新泽西理工COMSOL研究突破
2019年爆发的冠状病毒疫情（COVID-19）对全球健康产生了深远影响，并引发了人们对空气传播病原体风险的担忧。生物气溶胶是空气传播过程中携带病毒病原体的主要载体。
由于室内生物气溶胶污染，受感染者往往在打喷嚏或咳嗽时进入室内，从而增加了居住环境对居民的风险。因此，建筑供暖、通风系统在阻截这些空气传播病原体方面越来越重要。
鉴于此，2024年2月16日，新泽西理工学院土木与环境工程系张文教授课题组在ACS Applied Materials & Interfaces上发表研究成果。
研究者评估了在300kHz电磁感应场下，电磁增强空气过滤系统对模拟生物气溶胶中病毒物种（MS2）的灭活性能。
在无纺布过滤器上涂覆二维催化剂MXene（Ti3C2Tx），涂覆密度为4.56mg·cm-2，以吸收电磁辐照并产生局部加热和电磁场，从而灭活微生物。
结果表明，在369W·cm-2的电磁功率密度下，MXene涂层空气过滤器的病毒去除效率对数为3.4±0.15，显著提高了病毒去除效率。
通过COMSOL模拟分析了电磁场对病毒去除和灭活的非热效应，以确定生物气溶胶的潜在传播轨迹。
总之，研究结果为病原体控制机制提供了独特的见解，从而为防止空气中病原体的传播提供了替代方案。
内容梳理 结果讨论
1、Ti3C2Tx MXene和MXene涂层滤波器的表征
合成的Ti3C2Tx MXene纳米片单层的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像。
放大的HRTEM图像和以六方晶系为索引的选区电子衍射（SAED）图证实了合成Ti3C2Tx的结晶性。
原子力显微镜图像证实，合成的Ti3C2Tx MXene纳米片的厚度为1.6±0.3nm。
2、MXene涂层空气过滤器的电磁感应加热性能
不同电磁感应功率下MXene涂层空气过滤器的表面温度升高情况。在369W·cm-2的电磁感应功率下，当涂层密度为4.56mg·cm-2时，MXene涂层空气过滤器在2秒内被迅速加热到72.2±4°C。
涂层密度为4.56 mg·cm-2的MXene涂层空气过滤器的红外（IR）热图显示，随着电磁功率密度的增加，过滤器的表面温度升高。
3、无需感应加热的MXene涂层空气过滤器的抗病毒性能
在4L/min-1 的空气流速和低至0.005秒的滞留时间或空气通过时间条件下，不同MXene涂层密度对MS2噬菌体的去除对数值。
原始无纺布过滤器的去除对数值（LRV）仅为 0.31±0.04，而随着MXene涂层密度的增加，MS2噬菌体的减少量显著增加，当MXene涂层密度为4.56mg·cm-2时，去除对数值为1.20±0.01。
4、病毒去除机制
通过过滤去除微粒物质的机制包括筛分、重力沉降、惯性撞击、拦截、扩散和静电吸引。然而，传统的纤维过滤器对生物气溶胶或超细亚微米颗粒的捕捉能力较弱。
研究采用COMSOL模拟分析了介电泳力对不带电颗粒移动轨迹的影响。简而言之，粒子以100μm·s-1的均匀流速从顶部边界进入该场。
有六个正方形或矩形块代表涂有MXene的聚丙烯纤维，它们在非均匀诱导电场下表现出交替的正电位或负电位。
研究总结 未来展望
总之，研究者开发了一种涂覆MXenes的低压降非织造空气过滤器，证明了电磁增强的气溶胶病毒去除效果。
与高频微波辐射相比，采用低频电磁波辐射的空气过滤系统具有与高频微波辐射相当的空气消毒性能，在商业建筑、医院、交通系统和任何封闭的高人口密度空间中具有更高的安全性和适应性。
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