靜電紡絲技術在鄉村霧霾下關于人身防護的機理研究

韓維華++李寧

摘要：指出了在鄉村環境污染日益嚴重的情況下，鄉村大氣污染越來越受到重視。特別是霧霾天氣在鄉村的頻繁發生，直接嚴重影響到了鄉村居民的生活質量。在此，針對鄉村霧霾，結合靜電紡絲技術，利用納米纖維的過濾、吸附作用，研究出了一套人身防護對策，以實現對人的直接保護和間接保護。結果表明：利用納米纖維的特性可實現對PM2.5細顆粒物的有效阻隔，凈化鄉村空氣，建設美麗宜居鄉村。

關鍵詞：大氣污染；鄉村霧霾；靜電紡絲；納米纖維

中圖分類號：X513

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）12022704

1引言

霧霾是霧和霾的混合物，霧是凝結空氣中的小水滴或冰晶而形成的，是由水汽形成團簇構成的自然現象。霾是空氣中的灰塵、酸性物質等顆粒物組成的氣溶膠系統，是以犧牲環境為代價推動工業化進程造成的大氣污染物。近年來，霧霾往往作為一個整體名詞出現在大眾視野中。特別在2012年末、2013年初，我國大部分地區，如華北地區各省市，華南北部部分地區經歷了持續大范圍的霧霾天氣。因此霧霾引起了廣泛關注，并越來越受到重視。

就我國現在的工業化發展狀況而言，霧霾已不再是城市地區的專屬。城市與鄉村的界限已不如以往那么明晰。換言之，鄉村在我國工業化進程中所起的作用亦越來越明顯。這雖然肯定了鄉村對我國經濟發展所起的重要作用，但是也因此給鄉村環境帶來了很多負面影響，鄉村霧霾就是最受矚目的事件之一。

在建設美麗宜居鄉村之時，改善鄉村大氣環境，防治霧霾刻不容緩。通過調研分析可知鄉村霧霾的主要來源有以下幾個方面。

（1）周邊工廠排放的粉塵和廢氣等物質。石油化工類工廠和電力、鋼鐵建材等行業在生產過程中將會大量燃燒化石燃料和產生大量煙氣粉塵及光化學煙霧，向空中排放大量的粉塵和廢氣。如果這些工廠位于鄉村附近則污染物會隨風擴散彌漫在鄉村上空，成為鄉村霧霾的重要來源。

（2）機動車輛尾氣排放。隨著鄉村經濟的發展，農用機動三輪、四輪車，家用小型轎車的使用已非常廣泛。隨之帶來的問題就是汽車尾氣的排放對環境造成的污染。尾氣的主要成分一氧化碳、氮氧化物及其他固體顆粒等排放到空氣中，成為霧霾的另一重要組成。同時，汽車行駛過程中在路面帶起的浮土揚塵也會加劇鄉村霧霾的發生。

（3）季節性秸稈焚燒。雖然對秸稈焚燒的巡查已納入鄉鎮街道機關工作日常，但是仍有部分農村地區存在焚燒秸稈的現象。除去安全隱患外，焚燒秸稈時產生的大量污染物隨火焰更易進入高空。特別是焚燒秸稈比較集中的時候，環境檢測顯示，鄉村空氣質量狀況明顯下降。

（4）冬季燃煤取暖。鄉村由于居住環境的限制，很難實現統一供暖。在冬季雖然有空調取暖，但是以燃煤為主的取暖方式仍是鄉村冬季取暖的主流。煤炭燃燒的產物包括二氧化硫、二氧化碳及氮氧化物等氣體成分和未能燃燒的細小顆粒固體。這些物質（有些物質有毒）進入到空氣中形成霧霾。今后一段時間，特別是燃煤集中的冬季，燃煤排放是造成鄉村霧霾的主要原因之一。

（5）其他鄉村霧霾成因。自然因素的影響，如火山爆發，風力作用等致使細小顆粒、塵埃進去大氣。建筑施工的影響，使得空氣中的細微顆粒物增多。

當在上述條件下，又遇空氣濕度較大的天氣，便會形成霧霾污染。

2霧霾危害

鄉村環境應是綠化面積所占比例大，空氣質量狀況優良的美麗宜居之地。但是霧霾的污染使鄉村變得不再宜居。霧霾的危害主要是可入肺微粒物。可入肺微粒物（PM2.5）是指直徑小于或等于2.5 μm的細顆粒物。而霧霾中所含有的對人體起危害作用的物質主要是指PM2.5。PM2.5含有大量有毒物質，而且細微粒物粒徑小，能隨霧霾長時間懸浮于空中，可吸入肺，沉積在呼吸道，甚至可深入到人體的細支氣管和肺泡，對人體危害極大。據實驗數據顯示，細微粒物的粒徑越小對人體的危害越大。霧霾對鄉村的危害主要有以下幾個方面。

2.1引發交通事故

霧霾天氣時，能見度低，而鄉村經濟的發展使得鄉村硬化路面增多加寬，機動車輛數量劇增，當人們在能見度低的天氣出行時極易發生交通事故，危害鄉村人民安全。

2.2增加人類傳染病的傳播

霧霾天氣使得空氣中的病毒、病菌更易存活，有害物質更易通過霧霾為媒介進入人體，增加人們傳染病的患病率。

2.3影響作物生長

霧霾持續不散，將會影響陽光的照射，從而影響農作物的呼吸和光合作用。長時間霧霾直接影響作物生長，進而影響到鄉村人民的生活收入狀況。

2.4危害鄉村養殖業

霧霾為禽畜致病的病原微生物提供了適宜的生長環境。病原微生物的大量繁殖極易引發大規模的禽畜疫病。

此外，霧霾對鄉村人民的影響遠不止這些。霧霾天氣，空中氧含量低，容易引誘一些病癥的發作，危害個別群體的生命健康安全，例如哮喘類疾病患者在霧霾天更易發作。所以必須積極應對鄉村霧霾。

3鄉村霧霾防治對策

目前，世界各國都采取了積極防治霧霾的對策。防治對策一般來自國家、社會和個人三個層面。國家層面主要包括法律監管，科學評估等。社會層面主要包括綠色生產，達標排放等。而個人層面最為關鍵，因為個人防護直接關系到個人的身心健康狀況。個人最需時刻關注國家氣象預警，隨時監督舉報違法生產經營，還要注意個人養護。在此，提出一種個人防護對策。利用靜電紡絲制備的納米纖維可以實現對霧霾，特別是PM2.5的有效阻隔。

3.1靜電紡絲簡介

靜電紡絲，顧名思義，利用高壓靜電制備納米纖維的技術，其最早見于美國Formhals申請的專利。因為裝置簡單，操作簡便，近年來已成為制備一維納米材料的最佳技術。其基本裝置，如圖1所示，主要包括三部分：高壓直流電源，帶金屬紡絲噴頭的紡絲容器，收集納米纖維的金屬收集極。

紡絲過程：將高分子聚合物溶液盛放在紡絲容器中，金屬紡絲噴頭接高壓直流電源的正極，收集極接電源負極并接地。紡絲過程一般設置紡絲電壓為5～30 kV。紡絲距離，即紡絲噴頭到收集極之間的垂直距離為8～20 cm。紡絲開始后，高分子聚合物在紡絲噴頭尖端會收到電場力，重力和液體表面張力的共同作用。當電場力克服表面張力后，聚合物溶液會形成射流，隨電荷增加，射流會進行劈裂拉伸細化，同時伴有溶劑的揮發，最后會在收集極上得到高分子聚合物的納米纖維，通常以無紡布的形式存在，如圖2所示。

韓維華，等：靜電紡絲技術在鄉村霧霾下關于人身防護的機理研究

材料與工藝

納米纖維具有其他材料難以比擬的優勢，作為一維納米材料具有大的比表面積和纖維長度/直徑比，表現出優于一般材料的力、光、電、磁方面的特性。獲得一維納米纖維的方法很多，例如電弧放電法，氣相化學沉積法等等，但是現在應用最為廣泛的就是靜電紡絲技術。制備的納米纖維主要應用在生物醫學的細胞生長支架，傳感器件，過濾裝置和復合材料增強體方面，其應用范圍涉及到醫學、新能源、環保等各個領域。

在此，針對鄉村霧霾下人身防護的應用研究主要是利用了納米纖維的過濾作用。首先，通過靜電紡絲技術制得納米纖維無紡布。其次，利用纖維無紡布高氣孔率和本身的尺度優勢實現對細微顆粒的阻隔（過濾）。從而使得鄉村人民即使在霧霾天氣之下也可呼吸到純凈的空氣。

實驗中，通過靜電紡絲技術制得聚偏氟乙烯（PVDF，平均分子量275000，分析純）纖維，如圖2所示，而后對纖維進行直徑統計。在實驗條件設置紡絲電壓20 kV，紡絲距離20 cm的室溫條件下，制備的PVDF纖維直徑主要分布在250～500 nm之間，且符合正態分布。計算得出纖維平均直徑約為400 nm。

3.2霧霾防護原理

鄉村霧霾對人體構成傷害最大的就是PM2.5，所以在此重點研究納米纖維對PM2.5的阻隔原理，如圖3所示。2.5 μm的粒子到達納米纖維形成的防護網絡后，便會被有效阻隔。由圖2可知，平均直徑為400 nm的纖維構織成的單層網絡孔間距較大，但是，當多層纖維層層沉積之后，便可成為有效的“防火墻”。

PM2.5到達纖維層之后，會出現兩種模式。一是PM2.5顆粒到達纖維層之后鑲嵌在網絡空隙之中，如圖3中（A）所示。此情況下，顆粒會在纖維層沉積。當細微顆粒沉積層達到一定厚度后，纖維層即失去功效，所以，纖維層需要定期更換。二是PM2.5顆粒到達纖維層之后，又通過外力（例如風力，振動等）的作用，離開纖維層，如圖3中（B）所示，該過程不影響纖維層對后續到達顆粒的阻隔。此即為纖維層的重復利用提供了一種思路：通過對更換下來的納米纖維層水洗或振動除塵等實現回收利用，既節省成本，又避免造成廢棄物污染。

3.3鄉村霧霾防護對策研究

根據霧霾防護原理，研究制定出霧霾下個人防護對策。防護對策可針對人身防護和鄉村應用兩個方面。人身防護對策是實現對人的直接保護，鄉村應用是實現對人的間接保護。所以，納米纖維無紡布在人身防護方面可分為直接應用和間接應用兩方面，具體如下。

3.3.1直接應用

直接應用體現在對人的直接保護上。例如，利用納米纖維無紡布做防護口罩夾層。其優勢體現在防護口罩的核心過濾層的納米級別尺度，因此這種防護口罩比市場上流通的一般口罩更具防護作用，對一般性塵埃的阻隔更有效。

更進一步，可通過改進技術實現對納米纖維的有序交叉排列，從而使纖維的阻隔作用更強。前文中已作說明，霧霾對人體傷害的主要來源是PM2.5，而細微顆粒的粒徑越小則對人體傷害越大，所以納米級別的防護口罩可以實現對粒徑更小的顆粒物的阻隔，因此，更具實際應用價值。防護口罩的另一潛在應用價值還體現在可以通過靜電紡絲混紡技術或者藥物溶解添加技術，使藥物摻雜在納米纖維之中。霧霾發生之時，空氣濕度大，空中氧氣含量低，會使一些哮喘類病癥患者極易發作病癥，當把藥物添加在防護口罩的納米纖維之中，藥物便可在病人呼吸之中緩慢釋放。此技術不僅可以實現霧霾防護還可以作為霧霾之時病人的護理日常。

3.3.2間接應用

間接應用是對鄉村人民的間接保護。例如，利用納米纖維氣孔率大，吸附能力強的特點，可以用作吸附周邊工廠或施工工地產生的塵埃，進而改善鄉村空氣質量狀況。實際中可把納米纖維無紡布設置成區域隔離防護網，在施工場地周圍實行空間包圍，即可有效抑制塵埃的擴散。另一應用，可以把納米纖維無紡布制成尾氣過濾桶，安裝在機動車輛的排氣口，可以實現對尾氣的過濾處理。納米纖維在間接解決霧霾對人體的傷害方面，同樣主要利用了納米纖維的過濾和吸附作用。

3.4對策研究意義

目前，國內外在防治霧霾方面都采取了積極的舉措。英國出臺《清潔空氣法》，美國加強檢測和管理，日本注重綠化等等，都已見成效。我國借鑒經驗，正在積極應對霧霾污染，但是政策的落實和防護措施的見效都需要一個過渡的過程，從省市到一線城市、二線城市、鄉村，需要一定時間才能形成一套完備的霧霾防護體系。而現在鄉村霧霾日益嚴重之際，想要立竿見影，實現鄉村人民人身有效防護正是本研究的意義所在。利用靜電紡絲技術可制備出納米級別的纖維，再將制得的納米纖維應用在人身防護方面，例如納米纖維夾層防護口罩，工廠、施工工地塵埃顆粒隔離墻，機動車輛尾氣過濾裝置。其潛在應用價值還在于，可制備功能性口罩，例如藥物添加緩釋防護口罩。對于鄉村霧霾的防治，應首先以人為本，所以在此，首先研究利用靜電紡絲技術針對鄉村霧霾下關于人身防護的應用研究。

4結語

霧霾污染已嚴重影響到了鄉村人民的生命健康。所以，鄉村霧霾防治必然會成為美麗宜居鄉村建設的重要一環。目前，國家、社會層面借鑒國外先進經驗及根據自身實際情況，正在采取積極有效的霧霾防治措施。但是，作為霧霾防治的最終受益者、主觀參與者，鄉村居民更應該加強自身防護。本文結合靜電紡絲技術研究出一套鄉村霧霾下的人身防護對策，實現了對人的直接保護和間接保護，其潛在應用價值更是巨大。建設美麗宜居鄉村本應以鄉村人民為本，從鄉村人民的健康出發。所以，此研究出發點是為了實現鄉村人與自然的和諧相處。

2017年6月綠色科技第12期

參考文獻：

[1]

周燕林，徐振宇，婁徑.安徽省霧霾污染綜合防治研究[J].安徽農業科學， 2014， 42（35）：12689.

[2]江潔妮.關于我國霧霾天氣防治措施之探討[J].河南科技， 2014， （15）：172～173.

[3]李鵬.淺談霧霾的成因及防治對策[J].四川水泥， 2015（4）：323～323.

[4]張軍英，王興峰.霧霾的產生機理及防治對策措施研究[J].環境科學與管理， 2013， 38（10）：157～159，165.

[5]李亞新.霧霾的產生與防治措施[J].山東化工， 2014， 43（9）：168～169.

[6]吳迪梅，陳靜.霧霾對養殖業的危害及其對策[J].農村百事通， 2014（22）：45～47.

[7]袁芷晨.霧霾天氣的成因、危害及防治措施[J].科技風， 2014（8）：222～222.

[8]劉雷艮，沈忠安，洪劍寒.靜電紡高效防塵復合濾料的制備及其性能[J].紡織學報， 2015， 36（7）：12～16.

[9]丁彬，斯陽，俞建勇.靜電紡納米纖維材料在環境領域中的應用研究進展[J].中國材料進展， 2013， 32（8）：492～502.

[10]楊柳青，湯玉斐，張恒，韋鴻銘，樊凱，趙康.靜電紡絲法制備聚苯乙烯微納米纖維膜及其過濾性能[J].化工新型材料， 2014， 42（6）：55～58.