نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری صنایع چوب و فراورده های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

2 دانشیار، گروه صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

3 استادیار، گروه صنایع چوب و فراورده‌های سلولزی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری، ایران

10.22092/ijwpr.2024.366975.1781

چکیده

سابقه و هدف: امروزه با توسعه سریع جامعه انسانی، آلودگی ذرات معلق (PM) در جو افزایش یافته است. ذرات معلق به راحتی وارد سیستم تنفسی انسان شده و اثرهای جدی بر سلامت دارند و به‌عنوان یکی از مسائل بحرانی و مخاطره‌آمیز در جوامع شهری مدرن مطرح هستند. فیلترهای هوا نقشی کلیدی در کاهش انتشار این ذرات و جلوگیری از اثرهای مضر آنها بر سلامت انسان ایفا می‌کنند. با توجه به اهمیت روزافزون مسئله آلودگی هوا و اثرهای مخرب آن بر سلامت انسان و محیط‌زیست، استفاده از فیلترهای مؤثر و سازگار با محیط‌زیست بیش از پیش مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، مواد طبیعی و زیست‌تجزیه‌پذیر مانند الیاف بامبو، گزینه مناسبی برای جایگزینی با مواد پلیمری مصنوعی در ساخت فیلتر محسوب می‌شوند. این تحقیق بر تهیه و ارزیابی فیلتر سلولزی هوا با استفاده از الیاف بامبو برای مقابله با آلودگی هوا متمرکز است.
مواد و روش­ ها: برای تهیه فیلتر، الیاف بامبو ابتدا از طریق فرایند سودا آنتراکینون با هیدروکسید سدیم 25 درصد، مدت زمان پخت 2 ساعت و دمای پخت 175 درجه سانتی‌گراد با مقدار آنتراکینون (AQ) 2/0 درصد خمیرسازی شد، سپس طی توالی D0ED1 به‌وسیله دی‌اکسید کلر و سود رنگ‌بری شد. در مرحله بعد فرایند اکسیداسیون با مقادیر پراکسید هیدروژن 3 درصد، سیلیکات سدیم 3 درصد و نسبت هیدروکسید سدیم به پراکسید هیدروژن 8/0 انجام شد. سپس 3 درصد پلی وینیل الکل به سوسپانسیون حاصل اضافه گردید و به مدت 10 دقیقه با زمان ماندن یکسان برای همه تیمارها هم زده شد. سوسپانسیون با یک هموژنایزر اولترا توراکس همگن شد و برای تهیه فیلتر سلولزی در خشک‌کن انجمادی در دمای 110- درجه سانتی‌گراد در طول 72 ساعت خشک گردید.
نتایج: نتایج نشان داد که اکسیداسیون و افزودن PVA تأثیر مثبت بر ویژگی‌های مکانیکی و ساختاری فیلتر دارد. مقاومت کششی فیلترها پس از اکسیداسیون و افزودن PVA بهبود قابل‌توجهی یافته و از 236/0 نیوتن بر گرم به 528/0 نیوتن بر گرم افزایش یافت. میزان تخلخل و نفوذپذیری هوا نیز تحت تأثیر اکسیداسیون و افزودن PVA قرار گرفتند که پس از اکسیداسیون، با افزایش تعداد گروه‌های کربوکسیل و بهبود پراکندگی الیاف سلولزی، تخلخل و نفوذپذیری هوا افزایش یافتند. در حالی‌ که افزودن PVA، پیوندهای هیدروژنی قوی ایجاد نمود و تخلخل و نفوذپذیری هوا کاهش یافت. تصاویر میکروسکوپی الکترونی (SEM) نیز تغییرات ساختاری ناشی از اکسیداسیون را به‌وضوح نشان دادند، پس از اکسیداسیون و افزودن PVA تراکم شبکه فیبری افزایش یافت و پراکندگی یکنواخت الیاف را بهبود داد و ساختاری منسجم‌تر در حالی ‌که منفذهای کوچک میان الیاف همچنان وجود داشتند ایجاد کرد. سطح ویژه و اندازه متوسط منافذ فیلترها با استفاده از روش BET بررسی شد که نشان می­دهد در فیلترهای اکسید شده و حاوی  PVAسطح ویژه بیشتر شد و اندازه منافذ در همه فیلترها در مقیاس نانو حفظ گردید.
نتیجه­ گیری: این نتایج نشان می‌دهد که ترکیب الیاف بامبو اکسید شده حاوی PVA به تولید فیلترهای هوای کارآمد با ویژگی‌های بهبود یافته منجر می­شود که می‌تواند به کاهش آلودگی هوا کمک کند، زیرا این فیلترها با دارا بودن منافذ در مقیاس نانو قادر به جلوگیری از عبور ذرات معلق PM هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

-Azhar, O., Jahan, Z., Sher, F., Niazi, M.B.K., Kakar, S.J. and Shahid, M., 2021. Cellulose acetate-polyvinyl alcohol blend hemodialysis membranes integrated with dialysis performance and high biocompatibility. Materials Science and Engineering: C, 126, p.112127.
-Barbosa, L.C., Maltha, C.R., Demuner, A.J., Cazal, C.M., Reis, E.L. and Colodette, J.L., 2013. A rapid method for quantification of carboxyl groups in cellulose pulp. BioResources, 8(1), 1043-1054.
-Begum, M.H.A., Hossain, M.M., Gafur, M.A., Kabir, A.H., Tanvir, N.I. and Molla, M.R., 2019. Preparation and characterization of polyvinyl alcohol–starch composites reinforced with pulp. SN Applied Sciences, 1, 1-9.
-Chen, Y., Etxabide, A., Seyfoddin, A. and Ramezani, M., 2023. Fabrication and characterisation of poly (vinyl alcohol)/chitosan scaffolds for tissue engineering applications. Materials Today: Proceedings.
-Choo, K.W., 2017. Preparation and characterization of polyvinyl alcohol/chitosan composite films reinforced with cellulose nanofiber/Choo Kai Wen (Doctoral dissertation, University of Malaya).
-Do Nascimento, F.C., de Aguiar, L.C.V., Costa, L.A.T., Fernandes, M.T., Marassi, R.J., Gomes, A.D.S. and de Castro, J.A., 2021. Formulation and characterization of crosslinked polyvinyl alcohol (PVA) membranes: effects of the crosslinking agents. Polymer Bulletin, 78(2), pp.917-929.
-Ebrahimi, I., Gashti, M.P. and Sarafpour, M., 2018. Photocatalytic discoloration of denim using advanced oxidation process with H2O2/UV. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 360, 278-288.
-Ghebreyesus, TA., 2018. 9 out of 10 people worldwide breathe polluted air, but more countries are taking actioN 39 (May): 641–43.
-He, Y., Liu, H. and Ying, W., 2024. Constructing Stable Polyvinyl Alcohol/Gelatin/Cellulose Nanocrystals Composite Electrospun Membrane with Excellent Filtration Efficiency for PM2. 5. Polymers, 16(12), 1656.
-Karchangi, Z.K., Nazarnezhad, N., Labidi, J. and Sharifi, S.H., 2024. Preparation of Filter Paper from Bamboo and Investigating the Effect of Additives. Materials, 17(9), p.1977.
-Li, L., Lee, S., Lee, H.L. and Youn, H.J., 2011. Hydrogen peroxide bleaching of hardwood kraft pulp with adsorbed birch xylan and its effect on paper properties. BioResources, 6(1), 721-736.
-Lin, Z., Xia, Y., Yang, G., Chen, J. and Ji, D., 2019. Improved film formability of oxidized starch-based blends through controlled modification with cellulose nanocrystals. Industrial crops and products, 140, p.111665.
-Liu, Z., Qin, L., Liu, S., Zhang, J., Wu, J. and Liang, X., 2022. Superhydrophobic and highly moisture-resistant PVA@ EC composite membrane for air purification. RSC advances, 12(54), 34921-34930.
-Long, J., Tang, M., Liang, Y. and Hu, J., 2018. Preparation of fibrillated cellulose nanofiber from lyocell fiber and its application in air filtration. Materials, 11(8), 1313.
-Macfarlane, A.L., Kadla, J.F. and Kerekes, R.J., 2012. High performance air filters produced from freeze-dried fibrillated wood pulp: fiber network compression due to the freezing process. Industrial & engineering chemistry research, 51(32), 10702-10711
-Masrol, S.R., Ibrahim, M.H.I., Adnan, S., Abdul Raub, R., Sa'adon, A.M., Sukarno, K.I. and Yusoff, M.F.H., 2018. Durian rind soda-anthraquinone pulp and paper: Effects of elemental chlorine-free bleaching and beating. Journal of Tropical Forest Science, 106-116.
-Peng, H. and Wang, S., 2017. Properties and reinforcing mechanism of cellulose reinforced polyvinyl alcohol hydrogel membranes. In international symposium on mechanical engineering and material science (ISMEMS 2017) (pp. 25-28). Atlantis Press.
-Pui, D.Y., Chen, S.C. and Zuo, Z., 2014. PM2.5 in China: Measurements, sources, visibility and health effects, and mitigation. Particuology, 13, 1-26.
-Purchas, D. and Sutherland, K., (Eds.). 2002. Handbook of filter media. Elsevier.
-Sepahvand, S., Bahmani, M., Ashori, A., Pirayesh, H., Yu, Q. and Dafchahi, M.N., 2021. Preparation and characterization of air nanofilters based on cellulose nanofibers. International Journal of Biological Macromolecules, 182, 1392-1398.
-Shrotri, A., Kobayashi, H. and Fukuoka, A., 2016. Air oxidation of activated carbon to synthesize a biomimetic catalyst for hydrolysis of cellulose. ChemSusChem, 9(11), 1299-1303.
-Strand, A., Sundberg, A., Retulainen, E., Salminen, K., Oksanen, A., Kouko, J., Ketola, A., Khakalo, A. and Rojas, O. 2017. The effect of chemical additives on the strength, stiffness and elongation potential of paper. Nordic Pulp & Paper Research Journal, 32(3), pp.324-335.
-Suriaman, I., Hendrarsakti, J., Mardiyati, Y. and Pasek, A.D., 2022. Synthesis and characterization of air filter media made from cellulosic ramie fiber (Boehmeria nivea). Carbohydrate Polymer Technologies and Applications. 2022, 3, 100216.
-Tiotiu, AI., Novakova, P., Nedeva, D., Chong-neto, HJ. and Novakova, S., 2020. Paschalis Steiropoulos, and Krzysztof Kowal. Impact of air pollution on asthma outcomes, 1–29.
-Umair, M., Azis, N., Halis, R. and Jasni, J., 2020. Investigation of kenaf paper in the presence of pva for transformers application. Materials, 13(21), 5002.
-Vera-Loor, A., Rigou, P., Marlin, N., Mortha, G. and Dufresne, A., 2022. Oxidation treatments to convert paper-grade Eucalyptus kraft pulp into microfibrillated cellulose. Carbohydrate Polymers, 296, 119946.
-Wang, P., Lv, H., Cao, X., Liu, Y. and Yu, D.G., 2023. Recent progress of the preparation and application of electrospun porous nanofibers. Polymers, 15(4), p.921.
-World Health Organization, WHO., 2005. WHO air quality guidelines for particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide: global update 2005, 1–21. 10.1016/0004-6981(88)90109-6.
-Zhao, X., Wang, S., Yin, X., Yu, J. and Ding, B., 2016. Slip-effect functional air filter for efficient purification of PM 2.5. Scientific reports, 6(1), 1-11.
-Zhu, M., Cao, Q., Liu, B., Guo, H., Wang, X., Han, Y., Sun, G., Li, Y. and Zhou, J., 2020. A novel cellulose acetate/poly (ionic liquid) composite air filter. Cellulose, 27, 3889-3902.
-Zhu, Y., Song, X., Wu, R., Fang, J., Liu, L., Wang, T., Liu, S., Xu, H. and aHuang, W., 2021. A review on reducing indoor particulate matter concentrations from personal‐level air filtration intervention under real‐world exposure situations. Indoor air31(6), 1707-1721.