灯心草空气过滤材料及其制备方法

1.本发明涉及空气过滤器技术领域，尤其涉及一种灯心草空气过滤材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着工业化的不断发展，人们赖以生存的环境污染日趋严峻。空气中存在越来越多的威胁人体健康的污染颗粒物，尤其是pm2.5。为了适应目前的生存环境，各种空气过滤材料相继产生。
3.通常，空气过滤材料主要分为多孔薄膜过滤材料和纤维类过滤材料。
4.多孔薄膜过滤材料较小的孔径使其具有出色的过滤效率，然而这种材料的压力降高、容尘量低，使其不能被广泛应用。纤维类过滤材料的制备工艺简单、且材料的孔径尺寸可控，因此成为目前的最主要过滤材料。
5.纤维类过滤材料通常采用熔喷驻极纤维、普通非织造纤维、超细玻璃纤维、静电纺纳米纤维等来制备。但是这些滤材的原材料大多为不可降解的石油基衍生物，它们的废弃处理又会成为生态系统新的污染负担。
6.近年来，科研者开始将目光聚焦于植物纤维。植物纤维本身柔软、表面具有丰富的活性基团、可生物降解且成本低，成为了新一代构筑功能型纤维素基空气滤材的理想原材料。
7.灯心草作为一种植物纤维，具有天然多孔结构，是制作绿色滤材的理想材料。然而灯心草的内部孔径为100μm左右，直接使用无法对pm2.5(≤2.5μm颗粒)进行有效的拦截，需要对其进行改性，缩小内部的孔径。在不破坏孔道结构的情况下，将100μm的孔进行缩小是较为困难的。因此，如何在不破坏灯心草孔道结构的前提下，缩小其孔径，得到高过滤性能的过滤材料是亟待解决的问题。
8.有鉴于此，有必要设计一种改进的灯心草空气过滤材料及其制备方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种灯心草空气过滤材料及其制备方法，利用灯心草内部特殊的网状结构，使微米级细菌纤维素纤维生长到灯心草孔道当中，形成植物支架与细菌纤维素纤维相互交织的特殊结构的复合网，使制备的空气过滤材料过滤效果优异。
10.为实现上述发明目的，本发明提供了一种灯心草空气过滤材料，包括表面及内部生长有细菌纤维素纤维的灯心草。
11.作为本发明的进一步改进，所述细菌纤维素纤维的质量含量为所述灯心草的0.5％-10％。
12.作为本发明的进一步改进，所述灯心草的原始孔径为95-105μm，所述细菌纤维素纤维的直径为0.1-1μm，所述灯心草空气过滤材料的孔径为0.1-1.5μm。
13.本发明还提供了一种上述所述的灯心草空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
14.s1.对灯心草进行亲水改性处理；
15.s2.配制微生物培养基，将至少一根经步骤s1亲水处理的灯心草置于所述微生物培养基中进行培养，以使灯心草表面及内部充满细菌纤维素纤维，然后取出得到细菌纤维素/灯芯草复合材料；将若干根所述细菌纤维素/灯芯草复合材料经成型工艺得到灯心草空气过滤材料；
16.或者，先将若干根灯心草经成型工艺制成过滤基材，再置于所述微生物培养基中培养，以使灯心草表面及内部充满细菌纤维素纤维，然后取出得到灯心草空气过滤材料。
17.作为本发明的进一步改进，根据权利要求4所述的灯心草空气过滤材料的制备方法，其特征在于：步骤s2中，所述微生物培养基包括培养基和原始菌液，所述培养基和所述原始菌液的含量根据所述灯心草的数量进行调整，每根所述灯心草对应8-12ml所述培养基和2-4ml所述原始菌液。
18.作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述灯心草在所述微生物培养基培养的具体方式为：在50-70℃环境下避光培养8-12天，使所述灯心草表面及内部充满细菌纤维素纤维，然后将所述细菌纤维素/灯芯草复合材料置于35-45℃去离子水洗涤、45-55℃下烘干。
19.作为本发明的进一步改进，所述原始菌液包括白腐真菌菌液或木醋杆菌菌液中的一种或多种。
20.作为本发明的进一步改进，所述白腐真菌菌液对应的培养基为0.15-0.35g马铃薯葡萄糖肉汤和80-120ml水；所述木醋杆菌菌液对应的培养基为0.6-0.7g十二水合磷酸氢二钠、0.4-0.6g酵母粉、0.4-0.6g蛋白胨、0.1-0.2g柠檬酸、1-3g葡萄糖和80-120ml水。
21.作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述成型工艺具体方式为：将若干根所述细菌纤维素/灯芯草复合材料同向排列，紧密挤压后用纱布在表面进行捆绑。
22.作为本发明的进一步改进，步骤s1中，所述对灯心草进行亲水改性处理具体方式为：将灯心草置于90-100℃的预先配置好的十二烷基苯磺酸钠的水溶液或者亚氯酸钠的酸溶液中，煮沸2-3h，经去离子水洗涤，40-60℃下烘干；所述十二烷基苯磺酸钠水溶液浓度为(3-5)mg/l；所述亚氯酸钠的酸溶液的制备方法为用醋酸将浓度为1-3wt％的亚氯酸钠的水溶液调至ph为4-5。
23.本发明的有益效果是：
24.(1)本发明通过将灯心草进行亲水改性处理，并将亲水改性后的灯心草置于微生物培养基中培养，使灯心草的表面及内部均匀附着大量细菌纤维素纤维，得到细菌纤维素/灯芯草复合材料，再将若干根细菌纤维素/灯芯草复合材料经成型工艺，得到过滤效果好的灯心草空气过滤材料。利用灯心草内部特殊的网状结构以及生物亲和性，使细菌或真菌在灯心草的表面、内部层与层之间的连接线以及每层中三角形的边部线上大量的附着并沿各个方向生长，使每层网及不同网之间充满细菌纤维素纤维，且各个方向的细菌纤维素纤维相互缠绕，使细菌纤维素纤维充满灯心草的内部，生成植物支架与细菌纤维素纤维相互交织的特殊结构的复合网，使制备的空气过滤材料过滤效果优异。灯心草结构中层与层之间的连接线以及每层中三角形的边部线均能为细菌或真菌提供附着点，进而使细菌或真菌大量生长并充满灯心草内部，而且该结构在一定程度上避免灯心草的变形，进而使制备的空
气过滤材料有一定的抗压能力。
25.(2)本发明在不破坏灯心草原始结构的情况下，通过微观细菌的生长，来改善灯心草内部的微米级孔道，使灯心草的表面及内部充满细菌纤维素纤维，将原始孔径为100μm的孔改善为孔径为0.1-1.5μm的孔，且孔隙均匀，可有效拦截pm2.5。另外，以天然纤维灯心草为滤芯，环保可自然降解。
附图说明
26.图1为本发明灯心草的扫描电镜图，标尺为10μm。
27.图2为实施例1经培养皿培养得到的灯心草的扫描电镜图，标尺为200μm。
28.图3为实施例1经培养皿培养得到的灯心草的扫描电镜图，标尺为50μm。
29.图4为实施例1经培养皿培养得到的灯心草的扫描电镜图，标尺为5μm。
30.图5为对比例1经碱液处理的灯心草的扫描电镜图，标尺为50μm。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
32.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
33.另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
34.本发明提供了一种灯心草空气过滤材料，包括表面及内部生长有细菌纤维素纤维的灯心草。其中，细菌纤维素纤维的质量含量为灯心草的0.5％-10％，灯心草的原始孔径为95-105μm，细菌纤维素纤维的直径为0.1-1μm，灯心草空气过滤材料的孔径为0.1-1.5μm。
35.本发明还提供了一种上述所述的灯心草空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
36.s1.对灯心草进行亲水改性处理：
37.将灯心草置于90-100℃的十二烷基苯磺酸钠的水溶液或者亚氯酸钠的酸溶液中，煮沸2-3h，经去离子水洗涤数次，于40-60℃干燥后，得到亲水性灯心草。
38.具体地，十二烷基苯磺酸钠水溶液浓度为(3-5)mg/l，优选为4mg/l。配置方法为：将4mg十二烷基苯磺酸钠加入1l水中，搅拌均匀即可。
39.亚氯酸钠的酸溶液的制备方法为：用醋酸将浓度为1-3wt％的亚氯酸钠的水溶液调至ph为4-5，优选地，ph为4.6。
40.灯心草为疏水性物质，将疏水性的灯心草置于含培养基和原始菌液的微生物培养基中，培养基中的液体无法浸润灯心草，导致细菌或真菌无法在其内部及表面生长，所以要进行亲水处理。
41.s2.灯心草空气过滤材料的制备：
42.配制微生物培养基，将至少一根经步骤s1亲水处理的灯心草置于微生物培养基中进行培养，以使灯心草表面及内部充满细菌纤维素纤维，然后取出得到细菌纤维素/灯芯草复合材料；将若干根细菌纤维素/灯芯草复合材料经成型工艺得到灯心草空气过滤材料。
43.具体为：在无菌环境下，将至少一根步骤s1制备的亲水性灯心草置于含有培养基和原始菌液的微生物培养基中，在50-70℃环境下避光培养8-12天(隔绝外部环境的其他菌种进入)，使灯心草表面及内部充满细菌纤维素纤维，得到细菌纤维素/灯芯草复合材料。将其取出，并置于35-45℃的去离子水中洗涤数次，去除细菌纤维素/灯芯草复合材料表面粘附的水溶性培养基，并在45-55℃下烘干。
44.可以将多根灯心草同时置于一个大的培养皿中，或者可以将多根灯心草分别放入不同的小培养皿中同时培养。微生物培养基中的培养基和原始菌液含量根据灯心草的数量自由调整，每根亲水性灯心草需要8-12ml培养基和2-4ml原始菌液。
45.在无菌环境下操作时，各种操作器材均采用120-130℃下蒸汽杀菌处理1-3h，优选地，在121℃下蒸汽杀菌处理2h。
46.具体地，原始菌液包括白腐真菌菌液或木醋杆菌菌液中的一种或多种。其中，白腐真菌菌液对应的培养基为0.15-0.35g马铃薯葡萄糖肉汤和80-120ml水；木醋杆菌菌液对应的培养基为0.6-0.7g十二水合磷酸氢二钠、0.4-0.6g酵母粉、0.4-0.6g蛋白胨、0.1-0.2g柠檬酸、1-3g葡萄糖和80-120ml水。
47.成型工艺具体方式为：将得到的若干根细菌纤维素/灯芯草复合材料同向排列，紧密挤压后用纱布在表面进行捆绑，得到灯心草空气过滤材料。
48.优选地，将得到的多根灯心草滤芯同向排列成圆柱状，紧密挤压后用纱布在表面进行捆绑，得到圆柱状灯心草空气过滤材料。
49.在一些实施例中，先将若干根灯心草经成型工艺制成过滤基材，再置于微生物培养基中培养，以使灯心草表面及内部充满细菌纤维素纤维，然后取出得到灯心草空气过滤材料。这种方法同时培养多根灯心草，对于无菌操作和培养皿的大小要求更高，成功率相对较低。
50.下面通过多个实施例对本发明进行详细描述：
51.实施例1
52.一种灯心草空气过滤材料的制备方法，包括如下步骤：
53.s1.对灯心草进行亲水改性处理：
54.将灯心草置于100℃的十二烷基苯磺酸钠的水溶液中，煮沸2h，经去离子水洗涤数次，于50℃干燥后，得到亲水性灯心草。
55.具体地，十二烷基苯磺酸钠水溶液浓度为4mg/l，配置方法为：将4mg十二烷基苯磺酸钠加入1l水中，搅拌均匀即可。
56.如图1所示的灯心草(原始灯心草)内部结构扫描电镜图，由图1可知，灯心草内部孔隙均匀，孔排列整齐，具体为：灯心草内部有排列整齐的多层网；每层网均匀排列着若干个相互连接的大小基本相同的三角形状的孔；每层网之间通过上下相对应的三角形的各个顶点相互连接，最终形成排列有序的多层网状结构。该结构中层与层之间的连接线以及每层中三角形的边部线均能为细菌或真菌提供栖息的场所，有利于细菌或真菌的大量生长；而且在一定程度上避免灯心草的变形。
57.s2.灯心草空气过滤材料的制备：
58.在无菌环境下，分别将多组单根步骤s1制备的亲水性灯心草置于含有10ml培养基和3ml木醋杆菌菌液的多组微生物培养基中，在60℃环境下避光培养10天(隔绝外部环境的其他菌种进入)，使每根灯心草表面及内部充满细菌纤维素纤维，取出灯心草，将其置于40℃的去离子水中洗涤数次，去除灯心草表面粘附的水溶性培养基，并在50℃下烘干，得到细菌纤维素/灯芯草复合材料。将得到的多根细菌纤维素/灯芯草复合材料同向排列成圆柱状，紧密挤压后用纱布在表面进行捆绑，得到圆柱状灯心草空气过滤材料。
59.在无菌环境下操作时，各种操作器材均采用121℃下蒸汽杀菌处理2h。
60.具体地，木醋杆菌菌液对应的培养基为0.68g十二水合磷酸氢二钠、0.5g酵母粉、0.5g蛋白胨、0.15g柠檬酸、2g葡萄糖和100ml水。
61.如图2和图3所示的经培养皿培养得到的灯心草的扫描电镜图，由图2和图3可知，灯心草的表面及内部的孔中充满细菌纤维素纤维，且灯心草本身的结构没有遭到破坏。灯心草置于培养基内后，细菌很容易附着在灯心草的表面、内部层与层之间的连接线以及每层中三角形的边部线上，细菌在营养液的存在下，开始沿各个方向生长，使每层网及不同网之间充满细菌纤维素纤维。
62.如图4所示，细菌纤维素纤维相互缠绕，形成孔径较小的滤网。
63.实施例2-3
64.一种灯心草空气过滤材料的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，步骤s2中，细菌的培养温度及培养时间不同，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
65.将实施例1-3制备的灯心草空气过滤材料进行过滤性能测试，结果如表1所示。其中，过滤效率指该空气过滤材料对空气中的pm2.5的过滤效率；原始灯心草指没有将灯心草置于培养皿中培养，将相同数量的灯心草同向排列成圆柱状，紧密挤压后用纱布在表面进行捆绑得到空气过滤材料。
66.表1实施例1-3制备的灯心草空气过滤材料的过滤性能
[0067][0068]
由表1可知，细菌纤维素的分布能够明显增大灯心草对于pm2.5的过滤效率。由原始灯芯草制成的空气过滤材料对pm2.5的过滤效率仅为53.74％，容尘量为0.24g/cm3。相较于实施例1-3，原始灯心草的过滤阻力处于较低水平，这表明空气经过其内部的流通阻力小，其自身的多孔结构未对pm2.5起到理想的拦截作用。通过向灯心草的表面、内部层与层之间的连接线以及每层中三角形的边部线上分布细菌，细菌在各个方向上生长细菌纤维素，且各个方向的细菌纤维素纤维相互缠绕，生成植物支架与细菌纤维素纤维相互交织的特殊结构的复合网，能够有效地改善其空气过滤性能。实施例1展现出99.43％的最佳过滤
效率以及0.68g/cm3的最大容尘量。相应的，其过滤阻力(136.82pa)更大。
[0069]
在制备方法中，对细菌培养温度和培养时间的调节对材料的过滤性能具有一定的影响。如实施例2的结果所示，缩短细菌培养时间，细菌未获得充分的生长，各个方向生长的细菌纤维素纤维不能很好地缠绕，致使细菌纤维素在灯心草内部的交织密度下降，生成的植物支架与细菌纤维素纤维相互交织的复合网结构不佳，使形成材料的孔径增大，降低了对pm2.5的拦截效果，因此其对应的过滤效率、过滤阻力及容尘量均有所减少。同样地，细菌的培养温度是过滤材料成形的重要因素。如实施例3的结果所示，降低细菌的培养温度，致使材料的过滤效率、过滤阻力及容尘量均有所降低。这是由于调节培养温度会改变细菌的生长速度，从而对细菌纤维素的分布密集程度造成影响，进而影响植物支架与细菌纤维素纤维形成的复合网结构。由此说明，舒适稳定的环境温度，致使细菌的生长效率化，从而实现细菌纤维素在灯心草内部的最佳分布。
[0070]
实施例4-5
[0071]
一种灯心草空气过滤材料的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，步骤s2中，微生物培养皿中培养基和原始菌液的含量不同，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。
[0072]
将实施例4-5制备的灯心草空气过滤材料进行过滤性能测试，结果如表2所示。其中，过滤效率指该空气过滤材料对空气中的pm2.5的过滤效率；原始灯心草指没有将灯心草置于培养皿中培养，将相同数量的灯心草同向排列成圆柱状，紧密挤压后用纱布在表面进行捆绑得到空气过滤材料。
[0073]
表2实施例4-5制备的灯心草空气过滤材料的过滤性能
[0074][0075][0076]
由表2可知，培养过程中菌液的含量对空气过滤材料的过滤效率、过滤阻力及容尘量造成了直接的影响。实施例4-5的结果显示，在合理的范围内加大菌液含量，能够进一步增加材料的过滤效率及过滤阻力，反之则降低。这是由于单位容积内菌液浓度的增长，会导致其生长密度快速增大，随之引起细菌纤维素更为密集的分布，同时各个方向生长的细菌纤维素纤维形成特殊的缠绕方式，得到特殊结构的复合网，这使得灯心草内部的重构孔隙进一步缩小，从而加强对pm2.5的拦截效果，反映出的现象则是过滤效率及阻力的增加。
[0077]
然而，由实施例5的结果可知，菌液含量的增加，使过滤材料的容尘量有所降低。在空气过滤初期，由于该材料内部所形成的过小孔隙，pm2.5颗粒被迅速拦截，很快在网状结构表面形成滤饼层，孔隙逐渐被堵塞后，材料的阻力随之快速增长。该现象虽能使材料的过滤效率获得一定的提升，但达到过滤饱和点的时间被缩短，因此容尘量有所下降。调控菌液含量，以获得细菌纤维素的合理分布密度，进而得到植物支架与细菌纤维素纤维交织的较
好的复合网结构，是成功制备该空气过滤材料的关键因素。
[0078]
实施例6
[0079]
一种灯心草空气过滤材料的制备方法，与实施例1相比，不同之处在于，步骤s2中，选用白腐真菌，其他与实施例1大致相同，在此不再赘述。过滤效率为99.35％，过滤阻力为123.46pa，容尘量0.62g/cm3，说明该方法对于菌种没有太过严格的要求，该方法的适用范围较广。
[0080]
对比例1
[0081]
一种灯心草空气过滤材料的制备方法，将每根灯心草用8％质量分数的氢氧化钠水溶液浸泡处理45分钟，破坏其内部特殊的孔结构，60℃干燥后置于微生物培养基中培养，将附着有细菌纤维素纤维的灯心草的细菌纤维素/灯芯草复合材料紧密挤压后用纱布在表面进行捆绑，得到圆柱状灯心草空气过滤材料，过滤效率为92.42％，过滤阻力为80.85pa，容尘量为0.39g/cm3，相比于对比例1，过滤效果明显降低。这主要是因为，碱液处理过的的灯心草的孔结构发生变化，如图5所示，灯心草的内部发生萎缩，原本整齐有序且饱满的孔结构被破坏，使孔变得杂乱无章，孔结构的不同使细菌纤维素纤维与灯心草形成的过滤网结构不同，进而导致其过滤效果不佳。
[0082]
综上所述，本发明本发明提供了一种灯心草空气过滤材料及其制备方法，利用灯心草内部特殊的网状结构，使细菌或真菌在灯心草的表面、内部层与层之间的连接线以及每层中三角形的边部线上大量的附着并沿各个方向生长，使每层网及不同网之间充满细菌纤维素纤维，且各个方向的细菌纤维素纤维相互缠绕，从而使细菌纤维素纤维充满灯心草的内部，生成植物支架与细菌纤维素纤维相互交织的特殊结构的复合网，使制备的空气过滤材料过滤效果优异；天然纤维灯心草环保可自然降解。
[0083]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。