Filtrace vzduchu a kapalin s pomocí aktivních látek

Ganna Ungur

Doctoral thesis

Abstract:

Čistý vzduch a voda jsou podstatné pro život na naší planetě. Vzhledem k intenzivnější činnosti člověka je nutné progresivně rozvíjet nové způsoby čištění vzduchu i vody. Pochopitelně nelze řešit všechny problémy kontaminace vody a vzduchu v rámci jedné disertační práce. Téma práce je zaměřeno na oblast, která není v praxi dosud dostatečně řešena. Jedná se o využití chemicky a biologicky aktivních látek při filtraci, konkrétně antibakteriální čištění vzduchu a vody a čištění vzduchu od škodlivých plynů (oxidy dusíku, oxid uhelnatý). V první části disertační práce je řešeno téma filtrů pro antibakteriální čištění vody a vzduchu a nových metod vyhodnocení účinnosti filtračních vzorků s antimikrobiálními vlastnostmi. Polymerní nanovlákenná vrstva byla využita jako částicový filtr (zachytávající bakterie) a zároveň jako nosič antimikrobiálních látek. Hlavní přínos lze sledovat v antimikrobiální úpravě polyuretanových nanovláken mikročásticemi a nanočásticemi oxidu mědnatého metodou zavedení těchto částic do polymerního roztoku s následujícím elektrostatickým zvlákňováním pomocí metody Nanospider. Byl prozkoumán vliv různých elektrod (rotační elektrody s jehlovým povrchem a strunové elektrody) na zvlákňování kompozitních nanovláken z koloidních roztoků. Bylo zjištěno, že nanočástice CuO nejsou ve srovnání s mikročásticemi vhodným aditivem pro vybraný modifikační postup vzhledem k jejich agregačním tendencím, což vede k nerovnoměrnému rozložení modifikátoru ve vlákenné struktuře. Polyuretanová nanovlákna s mikročásticemi CuO prokázala dobrou účinnost a stabilitu pro antimikrobiální čištění vody a vzduchu. Kromě toho bylo zjištěno, že mikročástice oxidu mědnatého přispívají k zlepšování výkonu zvlákňování polyuretanových vrstev, aniž by zhoršovaly kvalitu nanovláken. Kromě částic CuO v roztoku byla zkoumána i metoda plazmatického naprašování mědi na povrch polyuretanových nanovláken a potvrzená jako efektivní pro výrobu. Dále byly zkoumány možnosti antimikrobiální úpravy polyamidových nanovláken využívaných pro membránové čištění vody. Pro testování účinnosti antimikrobiálních vlastností bylo nutné vyvinout a optimalizovat nové metody zkoušek antibakteriálních vlastnosti připravených materiálů za simulovaných filtračních podmínek. První metoda je určena k testování fixace antibakteriálních přísad ve struktuře nanovláken. Druhá metoda dovoluje hodnotit filtrační účinnost a schopnost likvidovat zachycené bakterie za podmínek filtrace bakteriálně kontaminovaného vzduchu. Tato metodika byla úspěšně certifikována. Ve druhé části disertační práce je výzkumná činnost zaměřená na nanovlákenné filtry s aktivními látkami pro katalytické čištění vzduchu od oxidů dusíku a oxidu uhelnatého za běžné teploty (20°C). Nanovlákna byla aktivována fotokatalytickými látkami TiO2, kombinovaným katalyzátorem SnO2/CrO2, mikro a nanočásticemi SnO2 dopovanými NiO. Na základě experimentálních výsledků bylo zjištěno, že polymerní nanovlákna nejsou velmi vhodným nosičem fotokatalytických aditiv. Nicméně díky těmto pokusům byl připraven a prozkoumán nový typ fotokatalyzátoru (SnO2/NiO) pro oxidaci oxidu uhelnatého. Kromě toho byl zjištěn a ověřován důležitý vliv vody na fotooxidaci CO. Tento vztah je důležitý, neboť vlhkost čištěného vzduchu se může výrazně lišit a v dnešní době dosud neexistuje jednotný názor na roli vody v této reakci. Bylo potvrzeno, že určité množství vodní páry je nezbytné pro uskutečňování fotokatalytické oxidace CO, nicméně nadměrná vlhkost podporuje "zaplavení" aktivních center na povrchu fotokatalyzátoru. Problém "zaplavení" byl úspěšně vyře

Abstract:

Clean air and water are the foundation of life on our planet. Therefore, the new approaches for the water and air purification should evolve on a par with other fields of the modern science. Unfortunately all problems of water and air contamination cannot be solved within one thesis. So we focused our attention on two important topics: the antibacterial purification of water and air; the air cleaning from harmful gaseous impurities (nitrogen oxides, carbon monoxide). The filtration materials for antibacterial purification of water and air and the new methods for evaluation of the efficiency of filters with antimicrobial properties are presented in the first part of this thesis. The polymer nanofibers were modified in order to impart them antibacterial properties. The most fundamental contribution was done in the investigation of the antimicrobial modification of polyurethane nanofibers by micro- and nanoparticles of copper oxide by the incorporation of modifier into the polymer solution with further electrospinning by Nanospider technique. The influence of different spinning electrodes (rotating electrode with needle surface and thin wire electrode) on the fiberforming of composite nanofibers from the colloidal solutions was studied. It was found out that nanoparticles of CuO are not appropriate additives for the used modification procedure due to their great tendency to the aggregation resulting in the uneven distribution of modifier into the fibrous structure. But the polyurethane nanofibers with micro-sized modifier proved their efficiency and stability in the antibacterial purification of water and air. Furthermore, it was found that the microparticles of CuO contribute to the improving of the spinning performance of polyurethane nanofibers. The antimicrobial polyamide nanofibers were also produced and studied as filters for water purification. The method of cathodic arc deposition of copper on the surface of polyurethane nanofibers was investigated and confirmed as efficient for the production of antibacterial nanofibrous filters. Two methodologies were developed for the studying of antimicrobial properties of the produced materials under the simulated filtration conditions. The first method is intended to test the fixation of antibacterial additives into the structure of nanofibers. The second method allows to evaluate the filtration efficiency and the ability to eliminate trapped bacteria under the conditions of filtration of bacterially contaminated air. Due to the results of these tests our antibacterial filters can be recommended for the systems of water purification and air-conditioning. In the second part of this thesis our research activity is focused on the air purification from nitrogen oxides and carbon monoxide using the modified nanofibers with the special photocatalytic agents (TiO2; combined catalyst SnO2/CrO2; micro- and nanoparticles SnO2 doped by NiO). Based on the experimental results, it was found that the polymer nanofibers had not been the suitable carriers of photocatalytic additives. But because of these experiments a new type of photocatalyst (SnO2/NiO) for the carbon monoxide oxidation was prepared and studied. And we made our contribution into the determination of the influence of water on the photooxidation of CO. This is important, since there is no consensus about the role of water in this reaction. So it was confirmed that the certain amount of water vapour is necessary for the carrying out of the photocatalytic oxidation of CO. But the excessive humidity promotes the "flooding" of the active sites at the surface of our photocatalyst. The problem of "flooding" was solved by the decrease of particle's size of the catalyst. Our results can be useful for practical application and for studying of the mechanisms of the photocatalytic oxidation of CO.

Abstract:

šen snížením velikosti částic katalyzátoru. Naše výsledky mohou být užitečné pro praktickou aplikaci i pro obecné studium mechanismu fotokatalytické oxidace CO.

Keywords

polyuretanová nanovlákna, oxid mědnatý, nanočástice, fotokatalyzátor, filtrace.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 2. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 21. 6. 2017
• Supervisor: Ing. Jakub Hrůza, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile technics