靜電紡絲技術(shù)在鄉(xiāng)村霧霾下關(guān)于人身防護(hù)的機(jī)理研究

韓維華++李寧

摘要：指出了在鄉(xiāng)村環(huán)境污染日益嚴(yán)重的情況下，鄉(xiāng)村大氣污染越來越受到重視。特別是霧霾天氣在鄉(xiāng)村的頻繁發(fā)生，直接嚴(yán)重影響到了鄉(xiāng)村居民的生活質(zhì)量。在此，針對(duì)鄉(xiāng)村霧霾，結(jié)合靜電紡絲技術(shù)，利用納米纖維的過濾、吸附作用，研究出了一套人身防護(hù)對(duì)策，以實(shí)現(xiàn)對(duì)人的直接保護(hù)和間接保護(hù)。結(jié)果表明：利用納米纖維的特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)PM2.5細(xì)顆粒物的有效阻隔，凈化鄉(xiāng)村空氣，建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村。

關(guān)鍵詞：大氣污染；鄉(xiāng)村霧霾；靜電紡絲；納米纖維

中圖分類號(hào)：X513

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）12022704

1引言

霧霾是霧和霾的混合物，霧是凝結(jié)空氣中的小水滴或冰晶而形成的，是由水汽形成團(tuán)簇構(gòu)成的自然現(xiàn)象。霾是空氣中的灰塵、酸性物質(zhì)等顆粒物組成的氣溶膠系統(tǒng)，是以犧牲環(huán)境為代價(jià)推動(dòng)工業(yè)化進(jìn)程造成的大氣污染物。近年來，霧霾往往作為一個(gè)整體名詞出現(xiàn)在大眾視野中。特別在2012年末、2013年初，我國大部分地區(qū)，如華北地區(qū)各省市，華南北部部分地區(qū)經(jīng)歷了持續(xù)大范圍的霧霾天氣。因此霧霾引起了廣泛關(guān)注，并越來越受到重視。

就我國現(xiàn)在的工業(yè)化發(fā)展?fàn)顩r而言，霧霾已不再是城市地區(qū)的專屬。城市與鄉(xiāng)村的界限已不如以往那么明晰。換言之，鄉(xiāng)村在我國工業(yè)化進(jìn)程中所起的作用亦越來越明顯。這雖然肯定了鄉(xiāng)村對(duì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展所起的重要作用，但是也因此給鄉(xiāng)村環(huán)境帶來了很多負(fù)面影響，鄉(xiāng)村霧霾就是最受矚目的事件之一。

在建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村之時(shí)，改善鄉(xiāng)村大氣環(huán)境，防治霧霾刻不容緩。通過調(diào)研分析可知鄉(xiāng)村霧霾的主要來源有以下幾個(gè)方面。

（1）周邊工廠排放的粉塵和廢氣等物質(zhì)。石油化工類工廠和電力、鋼鐵建材等行業(yè)在生產(chǎn)過程中將會(huì)大量燃燒化石燃料和產(chǎn)生大量煙氣粉塵及光化學(xué)煙霧，向空中排放大量的粉塵和廢氣。如果這些工廠位于鄉(xiāng)村附近則污染物會(huì)隨風(fēng)擴(kuò)散彌漫在鄉(xiāng)村上空，成為鄉(xiāng)村霧霾的重要來源。

（2）機(jī)動(dòng)車輛尾氣排放。隨著鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)用機(jī)動(dòng)三輪、四輪車，家用小型轎車的使用已非常廣泛。隨之帶來的問題就是汽車尾氣的排放對(duì)環(huán)境造成的污染。尾氣的主要成分一氧化碳、氮氧化物及其他固體顆粒等排放到空氣中，成為霧霾的另一重要組成。同時(shí)，汽車行駛過程中在路面帶起的浮土揚(yáng)塵也會(huì)加劇鄉(xiāng)村霧霾的發(fā)生。

（3）季節(jié)性秸稈焚燒。雖然對(duì)秸稈焚燒的巡查已納入鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道機(jī)關(guān)工作日常，但是仍有部分農(nóng)村地區(qū)存在焚燒秸稈的現(xiàn)象。除去安全隱患外，焚燒秸稈時(shí)產(chǎn)生的大量污染物隨火焰更易進(jìn)入高空。特別是焚燒秸稈比較集中的時(shí)候，環(huán)境檢測顯示，鄉(xiāng)村空氣質(zhì)量狀況明顯下降。

（4）冬季燃煤取暖。鄉(xiāng)村由于居住環(huán)境的限制，很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一供暖。在冬季雖然有空調(diào)取暖，但是以燃煤為主的取暖方式仍是鄉(xiāng)村冬季取暖的主流。煤炭燃燒的產(chǎn)物包括二氧化硫、二氧化碳及氮氧化物等氣體成分和未能燃燒的細(xì)小顆粒固體。這些物質(zhì)（有些物質(zhì)有毒）進(jìn)入到空氣中形成霧霾。今后一段時(shí)間，特別是燃煤集中的冬季，燃煤排放是造成鄉(xiāng)村霧霾的主要原因之一。

（5）其他鄉(xiāng)村霧霾成因。自然因素的影響，如火山爆發(fā)，風(fēng)力作用等致使細(xì)小顆粒、塵埃進(jìn)去大氣。建筑施工的影響，使得空氣中的細(xì)微顆粒物增多。

當(dāng)在上述條件下，又遇空氣濕度較大的天氣，便會(huì)形成霧霾污染。

2霧霾危害

鄉(xiāng)村環(huán)境應(yīng)是綠化面積所占比例大，空氣質(zhì)量狀況優(yōu)良的美麗宜居之地。但是霧霾的污染使鄉(xiāng)村變得不再宜居。霧霾的危害主要是可入肺微粒物。可入肺微粒物（PM2.5）是指直徑小于或等于2.5 μm的細(xì)顆粒物。而霧霾中所含有的對(duì)人體起危害作用的物質(zhì)主要是指PM2.5。PM2.5含有大量有毒物質(zhì)，而且細(xì)微粒物粒徑小，能隨霧霾長時(shí)間懸浮于空中，可吸入肺，沉積在呼吸道，甚至可深入到人體的細(xì)支氣管和肺泡，對(duì)人體危害極大。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，細(xì)微粒物的粒徑越小對(duì)人體的危害越大。霧霾對(duì)鄉(xiāng)村的危害主要有以下幾個(gè)方面。

2.1引發(fā)交通事故

霧霾天氣時(shí)，能見度低，而鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展使得鄉(xiāng)村硬化路面增多加寬，機(jī)動(dòng)車輛數(shù)量劇增，當(dāng)人們在能見度低的天氣出行時(shí)極易發(fā)生交通事故，危害鄉(xiāng)村人民安全。

2.2增加人類傳染病的傳播

霧霾天氣使得空氣中的病毒、病菌更易存活，有害物質(zhì)更易通過霧霾為媒介進(jìn)入人體，增加人們傳染病的患病率。

2.3影響作物生長

霧霾持續(xù)不散，將會(huì)影響陽光的照射，從而影響農(nóng)作物的呼吸和光合作用。長時(shí)間霧霾直接影響作物生長，進(jìn)而影響到鄉(xiāng)村人民的生活收入狀況。

2.4危害鄉(xiāng)村養(yǎng)殖業(yè)

霧霾為禽畜致病的病原微生物提供了適宜的生長環(huán)境。病原微生物的大量繁殖極易引發(fā)大規(guī)模的禽畜疫病。

此外，霧霾對(duì)鄉(xiāng)村人民的影響遠(yuǎn)不止這些。霧霾天氣，空中氧含量低，容易引誘一些病癥的發(fā)作，危害個(gè)別群體的生命健康安全，例如哮喘類疾病患者在霧霾天更易發(fā)作。所以必須積極應(yīng)對(duì)鄉(xiāng)村霧霾。

3鄉(xiāng)村霧霾防治對(duì)策

目前，世界各國都采取了積極防治霧霾的對(duì)策。防治對(duì)策一般來自國家、社會(huì)和個(gè)人三個(gè)層面。國家層面主要包括法律監(jiān)管，科學(xué)評(píng)估等。社會(huì)層面主要包括綠色生產(chǎn)，達(dá)標(biāo)排放等。而個(gè)人層面最為關(guān)鍵，因?yàn)閭€(gè)人防護(hù)直接關(guān)系到個(gè)人的身心健康狀況。個(gè)人最需時(shí)刻關(guān)注國家氣象預(yù)警，隨時(shí)監(jiān)督舉報(bào)違法生產(chǎn)經(jīng)營，還要注意個(gè)人養(yǎng)護(hù)。在此，提出一種個(gè)人防護(hù)對(duì)策。利用靜電紡絲制備的納米纖維可以實(shí)現(xiàn)對(duì)霧霾，特別是PM2.5的有效阻隔。

3.1靜電紡絲簡介

靜電紡絲，顧名思義，利用高壓靜電制備納米纖維的技術(shù)，其最早見于美國Formhals申請的專利。因?yàn)檠b置簡單，操作簡便，近年來已成為制備一維納米材料的最佳技術(shù)。其基本裝置，如圖1所示，主要包括三部分：高壓直流電源，帶金屬紡絲噴頭的紡絲容器，收集納米纖維的金屬收集極。

紡絲過程：將高分子聚合物溶液盛放在紡絲容器中，金屬紡絲噴頭接高壓直流電源的正極，收集極接電源負(fù)極并接地。紡絲過程一般設(shè)置紡絲電壓為5～30 kV。紡絲距離，即紡絲噴頭到收集極之間的垂直距離為8～20 cm。紡絲開始后，高分子聚合物在紡絲噴頭尖端會(huì)收到電場力，重力和液體表面張力的共同作用。當(dāng)電場力克服表面張力后，聚合物溶液會(huì)形成射流，隨電荷增加，射流會(huì)進(jìn)行劈裂拉伸細(xì)化，同時(shí)伴有溶劑的揮發(fā)，最后會(huì)在收集極上得到高分子聚合物的納米纖維，通常以無紡布的形式存在，如圖2所示。

韓維華，等：靜電紡絲技術(shù)在鄉(xiāng)村霧霾下關(guān)于人身防護(hù)的機(jī)理研究

材料與工藝

納米纖維具有其他材料難以比擬的優(yōu)勢，作為一維納米材料具有大的比表面積和纖維長度/直徑比，表現(xiàn)出優(yōu)于一般材料的力、光、電、磁方面的特性。獲得一維納米纖維的方法很多，例如電弧放電法，氣相化學(xué)沉積法等等，但是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的就是靜電紡絲技術(shù)。制備的納米纖維主要應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)的細(xì)胞生長支架，傳感器件，過濾裝置和復(fù)合材料增強(qiáng)體方面，其應(yīng)用范圍涉及到醫(yī)學(xué)、新能源、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域。

在此，針對(duì)鄉(xiāng)村霧霾下人身防護(hù)的應(yīng)用研究主要是利用了納米纖維的過濾作用。首先，通過靜電紡絲技術(shù)制得納米纖維無紡布。其次，利用纖維無紡布高氣孔率和本身的尺度優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)微顆粒的阻隔（過濾）。從而使得鄉(xiāng)村人民即使在霧霾天氣之下也可呼吸到純凈的空氣。

實(shí)驗(yàn)中，通過靜電紡絲技術(shù)制得聚偏氟乙烯（PVDF，平均分子量275000，分析純）纖維，如圖2所示，而后對(duì)纖維進(jìn)行直徑統(tǒng)計(jì)。在實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置紡絲電壓20 kV，紡絲距離20 cm的室溫條件下，制備的PVDF纖維直徑主要分布在250～500 nm之間，且符合正態(tài)分布。計(jì)算得出纖維平均直徑約為400 nm。

3.2霧霾防護(hù)原理

鄉(xiāng)村霧霾對(duì)人體構(gòu)成傷害最大的就是PM2.5，所以在此重點(diǎn)研究納米纖維對(duì)PM2.5的阻隔原理，如圖3所示。2.5 μm的粒子到達(dá)納米纖維形成的防護(hù)網(wǎng)絡(luò)后，便會(huì)被有效阻隔。由圖2可知，平均直徑為400 nm的纖維構(gòu)織成的單層網(wǎng)絡(luò)孔間距較大，但是，當(dāng)多層纖維層層沉積之后，便可成為有效的“防火墻”。

PM2.5到達(dá)纖維層之后，會(huì)出現(xiàn)兩種模式。一是PM2.5顆粒到達(dá)纖維層之后鑲嵌在網(wǎng)絡(luò)空隙之中，如圖3中（A）所示。此情況下，顆粒會(huì)在纖維層沉積。當(dāng)細(xì)微顆粒沉積層達(dá)到一定厚度后，纖維層即失去功效，所以，纖維層需要定期更換。二是PM2.5顆粒到達(dá)纖維層之后，又通過外力（例如風(fēng)力，振動(dòng)等）的作用，離開纖維層，如圖3中（B）所示，該過程不影響纖維層對(duì)后續(xù)到達(dá)顆粒的阻隔。此即為纖維層的重復(fù)利用提供了一種思路：通過對(duì)更換下來的納米纖維層水洗或振動(dòng)除塵等實(shí)現(xiàn)回收利用，既節(jié)省成本，又避免造成廢棄物污染。

3.3鄉(xiāng)村霧霾防護(hù)對(duì)策研究

根據(jù)霧霾防護(hù)原理，研究制定出霧霾下個(gè)人防護(hù)對(duì)策。防護(hù)對(duì)策可針對(duì)人身防護(hù)和鄉(xiāng)村應(yīng)用兩個(gè)方面。人身防護(hù)對(duì)策是實(shí)現(xiàn)對(duì)人的直接保護(hù)，鄉(xiāng)村應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)對(duì)人的間接保護(hù)。所以，納米纖維無紡布在人身防護(hù)方面可分為直接應(yīng)用和間接應(yīng)用兩方面，具體如下。

3.3.1直接應(yīng)用

直接應(yīng)用體現(xiàn)在對(duì)人的直接保護(hù)上。例如，利用納米纖維無紡布做防護(hù)口罩夾層。其優(yōu)勢體現(xiàn)在防護(hù)口罩的核心過濾層的納米級(jí)別尺度，因此這種防護(hù)口罩比市場上流通的一般口罩更具防護(hù)作用，對(duì)一般性塵埃的阻隔更有效。

更進(jìn)一步，可通過改進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)納米纖維的有序交叉排列，從而使纖維的阻隔作用更強(qiáng)。前文中已作說明，霧霾對(duì)人體傷害的主要來源是PM2.5，而細(xì)微顆粒的粒徑越小則對(duì)人體傷害越大，所以納米級(jí)別的防護(hù)口罩可以實(shí)現(xiàn)對(duì)粒徑更小的顆粒物的阻隔，因此，更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。防護(hù)口罩的另一潛在應(yīng)用價(jià)值還體現(xiàn)在可以通過靜電紡絲混紡技術(shù)或者藥物溶解添加技術(shù)，使藥物摻雜在納米纖維之中。霧霾發(fā)生之時(shí)，空氣濕度大，空中氧氣含量低，會(huì)使一些哮喘類病癥患者極易發(fā)作病癥，當(dāng)把藥物添加在防護(hù)口罩的納米纖維之中，藥物便可在病人呼吸之中緩慢釋放。此技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)霧霾防護(hù)還可以作為霧霾之時(shí)病人的護(hù)理日常。

3.3.2間接應(yīng)用

間接應(yīng)用是對(duì)鄉(xiāng)村人民的間接保護(hù)。例如，利用納米纖維氣孔率大，吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以用作吸附周邊工廠或施工工地產(chǎn)生的塵埃，進(jìn)而改善鄉(xiāng)村空氣質(zhì)量狀況。實(shí)際中可把納米纖維無紡布設(shè)置成區(qū)域隔離防護(hù)網(wǎng)，在施工場地周圍實(shí)行空間包圍，即可有效抑制塵埃的擴(kuò)散。另一應(yīng)用，可以把納米纖維無紡布制成尾氣過濾桶，安裝在機(jī)動(dòng)車輛的排氣口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)尾氣的過濾處理。納米纖維在間接解決霧霾對(duì)人體的傷害方面，同樣主要利用了納米纖維的過濾和吸附作用。

3.4對(duì)策研究意義

目前，國內(nèi)外在防治霧霾方面都采取了積極的舉措。英國出臺(tái)《清潔空氣法》，美國加強(qiáng)檢測和管理，日本注重綠化等等，都已見成效。我國借鑒經(jīng)驗(yàn)，正在積極應(yīng)對(duì)霧霾污染，但是政策的落實(shí)和防護(hù)措施的見效都需要一個(gè)過渡的過程，從省市到一線城市、二線城市、鄉(xiāng)村，需要一定時(shí)間才能形成一套完備的霧霾防護(hù)體系。而現(xiàn)在鄉(xiāng)村霧霾日益嚴(yán)重之際，想要立竿見影，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村人民人身有效防護(hù)正是本研究的意義所在。利用靜電紡絲技術(shù)可制備出納米級(jí)別的纖維，再將制得的納米纖維應(yīng)用在人身防護(hù)方面，例如納米纖維夾層防護(hù)口罩，工廠、施工工地塵埃顆粒隔離墻，機(jī)動(dòng)車輛尾氣過濾裝置。其潛在應(yīng)用價(jià)值還在于，可制備功能性口罩，例如藥物添加緩釋防護(hù)口罩。對(duì)于鄉(xiāng)村霧霾的防治，應(yīng)首先以人為本，所以在此，首先研究利用靜電紡絲技術(shù)針對(duì)鄉(xiāng)村霧霾下關(guān)于人身防護(hù)的應(yīng)用研究。

4結(jié)語

霧霾污染已嚴(yán)重影響到了鄉(xiāng)村人民的生命健康。所以，鄉(xiāng)村霧霾防治必然會(huì)成為美麗宜居鄉(xiāng)村建設(shè)的重要一環(huán)。目前，國家、社會(huì)層面借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及根據(jù)自身實(shí)際情況，正在采取積極有效的霧霾防治措施。但是，作為霧霾防治的最終受益者、主觀參與者，鄉(xiāng)村居民更應(yīng)該加強(qiáng)自身防護(hù)。本文結(jié)合靜電紡絲技術(shù)研究出一套鄉(xiāng)村霧霾下的人身防護(hù)對(duì)策，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人的直接保護(hù)和間接保護(hù)，其潛在應(yīng)用價(jià)值更是巨大。建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村本應(yīng)以鄉(xiāng)村人民為本，從鄉(xiāng)村人民的健康出發(fā)。所以，此研究出發(fā)點(diǎn)是為了實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村人與自然的和諧相處。

2017年6月綠色科技第12期

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