امکان‌سنجی ارتقای عملکرد فیلتر ماسک‌های حفاظت تنفسی پالایش ذرات با به‌کارگیری غشاء کامپوزیتی نانوالیاف پلی اکریلونیتریل و نانوذرات رس مونتموریلونیت

مقدمه: پارامترهای مهم ارزیابی عملکرد ماسک‌های حفاظت تنفسی ذرات، کارایی فیلتراسیون و مقاومت تنفسی فیلتر ماسک در برابر عبور جریان هوا است که این دو پارامتر با هم رابطه‌ای مستقیم داشته و به‌طور معمول، با افزایش هرکدام، دیگری نیز افزایش می‌یابد. پژوهش‌هایی جهت ارتقای کارایی فیلتراسیون نانوالیاف با حفظ شرایط مطلوب مقاومت تنفسی که حداقل سختی تنفس را برای استفاده‌کننده ی ماسک ایجاد نماید، انجام شده است. این مطالعه، تاثیر به‌کارگیری غشاء کامپوزیتی نانوالیاف پلی اکریلونیتریل (pan) و نانوذرات رس مونتموریلونیت (mmt) در ارتقای عملکرد فیلتر ماسک‌های حفاظت تنفسی پالایش ذرات با افزایش کارایی فیلتراسیون ضمن حفظ شرایط بهینه ی مقاومت تنفسی را مورد بررسی قرار می‌دهد.روش کار: ابتدا محلول پلیمری pan حاوی مقادیر صفر، 1%، 2%، 3% و 5% نانوذرات mmt آماده گردید و سپس غشاء کامپوزیتی نانوالیاف pan/mmt در دستگاه الکتروریسی تهیه شد. کارایی فیلتراسیون در محدوده ی قطرهای 0/3، 0/5، 1 و 3 میکرون و با استفاده از آئروسل کلرید سدیم، اندازه‌گیری و مقاومت تنفسی فیلتر نیز در سه گذر حجمی 30، 85 و 95 لیتر بر دقیقه اندازه‌گیری شد.  یافته ها: کارایی فیلتراسیون نانوفیلترهای کامپوزیتی سنتزشده برای پالایش ذرات، با اضافه کردن نانوذرات mmt به نانوالیاف pan افزایش می‌یابد که میزان بهینه ی mmt، 2% تعیین گردید که بدون ایجاد تفاوت معنی‌داری در میزان مقاومت تنفسی، سبب ارتقای کارایی فیلتراسیون ذرات 0/3، 0/5، 1 و 3 میکرونی به ترتیب به میزان 4/2، 4/88، 3/77 و 2/75 درصد شد. دلیل اصلی این نتایج را می‌توان به بهبود ریخت‌شناسی نانوفیلترهای کامپوزیتی سنتز‌شده، پس از افزودن نانوذرات mmt نسبت داد که سبب ایجاد بهترین ویژگی‌های ریخت‌شناسی مناسب فیلتراسیون ذرات با اضافه کردن 2% نانوذرات mmt به نانوالیاف pan شده است؛ به‌گونه‌ای که ضمن توزیع یکنواخت و ابعاد کوچک‌تر الیاف، تغییر محسوسی نیز در دانسیته ی فشردگی و تخلخل به وجود نمی‌آورد.نتیجه گیری: در صورت اضافه کردن 2% نانوذرات mmt به نانوالیاف pan و استفاده از نانوالیاف کامپوزیتی به‌دست‌آمده در ساخت ماسک‌های ذرات، ماسک حاصل بدون افزایش سختی تنفس برای فرد استفاده‌کننده، با افزایش 4/2 درصدی کارایی فیلتراسیون ذرات در مقایسه با نانوالیاف pan همراه خواهد بود که می‌تواند در شرایط آلودگی هوا، سبب حفاظت بیشتر افراد استفاده‌کننده در برابر آلاینده‌های ذره‌ای گردد.

feasibility of improvement of the filter performance of particle filtering respirators by using composite media of polyacrylonitrile nanofiber (pan) and montmorillonite clay nanoparticles (mmt)

introduction: the important parameters for evaluating the performance of particle filtering respirators in international standards are the filtration efficiency and respiratory resistance of the mask filter against airflow passage. to improve nanofiber filtration efficiency while creating the least breathing difficulty for the wearer, various research has been or is being conducted worldwide. this study investigated the effect of using polyacrylonitrile (pan) nanofiber composite membrane and montmorillonite clay nanoparticles (mmt) in enhancing particle-filtering respirators’ filter performance, achieving higher filtration efficiency while maintaining optimal respiratory resistance conditions.material and methods: first, pan polymer solution containing zero, 1%, 2%, 3%, and 5% mmt nanoparticles was prepared, and then pan/mmt nanofiber composite membrane was synthesized in an electrospinning machine. filtration efficiency was measured in diameter range of 0.3, 0.5, 1, and 3 microns using sodium chloride aerosol. additionally, filter breathing resistance was measured at flow rates of 30, 85, and 95 liters per minute.results: the efficiency of synthesized composite nanofilters for particle purification can be improved by adding mmt nanoparticles to pan nanofibers. optimal mmt concentration was found to be 2%. this addition resulted in an increase in filtration efficiency for particles with sizes of 0.3, 0.5, 1, and 3 microns by 4.2%, 4.88%, 3.77%, and 2.75% respectively without causing significant difference in respiratory resistance. improved filtration efficiency can be attributed to enhanced morphology of composite nanofilters resulting from addition of mmt nanoparticles. adding 2% mmt nanoparticles to pan nanofibers resulted in uniform distribution and smaller fiber dimensions which did not significantly affect packing density and porosity.conclusion: if 2% of mmt nanoparticles are added to pan nanofibers and used to produce particle respirators, resulting respirator will exhibit a 4.2% increase in particle filtration efficiency without increasing breathing difficulty for user. this result can help protect users from particulate pollutants in air pollution conditions.