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纳米纤维是净化雾霾PM2.5的核心材料——访环保纳米新材料专家杨大祥博士



      (中国粉体技术网/刘莉)据国家环保部的《国家“十二五”环保产业预测及其政策分析》报告初步估算,“十二五”期间环保投资需求约为3.1万亿元,年均投资达6200亿元左右,“十二五”期间环保产业产值4.92万亿元。在未来一段时期内,我国的环保产业仍将保持年均15%-20%的增长速度,我国将成为世界最大的环保产业市场之一。
       近年来,在环保领域崛起了一种新型材料--纳米纤维,其重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合,尤其是在过滤领域中针对悬浮颗粒物 PM2.5的去除和收集,纳米纤维具有独特优势。
(中国粉体技术网/刘莉)据国家环保部的《国家“十二五”环保产业预测及其政策分析》报告初步估算,“十二五”期间环保投资需求约为3.1万亿元,年均投资达6200亿元左右,“十二五”期间环保产业产值4.92万亿元。在未来一段时期内,我国的环保产业仍将保持年均15%-20%的增长速度,我国将成为世界最大的环保产业市场之一。       近年来,在环保领域崛起了一种新型材料--纳米纤维,其重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合,尤其是在过滤领域中针对悬浮颗粒物 PM2.5的去除和收集,纳米纤维具有独特优势。
纳米新材料专家:杨大祥博士
       近日,中国粉体技术网编辑(以下简称“中国粉体技术网”)就纳米纤维在净化雾霾PM2.5领域的应用采访了具有突出专业研究背景和企业实战经验的杨大祥博士。
 

1、中国粉体技术网:请您介绍一下什么是纳米纤维?如何制备?
       杨大祥:
纳米科学技术是20世纪80年代末期新崛起的一门高新技术。纳米纤维每根纤维的直径约为人类头发丝的千分之一,可达到100-300nm。利用直径为几十或几百纳米的纳米级纤维,形成纳米纤维交叉构成的互为贯通大孔(大于50nm)结构、纳米纤维表面的吸附结构和纳米纤维间的小孔和介孔结构,很适合用作过滤材料,其综合性能更好,价格更低。
图1 纳米纤维制备过程示意图
       纳米纤维的制备方法主要有静电纺丝法、海岛型双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、原纤化法、在聚合过程中直接制造纳米纤维等。其中,静电纺丝是制备纳米纤维的有效手段之一。它是使带电荷的溶液或熔体在静电场中流动或变形,经溶剂蒸发或熔体冷却固化得到纤维状物质的一种过程,简称电纺(如上图1所示)。
 

       2、中国粉体技术网:纳米纤维适合应用在哪些领域?在过滤材料领域应用状况如何?
       杨大祥:
纳米纤维兼具纳米材料的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性,表现出优异的力学、光学、电学和热学性能以及很大的比表面积和优异的表面特性。因此,纳米纤维可以应用在医学组织工程、人造血管、创伤治疗、高效过滤、生命体防护、污水处理、海水淡化、环境工程、尾气处理、电池电极材料、电池隔膜、太阳能帆板、日用化工催化吸附、防水透气面料、美容美肤产品、吸引、绝热、高性能复合材料等领域。
       目前,微、纳米纤维应用最成熟的领域是过滤材料。据估计,到2020年过滤材料市场价值总额将达到7000亿美元。
       高效过滤技术主要表现在提高过滤介质的比表面积和缩小介质材料的孔径尺寸。利用静电纺丝方法能够得到直径为几十或几百纳米的纳米级纤维,形成的纤维毡重量轻、渗透性好、比表面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好、容易与纳米级的化学物质或功能性物质相结合,很适合用作过滤材料。
       我国在“十二五”期间将提高分离膜的自给率,形成完备的规模化生产能力并实现进口替代。其中超滤和微滤膜年产能将达4500万~5000万m2;电驱动膜形成100万~200万m2的年产能;反渗透膜年产能要达到1000万m2,国产反渗透膜份额要上升至25%~30%。而目前,国内反渗透膜年产能只有400万m2

       据中国前瞻产业研究院统计,国内膜产业总产值已经从1994年2亿元上升到2011年的近400亿元。在市场需求及产业政策的双重推动下,我国膜技术产业将迎来“黄金10年”。预计这10年内我国膜产品产值年增长率将达到20%,远远高于国际平均水平。
 

       3、中国粉体技术网:近几年,粉尘污染、粉尘安全事件经常触动人们的神经。您怎么看待诸如雾霾、粉尘、尾气等环保话题?对您自身有没有一些深刻的影响?
       杨大祥:
近年来,全国一些重点区域的空气污染问题及其造成的巨大公众健康损失引起了广泛的关注,对以京津冀等地区为代表的重点地区的大气污染治理也成为各级政府部门主要的工作议程。
       2013 年9月,国务院出台《大气污染防治行动计划》,提出采取综合措施减轻京津冀、长三角、珠三角重点区域大气污染状况,环保部随后也发布了《京津冀及周边地区落实大气污染防治行动计划实施细则》,力图在2017年将京津冀地区 PM2.5 浓度降低25%,并将北京市细颗粒物浓度控制在 60μg/m³( 微克每立方米 ) 的水平。
       就我自身而言,经过国防科技大学航天与材料学院十多年的培养以及从事国防科技的相关工作,我一直在寻求为社会、为人类做些有意义的事情。自从2012年华夏大地被雾霾笼罩,PM2.5这个新概念逐步被大众所认识在人们的环保意识被唤醒的同时,我也找到了自己从事纳米新材料研究的崭新方向。于是,毅然脱掉军装选择转业到北京市环保局从事大气环境管理工作,在局机关从事了半年的大气环境监测管理和政策法规的宏观管理工作后,又调动到北京市环境保护科学研究院大气所从事大气环境治理领域的具体技术研发工作旨在找到我多年研究的纳米新材料在环保领域的用武之地。
       这些年从事科研工作的最大体会是真正的创新主体是企业,公司化能最快地推动新技术、新产品的应用,能更好地让高科技真正低成本地走进人们生活,在纳米新材料领域超越美日等国家。在这个大众创新、万众创业的年代,我也响应党中央和习主席的号召下海创业,于2014年创办了创达祥科技(北京)科技公司和湖州诺盾生物科技有限公司,公司旨在将纳米新材料推向市场化应用,用纳米科技更好地服务于大众,首先从空气过滤和水处理行业入手,在纳滤专业领域做强做大。

 

      4、中国粉体技术网:目前,您的团队对纳米纤维过滤材料的研究和运用处于什么阶段?市场前景如何?
      杨大祥:
技术研发团队从方法-设备-工艺-技术-材料-应用系统思想出发,已经突破了制备纳米纤维产率低的瓶颈,将其生产效率较单孔纺丝提高约100倍,已形成年产上百万平方米纳米纤维膜的中试生产线能力。这张图展示的是连续生产宽幅为600mm的纳米纤维膜实物照片(如下图2所示)。这代表国内该领域研究先进水平,其它大多停留在实验室项目研究阶段。       纳米纤维的制备方法主要有静电纺丝法、海岛型双组分复合纺丝法、分子喷丝板纺丝法、原纤化法、在聚合过程中直接制造纳米纤维等。其中,静电纺丝是制备纳米纤维的有效手段之一。它是使带电荷的溶液或熔体在静电场中流动或变形,经溶剂蒸发或熔体冷却固化得到纤维状物质的一种过程,简称电纺(如上图1所示)。

 图2 连续生产宽幅为600mm的纳米纤维膜实物照片图2 连续生产宽幅为600mm的纳米纤维膜实物照片
       从生产出的纳米纤维隔膜的显微电镜照片(如下图3所示)可清楚的看到,纤维直径在100-300nm之间,孔径小于1μm。
图3 纳米纤维滤膜的显微电镜照片

       正是由于纳米纤维这种独特的三维网状纳米多孔结构,使其具有独特的高效过滤、低阻力特点。本产品已于2014年3月份在国家检测中心和总装备部环化研究院针对颗粒直径为0.3μm(小于PM2.5)做了过滤性能测试试验,结果为过滤效率大于99%,风阻小于100Pa。
       我们现在已形成宽幅1800mm的连续纳米纤维隔膜生产能力,每条生产线每天可生产近万平方米纳米纤维隔膜。现在进口高透膜的价格在20-30元/米,其市场前景非常广阔。据保守估计,就高效过滤、口罩、新风机、水过滤、油过滤、户外运动服、冲锋衣这些市场,可容纳几十条生产线持续生产,经济效益可观。同时,我们还做出了中国第一款纳米纤维口罩——达康艾尔纳米纤维PM0.3口罩。

 

       5、中国粉体技术网:什么是纳米纤维PM0.3口罩?达康艾尔纳米纤维PM0.3口罩有什么特点?
       杨大祥:
一般我们提到的悬浮颗粒物(Suspended Particulate Matter,SPM)指的是主要的大气污染物类型,按照粒径可分为粒径小于100微米的总悬浮颗粒物(Total Suspended Particles,TSP)、粒径小于10微米的粗颗粒物(PM10)和粒径小于2.5微米的细颗粒物 PM2.5。粗颗粒物和PM2.5容易被人和动物呼吸进入肺部产生一系列致病风险,又称可吸入颗粒物。其中,PM2.5由于其粒径小,含大量有毒、有害物质且在大气中停留时间长、输送距离远,对人体健康和大气环境质量影响显著。相关研究表明,大气PM2.5浓度增高可显著增加人体致癌与非致癌风险,导致诸如肺癌等疾病死亡率上升。
       PM0.3则是对空气中直径小于或等于0.3微米的固体颗粒或液滴的总称,也称为可入肺颗粒物。除了富含大量的有毒、有害物质且在大气中的停留时间长、飘散范围可超过1000公里外,其对人体健康和大气环境质量的影响更大。
       采用孔径小于0.3微米的三维纳米高效
滤材,能高效过滤大气中的PM2.5和PM0.3,有效过滤空气中的隐形杀手——细菌病毒、汽车尾气、二手烟、甲醛、尘螨、雾霾、挥发性化学物、空气污染毒气,阻隔飞沫、体液和分泌物,吸收过滤污染毒气等等。纳米纤维PM0.3口罩在工业、医疗卫生行业、公共场合均可有效净化粉尘和雾霾,而且无论是过滤效率、透气性还是安全性都大大超越普通口罩(如下图4、5所示)。
图4 纳米纤维与病毒、PM2.5颗粒、花粉、头发丝电镜照片对比图
图5 纳米纤维过滤材料的显微电镜照片

       达康艾尔纳米纤维PM0.3口罩(如下图6所示)以世界先进水平的三维纳米多孔高效低阻滤膜为核心技术,通过人体工学立体口罩结构设计,在医用标准洁净无菌车间生产,采用全自动口罩本体切片技术和自动化耳带超声波焊接工艺,将SS无纺布和三维纳米多孔滤膜材料焊接成型为适合人体面部结构、密封性能好的防雾霾立体口罩。可以同时实现99%的高效过滤、低于100Pa的阻力、高密封性、舒适性、减少二次污染等卓越性能,满足用户不同层次的迫切需求。
图6 达康艾尔纳米纤维PM0.3口罩
       6、中国粉体技术网:您怎么看纳米纤维环保过滤技术对市场的带动?未来将会有哪些目标市场?
       杨大祥:
苏黎世科学经营咨询公司估计,到2015年全球纳米纤维市场将超过900亿美元。据BCC 研究公司的最新报告显示,未来几年全球纳米纤维市场将快速增长,未来5 年的年均复合增长率将达到34.3%。
       综合纳米纤维的性能优势、技术水平、环保要求、市场需求,其目标市场将会集中在口罩、空气净化器、新风系统、空调;工业、学校、医院;水过滤、生活饮用水、污水处理;油过滤(汽油、柴油、机油)等场合。
       以袋式除尘器为例,现已广泛应用于冶金、有色、电力、机械、建材、化工、轻工、粮食加工等诸多行业。根据统计分析,预计到“十二五”末,我国袋式除尘器行业的总产值可达到250亿元左右,各种滤料达到1亿平方米 ,纤维滤料用量近5万吨。
       环保产业“十二五”规划给饮用水源安全保障、水环境污染控制与生态修复等13个领域的装备研发和产业化发展指明了方向。这些领域都有纳米纤维过滤材料的用武之地。可以说,纳米纤维及这项技术本身所形成的市场并不是最终市场,它具有非常强的带动性和使能性。展望未来,相信纳米纤维环保过滤技术将推动许多行业的设计准则、装备和系统的变革,并使其增加价值。

 

附录:杨大祥简介
 
    杨大祥,男,1977年生,中共党员,留英博士。2001年7月从西安交大本科毕业,获得工学和管理学双学位,并直接保送到国防科大航天与材料工程学院攻读硕士学位,同时被部队特招入伍。2004年2月至2009年6月在国防科大攻读航天材料专业博士学位,期间被公派赴英国曼彻斯特大学材料科学中心学习。2009年6月应届博士毕业后被分配到总装备部装甲兵工程学院装备再制造工程系装备再制造技术国防科技重点实验室当讲师。2013年10月从部队转业到北京市环保局环境科学研究院从事大气环境治理工作。
    基于西安交大本科管理学和工学的双学位知识结构,在这十多年的科研工作中,十分注重科研工作与实际应用的结合,致力于将基础科研成果往实际应用转化,面向部队的实际应用需求,取得一些成功的案例。09年博士毕业后独立带团队开展工作,现已经突破了纳米纤维产业化技术瓶颈,并拥有自主知识产权的系列静电纺丝设备和数十种纳米纤维材料的制备方法。公司团队已经成功地为美国University of the west indies,Vanderbit University,英国University of Manchester,新加坡南洋理工大学、国防科技大学、中南大学、长沙理工大学、总后勤部某研究所等30多家院所提供整套静电纺丝制备纳米纤维设备和技术方案。现已形成在PM2.5防治领域和高效吸音降噪领域应用的纳米纤维的批量生产能力。
    公司旨在推动纳米纤维产业化进程,发挥纳米纤维市场的带动性和使能性作用,为从事纳米纤维相关研究和产业活动提供技术支持服务,加快实现纳米纤维国产化,加速其在过滤、隔热、吸音、生物、服装、日用化工和武器装备等领域的应用,让纳米科技真正低成本地走进人们生活,为社会服务。
来源:中国粉体技术网   http://www.cnpowdertech.com/2015/renwufangtan_0928/14865.html 


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