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A adsorção eletrostática é um complemento importante para a filtragem mecânica para filtragem de ar de alta eficiência no uso de máscaras faciais. No entanto, a carga eletrostática dos filtros diminui com o tempo, principalmente em condições de umidade. Uma equipe de pesquisa da City University of Hong Kong (CityU) projetou com sucesso uma máscara facial eletrostática de respiração para carregar que pode “autocarregar” através da respiração do usuário e reabastecer continuamente sua carga eletrostática enquanto o usuário usa e respira através da máscara. Isso aumenta significativamente o desempenho da filtragem no uso prolongado da máscara por até 60 horas, em comparação com quatro horas para uma máscara cirúrgica convencional. Isso também beneficia o meio ambiente.
As máscaras faciais são um método fácil e econômico de prevenir a COVID-19 e outras doenças transmitidas pelo ar. A maioria das máscaras faciais tem três camadas funcionais: uma camada central de polipropileno fundido (PP) fundida como meio filtrante e dois tecidos não tecidos (geralmente PP ou polietileno (PE)) como camadas de suporte, incluindo uma camada hidrofílica, desgastada para dentro , para absorver a umidade da respiração e uma camada hidrofóbica, desgastada para fora, para repelir o fluido.
Enfrentando o problema do declínio da eficácia da adsorção eletrostática
A eletrofiação fornece melhor filtragem mecânica do que a tecnologia de fusão por sopro extensivamente usada na indústria. Mas a filtração mecânica por si só não fornece proteção suficiente. Uma solução é introduzir um campo elétrico para dar ao meio filtrante uma carga eletrostática, o que facilita o aprisionamento de partículas ultrafinas. No entanto, a eficácia da adsorção eletrostática diminui com o tempo, especialmente em um ambiente úmido quando a umidade é exalada na respiração.
“Embora muitos relatórios trabalhem para reabastecer a carga para eficácia de adsorção eletrostática de longa duração, geralmente é necessária uma fonte de energia extra, o que é complicado e inconveniente”, explicou o Dr. Yang Zhengbao, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica e do Departamento de Materiais. Ciência e Engenharia da CityU, que liderou a pesquisa. “Desenvolvemos um filtro de ar eficiente, durável e de baixo custo que pode reabastecer continuamente a carga eletrostática de maneira automática.”
A equipe de pesquisa introduziu um filtro de ar autocarregável (SAF), que aproveita o efeito triboelétrico e alcança uma remoção eficiente e prolongada de partículas transportadas pelo ar. Ao colocar o meio filtrante de nanofibras de fluoreto de polivinilideno (PVDF) eletrofiado entre duas camadas de tecido de náilon triboelétrico, o SAF gera continuamente cargas eletrostáticas excitadas pela respiração. Como resultado, o SAF fornece desempenho de remoção de partículas durável, mantendo alta eficiência de 95,8% após 60 horas de teste (incluindo 30 horas de uso).
“À medida que a camada intermediária se move para frente e para trás entre as camadas laterais com respiração, ocorre uma transferência de carga entre o PVDF e o nylon devido à grande diferença de afinidade eletrônica, resultando na camada de PVDF sendo carregada negativamente e as camadas de nylon carregadas positivamente”, explicou Dr Yang. “Este processo de autocarga permite o reabastecimento contínuo das cargas eletrostáticas e a adsorção eletrostática prolongada.”
“Autocarga” impulsionada pela respiração do usuário
O custo da matéria-prima da SAF para fazer uma máscara é de apenas HK$ 0,47, tornando-a a opção mais econômica entre as máscaras comumente usadas, como as cirúrgicas, N95, KF94 e KN95.
As descobertas foram publicadas em Natureza Comunicações sob o título “Máscaras faciais eletrostáticas autocarregáveis aproveitando a triboeletrificação para filtração de ar prolongada”.
Essa estratégia promissora de autocarga para alavancar o efeito triboelétrico abre um novo caminho para o desenvolvimento de técnicas de filtragem de ar de alta eficiência e longa vida útil. “Sugere-se que as máscaras cirúrgicas sejam trocadas a cada quatro horas em um ambiente de alto risco, mas o grande número de máscaras descartadas resulta em graves desafios ambientais”, disse o Dr. Yang. “Esperamos que essa estratégia de carregamento automático prolongue significativamente a vida útil das máscaras faciais, melhore a eficácia da proteção contra o coronavírus e reduza a carga ambiental causada por máscaras descartadas”.
A pesquisa também estabeleceu uma relação quantitativa entre a eficiência da filtração e o potencial eletrostático da superfície, o que é importante para uma produção industrial padronizada e de alta eficiência.
O primeiro autor do papel é o Dr. Peng Zehua, CityU pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica. O Dr. Yang é o autor correspondente. Outros colaboradores da CityU incluem o professor Michael Leung Kwok-hi, Shun Hing Education and Charity Fund Professor of Energy and Environment, Professor Li Wenjung, Chair Professor e Mr Shi Jihong, Ph.D. estudante do Departamento de Engenharia Mecânica e pesquisadores do grupo do Dr. Yang, incluindo Dr. Hong Ying, Dr. Li Xuemu e Dr. Zhang Weiwei.
A pesquisa foi financiada pela CityU, pelo Hong Kong Research Grants Council, pelo Hong Kong Innovation and Technology Fund, pelo Shenzhen Fundamental Research Program e pela National Natural Science Foundation of China.
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