امكان سنجي كاربرد نانوالياف هيبريدي پردازش شده با پلاسما براي حذف گاز تولوئن

Possibility of using plasma-processed hybrid nanofibers to remove toluene in air stream

مقدمه: باوجود اقبال روز افزون كاربرد فيلترهاي نانوليفي براي تصفيه آلاينده هاي ذرهاي از جريان هوا، مطالعات كم تري به بحث در خصوص امكان سنجي كاربرد آن ها در حذف آلاينده هاي گازي پرداخته است، درحالي كه در اكثر محيط هاي كاري هر دو شكل آلاينده وجود دارد. تولوئن ماده اي سمي و موتاژنيك مي باشد و مواجهه مزمن با غلظت هاي پايين آن ممكن است باعث طيف وسيعي از اثرات سوء سلامتي بر افراد در معرض مواجهه شود. مطالعه حاضر با هدف توليد نانوالياف پليمري بر پايه نانولوله كربني تك جداره از طريق روش الكتروريسي و پردازش سطح آن با پلاسماي سرد و هم چنين ارزيابي عمل كرد آن در حذف گاز تولوئن انجام گرفت. روش كار: لايه هاي نانوليفي توسط فرآيند الكتروريسي از محلول الكتروريسي شامل پليمر پلي آكريلونيتريل (PAN) و نانولوله كربني تك جداره (SWNT) به نسبت تركيبي 1:99 تحت شرايط عملياتي ولتاژ كاربردي: 20 كيلوولت ، فاصله سوزن تا صفحه جمع آوري كننده: 10 سانتي متر، ميزان تزريق: 1ميلي ليتر بر ساعت، قطر سوزن: گيج 18 و سرعت چرخش درام 1000 -500 دور در دقيقه توليد شدند. سطح نانوالياف توليدي مورد پردازش پلاسما قرار گرفتند. دستگاه پلاسماي مورد استفاده با منبع تغذيه فركانس راديويي (13/56مگاهرتز با توان 20وات) ، گاز تشكيل دهنده آرگون و فشار عملياتي 0/2بود. شرايط آزمون نمونه هاي توليدي براي حذف گاز تولوئن مطابق استاندارد ISO 10121-1:2014 آماده گرديد كه روش آزمون عمل كرد مدياهاي تصفيه هوا نوع فاز گازي را براي انواع مدياهاي صفحه تخت ارايه مي دهد. به منظور اندازه گيري غلظت بخار تولوئن از دستگاه قرائت مستقيم Firstcheck مجهز به دتكتور PID استفاده گرديد. مطالعات ريخت شناسي الياف با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي انجام شد. طيف سنجي مادون قرمز تبديل فوريه (FTIR) به منظور شناسايي تركيبات آلي و گروه هاي عاملي در نانوالياف صورت گرفت. يافته ها:نتايج حاصل از آناليز تصاوير نشان داد كه ميانگين قطر الياف 7.19 ± 169.16 nm و ميانگين ضريب تغييرات آن 0/23 محاسبه گرديد. ريخت شناسي الياف، يكنواخت و دانه دار تعيين شد. ميانگين ضخامت، درصد تخلخل و ضريب نفوذپذيري هوا مديا به ترتيب 0/15 ميلي متر،43 درصد و 5/75 دارسي مشخص گرديد. ميانگين درصد كارايي نانوالياف PAN/SWNT پردازش شده با پلاسما در حذف گاز تولوئن 98 درصد و ميانگين افت فشار آن ها حدود 100 پاسكال به دست آمد. طيف FTIR مدياي آزمون نشان داد كه پيك هاي ظاهر شده در طول موج هاي معين مربوط به ارتعاش گروه هاي آليفاتيك C-H باندهاي C-C و C=O مربوط به پليمر PAN و نانولوله كربني مي باشد. نتيجه گيري: حذف گاز تولوئن از طريق ساخت نانوالياف هيبريدي PAN و SWNT پردازش شده با پلاسما محقق شد. نانواليافي با مشخصات ريخت شناسي يكنواخت توليد شدند و كارايي حذف مناسب و افت فشار پايين از خود نشان دادند.

Introduction: Despite nanofibers have attracted great interests for filtering particulate matters from the air stream, fewer studies have been done on the feasibility of their use in the removal of gas pollutants, while the both pollutants are present in the most workplaces. Toluene is a toxic and mutagenic substance, and chronic exposure to its low levels can lead to a wide range of adverse health effects on people who exposed. The purpose of this study was to produce polymer /single-walled carbon nanotube hybrid nanofibers by electrospinning technique and doing plasma surface treatment and evaluating their removal efficiency of toluene from air stream. Material and Methods: The nanofiber layers were fabricated by electrospinning solution containing polyacrylonitrile polymer (PAN) and single-walled carbon nanotube (SWNT) with a 99: 1 ratio under following conditions: applied voltage 20 kV, distance between needle and collector: 10 cm, injection rate: 1 ml / h; needle diameter: 18 gauge and drum speed ranging from 1000 to 500 rpm. The surface of the manufactured nanofibers was treated by cold-plasma with a radio frequency power supply (13.56 MHz with a power of 20 watts), argon gas and operating pressure of 0.2 torr. Test conditions was prepared according to standard ISO 10121-1: 2014, which provides a method for testing the performance of gas-phase air filter for a variety of flat sheet media. In order to measure the concentration of toluene, the First check – handheld multi gas VOC detector equipped with a PID detector was used. The morphology characteristics of the fibers was performed using the analysis of scanning electron microscope images. Infrared spectroscopy-Fourier transform was used to identify organic compounds and functional groups in nanofibers. Results: The results of the analysis of the images showed that the mean diameter of the fiber was 169.16 ± 7.19 nm and the mean coefficient of variation was 0.23. The uniform and bead nanofibers were obtained. The thickness, porosity and air permeability coefficient of test media was 0.15 mm, 43% and 5.75 Darcy, respectively. The mean removal efficiency of PAN / SWNT nanofiber treated with plasma was 98% and the mean pressure drop was 100 Pascal. The FTIR spectrum of the test filter media showed that the peaks appearing at certain wavelengths related to the vibration of C-H aliphatic groups of C-C and C=O bands related to PAN polymer and carbon nanotubes. Conclusion: Removal of toluene was achieved through the fabrication of PAN/SWNT hybrid nanofibers treated with plasma. Uniform nanofibers were obtained and showed the proper removal efficiency and low pressure drop.