کربن است که بسیار نازک، بسیار قوی و قادر به هدایت الکتریسیته است.

فیلتر هوای گرافنی خود استریل شونده

LIG یک فوم گرافن متخلخل است که وقتی یک برش لیزری صنعتی سطح یک ورق پلی‌آمید را گرم می‌کند، یک پلیمر با استحکام بالا رایج است.

از زمانی که پروفسور تور و تیمش فرآیند ساخت LIG را در سال 2014 کشف کردند، کاربردهای زیادی از الکترونیک گرفته تا هنر را به وجود آورد.

این تیم دریافتند که می‌توانند LIG را برای استفاده به عنوان فیلتر با تشکیل گرافن در دو طرف پلی‌آمید تطبیق دهند. این یک شبکه سه بعدی نازک – اما قوی – از پلیمر تولید می کند که فوم گرافن را تقویت می کند.

در نهایت، آنها دریافتند که می‌توانند فیلتری متشکل از جنگل‌های ضخیم از الیاف گرافن رسانا بر روی بسترهای ورقه‌ای در هم بسازند.

فیلتر فوم به دلیل ساختار خود می تواند میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها و قارچ ها را به همراه سایر آلاینده های موجود در هوا مانند اسپورها، پریون ها و ترکیبات سمی مختلف که در ذرات معلق در هوا، قطرات و ذرات وجود دارند، جذب کند.

این فیلتر با گرم کردن دوره‌ای تا دمای 350 درجه سانتی‌گراد (660 درجه فارنهایت) در نتیجه عبور الکتریسیته از آن، آنچه را که می‌گیرد به دام می‌اندازد و از بین می‌برد. برای رسیدن به این دما نیازی به برق زیادی ندارد و فقط چند ثانیه طول می کشد تا دوباره خنک شود.

گرافن در فیلتر هوا مولکول های مضر را از بین می برد

نویسندگان خاطرنشان می‌کنند که دمای 350 درجه سانتی‌گراد به اندازه‌ای گرم است که میکروارگانیسم‌ها و هر محصول جانبی را که می‌تواند میکروب‌های جدید را تغذیه کند، و همچنین هر مولکولی که می‌تواند باعث واکنش‌های بیولوژیکی نامطلوب و بیماری شود، از بین ببرد.

آنها می افزایند: “این مولکول ها شامل پیروژن ها، آلرژن ها، اگزوتوکسین ها، اندوتوکسین ها، مایکوتوکسین ها، اسیدهای نوکلئیک و پریون ها هستند.”

پروفسور تور توضیح می‌دهد: «ما به روش‌های بیشتری برای مبارزه با انتقال باکتری‌ها از طریق هوا، بلکه محصولات پایین دستی آن‌ها نیز نیاز داریم، که می‌تواند باعث واکنش‌های شدید در بین بیماران شود.»

وی می افزاید: «برخی از این محصولات مانند اندوتوکسین ها باید در معرض دمای 300 درجه سانتی گراد قرار گیرند تا غیرفعال شوند.

پروفسور تور پیشنهاد می کند که از بین بردن مولکول های تولید کننده باکتری به طور قابل توجهی خطر انتشار آنها در بین بیماران را کاهش می دهد و منجر به بستری شدن کوتاه تر، بیماری کمتر و مرگ و میر کمتر می شود.

او و تیمش معتقدند که یک فیلتر LIG که به صورت سفارشی ساخته شده است می تواند جایگزین دو فیلتری شود که بیمارستان ها در حال حاضر باید در سیستم های تهویه خود نصب کنند تا با مقررات فدرال مطابقت داشته باشند.

در مقاله مطالعاتی خود، محققان نحوه آزمایش فیلتر LIG را با استفاده از یک سیستم تصفیه هوای خلاء تجاری که با مکش هوا با سرعت 10 لیتر در دقیقه کار می کند، توضیح می دهند.

آنها آزمون را 90 ساعت بدون توقف انجام دادند. نتایج نشان داد که روش گرمایش موفق به استریل کردن فیلترهای همه عوامل بیماری زا و محصولات جانبی آنها شده است.

گرافن در فیلتر هوا باعث ماندگاری بیشتر می شود

از آزمایش‌های کشت، این تیم همچنین دریافتند که باکتری‌ها از فیلتر LIG عبور نمی‌کنند. این آزمایش ها شامل کشت باکتری بر روی غشای پایین دست فیلتر بود.

محققان همچنین پس از 90 ساعت استفاده، فیلترهای استفاده شده را به مدت 130 ساعت انکوبه کردند و آنها را بررسی کردند. آنها نتایج را با فیلترهای انکوبه شده مقایسه کردند که تحت هیچ حرارتی قرار نگرفته بودند.

نتایج نشان داد که فیلترهای LIG مورد استفاده، که بارها تحت حرارت دادن تا دمای بالاتر از 300 درجه سانتیگراد قرار گرفته بودند، هیچ باکتری در طول انکوباسیون مجدداً رشد نکرده بودند. این مورد در مورد فیلترهای LIG گرم نشده صادق نبود.

این تیم پیشنهاد می‌کند که قابلیت خود استریل‌سازی می‌تواند به فیلترهای LIG عمر طولانی‌تری بدهد تا کاربران نیازی به تعویض آن‌ها به اندازه فیلترهای هوای معمولی نداشته باشند.

پروفسور تور همچنین استفاده از فیلترهای LIG را در هواپیماهای تجاری پیش بینی کرده است.

این اختراع مربوط به یک ماده فیلتر هوا مبتنی بر گرافن و روش تهیه آن است و این ماده از ساختار اسفنجی گرافن سه بعدی است که توسط گرافن اکسید شده مونتاژ شده است. روش و کاربرد شامل مراحلی است که

(1) یک عامل غلیظ کننده به محلول آبی گرافن اکسید شده اضافه می شود و خمیر به عنوان یک عامل اتصال عرضی اضافه می شود تا با استفاده از روش خشک کردن انجمادی، گرافن سه بعدی اسفنجی متخلخل به دست آید.

(2) گرافن اسفنجی متخلخل دارای استحکام مکانیکی خوبی است و می تواند آزادانه خم شود و به اشکال مختلف بریده شود.

(3) ساختار سوراخ گرافن اسفنجی را می توان با تغییر اندازه گرافن اکسید شده و مقدار عامل اتصال عرضی اضافه شده تنظیم و کنترل کرد.

(4) گرافن اسفنجی متخلخل دارای سطح ویژه بالا و گروه های عملکردی سطح بیشتری است و دارای اثر جذب قوی و خواص ضد باکتریایی خاصی است. مواد جذب گرافن دارای مزایای فرآیند آماده سازی ساده و هزینه کم است، اندازه سوراخ گرافن اسفنجی را می توان تنظیم و کنترل کرد، و ماده جذب گرافن را می توان به عنوان ماده فیلتر برای دیسک های فیلتر ماسک، توری های فیلتر تهویه مطبوع استفاده کرد. فیلترهای خودرو و مانند آن و می توان آن را در زمینه های جذب رنگ و روغن و مانند آن اعمال کرد.

نوعی ماده فیلتر هوا بر پایه گرافن و روش تهیه آن

زمینه فنی

این اختراع مربوط به زمینه مواد جاذب، به ویژه نوعی ماده جاذب گرافن است و روش تهیه و کاربرد آن، می تواند برای مواد تصفیه کننده هوا مانند دیسک فیلتر ماسک دهان، صفحه فیلتر تهویه مطبوع، فیلتر خودرو، استفاده شود. این فیلتر خاصیت ضد میکروبی خاصی به طور همزمان وجود دارد.

فناوری پس زمینه

مشکلات آلودگی هوای ذاتی چین کنونی روز به روز جدی است و تظاهرات اصلی آلودگی دود زغال سنگ است. در محیط جوی شهر، غلظت TSP به طور کلی از استاندارد فراتر می رود. آلودگی دی اکسید گوگرد همیشه در سطح بالاتری قرار دارد. آلاینده های اگزوز خودرو حجم انتشار کل به شدت افزایش می یابد. آلودگی اکسیدهای نیتروژن در افزایش وزن روند است.

به خصوص هوای مه آلود اخیر که بارها و بارها در بسیاری از شهرهای بزرگ و متوسط چین تولید می شود، سلامت و زندگی مردم را تهدید می کند. مکانیسمی که هوای مه ایجاد می کند بسیار پیچیده است. و ترکیب شیمیایی آن نیز بسیار پیچیده است، ممکن است باعث بیماری های مختلفی شود. در ضمن، ویروس، میکروب و غیره ممکن است بر روی ذرات هوا چسبیده، بیماری را گسترش دهد.

PM2.5 حداکثر ذرات برای آسیب در آلودگی جو است و این قطر ذره برابر یا کمتر از 2.5 میکرون است، از نظر پزشکی تبدیل به گلوله می شود. در حال حاضر تصفیه کننده هوا چندگانه در بازار و مواد مهارکننده وجود دارد، اما عمدتاً نمی تواند PM2.5 را متوقف کند. و شفاف کننده خوب اثر مسدود کردن، هزینه آن دوباره بسیار بالا است.

بنابراین به بهره برداری نیاز دارید تا خاصیت جذب عالی و خاصیت ضد میکروبی داشته باشید، نفوذپذیری گاز بهتر است، به طور موثر می تواند آلودگی های جوی مانند PM2.5 را متوقف کند و فناوری آماده سازی ساده است، مواد فیلتر با هزینه کم.

از آنجایی که گرافن از سال 2004 پیدا شد، فوراً مورد توجه محافل تحقیقاتی علمی قرار گرفت و در سال‌های اخیر به یک ماده اصلی تحقیقات علمی تبدیل شد. یک نوع ماده جاذب بالقوه است. اما از آنجایی که میدان‌های دوار فیلم گرافن به راحتی دوباره به هم متصل می‌شوند، ساختار ساختاری دو بعدی را تشکیل می‌دهند که تخلخل آن بسیار کم است، بنابراین خواص و دامنه کاربرد آن بسیار محدود است.

استفاده از اکسید گرافن برای مونتاژ در گرافیت آلکن ساختار اسفنجی سه بعدی، دارای مساحت خاص بزرگ، خاصیت جذب خوب، تحقیقات به طور همزمان نشان می دهد که اکسید گرافن دارای خاصیت ضد میکروبی عالی است. تهیه گرافن سه بعدی می تواند چندین روش را اتخاذ کند. و گرافم سه بعدی به دست آمده با روش فعلی همه انعطاف پذیری خوبی ندارند، شکست آسان با پارگی، نمی تواند به طور موثر برای فیلتر مواد جاذب باشد.

آلودگی هوا با ذرات معلق تلفات زیادی بر جامعه مدرن وارد می کند و با بیش از سه میلیون مرگ در سال همراه است. علاوه بر این، میکروارگانیسم‌های عفونی موجود در هوا می‌توانند بیماری‌های خطرناک را گسترش دهند و مشکل را بیشتر کنند. یک راه رایج برای کاهش خطرات ذرات معلق در هوا، فیلتر کردن هوا است. با این حال، فیلترهای هوای معمولی معمولاً هیچ عملکردی فراتر از حذف ذرات ارائه نمی دهند. آنها قادر به غیرفعال کردن آلاینده های انباشته شده نیستند و بنابراین برای عملیاتی و ایمن ماندن نیاز به تعمیر و نگهداری دوره ای و تعویض دارند.

منبع:

https://patents.google.com/patent/CN105251268A/en

https://www.medicalnewstoday.com/articles/326610#Potentially-longer-lasting-air-filter