| تعداد نشریات | 282 |
| تعداد نشریات سازمان | 80 |
| تعداد شماره‌ها | 3,247 |
| تعداد مقالات | 35,895 |
| تعداد مشاهده مقاله | 54,476,408 |
| تعداد دریافت فایل اصل مقاله | 93,635,436 |
مقایسه روش‌های لایه نشانی مه‌پاشی و غوطه‌وری جهت ساخت مدیا فیلتر هوا با استفاده از نانوالیاف سلولز چوب و باکتری | ||
| تحقیقات علوم چوب و کاغذ ایران | ||
| مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 21 شهریور 1405 | ||
| نوع مقاله: مقاله پژوهشی | ||
| شناسه دیجیتال (DOI): 10.22092/ijwpr.2026.373662.1851 | ||
| نویسندگان | ||
| آرمین جمالی1؛ حسین یوسفی* 2؛ مهدی مشکور3؛ استیون سورتسون4؛ آلین دوفرن5؛ پراشانت کومار6 | ||
| 1دکتری تخصصی، گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران | ||
| 2دانشیار گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران، | ||
| 3دانشیار گروه تکنولوژی و مهندسی چوب، دانشکده مهندسی چوب و کاغذ، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان، ایران | ||
| 4استاد دانشکده مهندسی محصولات و سیستم‌های زیستی، دانشگاه مینه‌سوتا، ایالات متحده آمریکا | ||
| 5استاد دانشگاه گرنوبل آلپ، فرانسه | ||
| 6مرکز جهانی تحقیقات هوای پاک (GCARE)، استاد دانشکده مهندسی عمران و محیط‌زیست، استاد دانشکده مهندسی و علوم فیزیکی (FEPS)، دانشگاه سری، انگلیس | ||
| چکیده | ||
| سابقه و هدف : یکی از روش‌های موثر و مستقیم مقابله با انواع آلودگی هوا، استفاده از فیلترها می‌باشد. نسخه‌های موجود در بازار، از مواد اولیه نفتی ساخته شده‌اند و پسماند حاصل از آن‌ها تبدیل به یک چالش جهانی شده است. در این راستا، جایگزینی مواد اولیه زیستی، بالقوه می‌تواند ضمن حل مشکلات پسماند، بازده فیلتراسیون را نیز افزایش دهد. از جمله این مواد، نانوالیاف سلولز می‌باشد. تمرکز اغلب پژوهش‌ها، بر ساخت فیلتر از نانوالیاف سلولز چوب و روش قالب‌گیری بوده است و مطالعات بر روی نانوالیاف سلولز باکتری و اساسا بررسی انواع مختلف روش‌های لایه نشانی این نانوبیومواد، بسیار محدود می‌باشد. لذا در پژوهش حاضر تلاش شد تا اثرات دو روش لایه نشانی غوطه‌وری و مه‌پاشی، برای ساخت مدیا فیلتر هوا با استفاده از نانوالیاف سلولز چوب و باکتری مورد بررسی و مقایسه قرار گیرد. مواد و روشها : برای این منظور، نانوالیاف سلولز چوب تولید شده به روش مکانیکی (WCNF) با درجه پلی‌مریزاسیون ۱۲۰۰-۷۰۰ و نانوالیاف سلولز سنتز شده توسط باکتری (BCNF) با درجه پلی‌مریزاسیون ۲۵۰۰-۱۵۰۰ از شرکت دانش بنیان نانونوین پلیمر تهیه گردید. پارچه سلولزی نیز با گراماژ ۳۰ گرم بر متر مربع به عنوان بستر مورد استفاده برای لایه‌نشانی، از شرکت لیو تهیه و در ابعاد ۱۵×۱۵ سانتی متر آماده گردید. جهت ساخت نمونه‌ها ابتدا نانوبیومواد را به غلظت ۵/۰ درصد وزنی به وسیله آب مقطر رسانده و سپس به میزان گراماژ 1/0±2 گرم بر متر مربع بر روی بستر پارچه‌ای سلولزی با روش‌های غوطه‌وری و مه‌پاشی، لایه نشانی شدند. سپس نمونه‌ها به دستگاه خشک کن انجمادی منتقل تا در دمای منفی ۵۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۰۴/۰ میلی‌بار به مدت ۲۴ ساعت آماده شوند. جهت ارزیابی مواد اولیه مورد استفاده در این پژوهش از آزمون‌هایی نظیر آزمون طیف سنجی مادون قرمز فوریه (FTIR)، آزمون طیف سنجی پراش اشعه ایکس (XRD) و آزمون پتانسیل زتا استفاده گردید. جهت ارزیابی و مقایسه عملکرد نمونه‌های ساخته شده در این پژوهش نیز از آزمون‌هایی نظیر آزمون میکروسکوپ الکترونی گسیل میدان (FESEM)، آزمون جذب ریزگردهای هوا (Particle removal efficiency)، آزمون افت فشار فیلتر (Pressure Drop) و آزمون محاسبه ضریب کیفیت فیلتر (Quality Factor) استفاده گردید. نتایج : نتایج آزمون‌های FTIR و XRD نشان داد که مواد اولیه مورد استفاده شامل بستر پارچه‌ای، نانوالیاف سلولز چوب و نانوالیاف سلولز باکتری، همگی از سلولز نوع یک بتا هستند که یکسانی شیمیایی، تشکیل پیوندهای هیدروژنی مؤثر میان نانوبیومواد و بستر را تقویت نمود. تصاویر FESEM بیانگر توزیع یکنواخت‌تر و ساختار شبکه‌ای با منافذ ریزتر در نمونه‌های لایه‌نشانی شده به روش مه‌پاشی نسبت به روش غوطه‌وری بود. بررسی عملکرد فیلتراسیون نشان داد که هر دو روش لایه‌نشانی، بازده جذب بالای ۹۰ درصد را برای تمامی ذرات در دامنه ۳/۰ تا ۱۰ میکرون به همراه داشتند. روش مه‌پاشی در هر دو نوع نانوماده، عملکرد برتری از خود نشان داد که به تشکیل لایه‌ای سطحی و یکپارچه‌تر با قابلیت کنترل دقیق‌تر گراماژ مرتبط است. نانوالیاف سلولز باکتری به‌دلیل درجه پلی‌مریزاسیون بالاتر (۲۵۰۰-۱۵۰۰) و پتانسیل زتای منفی بیشتر (۲۵- در برابر ۱۲-)، بازده جذب بالاتری نسبت به نانوالیاف سلولز چوب در هر دو روش لایه‌نشانی نشان داد. بهترین عملکرد مربوط به نمونه نانوالیاف سلولز باکتری لایه‌نشانی شده به روش مه‌پاشی بود که با بازده جذب ۵۶/۹۹ درصد برای ذرات ۳۰۰ نانومتر و افت فشار ۱۱۲ پاسکال، بالاترین ضریب کیفیت را در میان تمامی نمونه‌ها به خود اختصاص داد. بازده جذب ذرات ۳۰۰ نانومتر برای نمونه‌های نانوالیاف سلولز باکتری ساخته شده به روش غوطه‌وری، نانوالیاف سلولز باکتری ساخته شده به روش مه‌پاشی، نانوالیاف سلولز چوب ساخته شده به روش غوطه‌وری و نانوالیاف سلولز چوب ساخته شده به روش مه‌پاشی به‌ترتیب ۹۲/۹۳، ۵۶/۹۹، ۶۳/۹۱ و ۴/۹۵ درصد و افت فشار آن‌ها به‌ترتیب ۸±۸۸، ۷±۱۱۲، ۴±۹۶ و ۸±۱۱۸ پاسکال بدست آمد. نتیجه‌گیری: هر دو روش لایه‌نشانی غوطه‌وری و مه‌پاشی، پتانسیل بالایی جهت ساخت مدیا فیلتر هوا زیستی از خود نشان دادند. با این حال، مدیاهای ساخته شده به روش مه‌پاشی کارآمدتر از نمونه‌های ساخته شده به روش غوطه‌وری در هر دو نانوبیوماده بود. از سوی دیگر، بازده جذب نمونه‌های ساخته شده توسط نانوالیاف سلولز باکتری نیز بالاتر از نمونه‌های ساخته شده توسط نانوالیاف سلولز چوب بدست آمد. روش مه‌پاشی برای نانوالیاف سلولز چوب امکان ساخت فیلتر با عملکرد N95 و برای نانوالیاف سلولز باکتری امکان ساخت فیلتر با عملکرد N99 را در این پژوهش فراهم آورد. | ||
| کلیدواژه‌ها | ||
| نانوالیاف سلولز چوب؛ نانوالیاف سلولز باکتری؛ لایه نشانی؛ مه‌پاشی؛ غوطه‌وری | ||
| عنوان مقاله [English] | ||
| Comparison of Fog-Spraying and Dip Coating Methods for Fabricating Air Filter Media Using Wood and Bacterial Cellulose Nanofibers | ||
| نویسندگان [English] | ||
| Armin Jamali1؛ Hossein Yousefi2؛ Mahdi Mashkour3؛ Steven J. Severtson4؛ Alain Dufresne5؛ Prashant Kumar6 | ||
| 1PhD. In Lignocellulosic Composites/Renewable Nanomaterials, Department of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran | ||
| 2Associate Professor, Department of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran | ||
| 3Associate Professor, Department of Wood Engineering and Technology, Gorgan University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Gorgan, Iran | ||
| 4Professor, Department of Bioproducts and Biosystems Engineering, University of Minnesota 2004 Folwell Avenue, St. Paul, Minnesota, 55108, United States | ||
| 5Professor, University Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, LGP2, F-38000 Grenoble, France | ||
| 6Professor, Global Centre for Clean Air Research (GCARE), School of Engineering, Civil and Environmental Engineering, Faculty of Engineering and Physical Sciences (FEPS), University of Surrey Guildford, GU2 7XH Surrey, United Kingdom Institute for Sus | ||
| چکیده [English] | ||
| Background and Objective: One of the most effective and direct methods to combat various types of air pollution is the use of filters. However, commercially available versions are manufactured from petroleum-based raw materials, and their waste has become a global challenge. In this regard, replacing these materials with bio-based raw materials can potentially not only solve the waste problem but also enhance filtration efficiency. Among these materials are cellulose nanofibers. The focus of most research has been on fabricating air filters via casting method using wood cellulose nanofibers. Studies on bacterial cellulose nanofibers and, fundamentally, investigations into different coating methods of these nanobiomaterials are very limited. Therefore, the present study aimed to investigate and compare the effects of two coating methods—dip coating and fog-spray coating—for fabricating air filter media using wood cellulose nanofibers and bacterial cellulose nanofibers. Materials and Methods: For this purpose, wood cellulose nanofibers (WCNF) produced by mechanical method with a degree of polymerization of 700-1200 nm and bacterial cellulose nanofibers (BCNF) synthesized by bacteria with a degree of polymerization of 1500-2500 nm were procured from Nanonovin Polymer Company. Cellulosic fabric with a grammage of 30 g/m² was prepared as the substrate for coating from Live Company and cut into dimensions of 15×15 cm. To fabricate the samples, the nanobiomaterials were first diluted to a concentration of 0.5% by weight using distilled water and then coated onto the cellulosic fabric substrate at a grammage of 2 g/m² using dip coating and fog-spray coating methods. The samples were then transferred to a freeze dryer and prepared at -50°C and 0.04 mbar for 24 hours. To evaluate the raw materials used in this study, tests such as Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction spectroscopy (XRD), and zeta potential measurement were employed. To evaluate and compare the performance of the fabricated samples, tests including field emission scanning electron microscopy (FESEM), particle removal efficiency, pressure drop measurement, and filter quality factor calculation were used. Results: The results of FTIR and XRD tests showed that the raw materials used, including the fabric substrate, wood cellulose nanofibers, and bacterial cellulose nanofibers, are all cellulose type Iβ, whose chemical similarity potentially enhanced the formation of hydrogen bonds between the nanobiomaterials and the substrate. FESEM images indicated more uniform distribution and a network structure with finer pores in the samples coated via the fog-spray method compared to the dip coating method. Filtration performance evaluation demonstrated that both coating methods achieved over 90% removal efficiency for all particles in the range of 0.3 to 10 microns. The fog-spray method showed superior performance for both types of nanomaterials, which is attributed to the formation of a more uniform surface layer with more precise grammage control. Bacterial cellulose nanofibers, due to their higher degree of polymerization (1500-2500 nm) and more negative zeta potential (-25 compared to -12), showed higher removal efficiency than wood cellulose nanofibers in both coating methods. The best performance belonged to the bacterial cellulose nanofiber sample coated via the fog-spray method, which achieved a removal efficiency of 99.56% for 300 nm particles and a pressure drop of 112 Pa, earning the highest quality factor among all samples. The removal efficiency of 300 nm particles for BCNF-D, BCNF-F, WCNF-D, and WCNF-F samples were 93.92%, 99.56%, 91.63%, and 95.4%, respectively, and their pressure drops were 88±8, 112±7, 96±4, and 118±8 Pa, respectively. Conclusion: Both dip coating and fog-spray coating methods demonstrated high potential for fabricating bio-based air filter media. However, the media fabricated via the fog-spray method were more efficient than those fabricated via the dip coating method for both nanobiomaterials. On the other hand, the removal efficiency of samples fabricated using bacterial cellulose nanofibers was also higher than those fabricated using wood cellulose nanofibers. The fog-spray method for wood cellulose nanofibers enabled the fabrication of filters with N95 performance and for bacterial cellulose nanofibers enabled the fabrication of filters with N99 performance in this study. | ||
| کلیدواژه‌ها [English] | ||
| Wood Cellulose Nanofibers, Bacterial Cellulose Nanofibers, Deposition, Fog Spray Coating, Dip Coating | ||
| مراجع | ||
|
| ||
|
آمار تعداد مشاهده مقاله: 83 |
||