《BUILDING AND ENVIRONMENT》：High-performance PAN/LiCl nanofiber membranes for respiratory protection against coal mine dust: Experimental validation and numerical simulation
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纳米纤维膜过滤煤尘性能优化研究。通过添加LiCl调控聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜的纤维直径至0.49微米，构建致密多孔结构，在32升/分钟流速下实现0.3微米煤尘99.54%过滤效率，压力降仅142.8帕，质量因子达0.039帕?1。数值模拟与实验验证表明纤维直径调控可同时优化拦截效率和布朗扩散效应，为矿用防尘材料开发提供新策略。
聂文|廖美阳|彭慧天|郭丽丹|史云硕|张金坤|刘恒|卢明远|李宇航|查兴超|赵艳梅|聂云飞
山东科技大学安全与环境工程学院，中国青岛266590
摘要
在采矿环境中，煤尘暴露是一种严重的职业危害，需要先进的呼吸保护装置来确保安全的同时不牺牲佩戴者的舒适度。为了解决过滤效率与压力降之间的持续矛盾，本研究开发了一种高性能的氯化锂（LiCl）调控聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜，专门用于捕捉可吸入的煤尘。加入LiCl显著改善了纤维直径，并优化了孔结构，使其平均孔径达到0.49微米，从而形成了致密且透气的网状结构。通过结合计算流体动力学（CFD）模拟和实验测试的协同方法，我们阐明了不同颗粒尺寸下的过滤机制。在32升/分钟的流速下，优化后的膜（12PAN-1）表现出卓越的性能，对0.3微米尘埃气溶胶的过滤效率达到99.54%，同时压力降仅为142.8帕斯卡。这种平衡使得质量系数达到0.039帕斯卡^-1。此外，数值模型验证了该膜对超细煤尘颗粒（<0.3微米）的高捕获效率，证实了拦截作用和布朗扩散作用的主导作用。这项工作为制造低阻力、高效率的过滤介质提供了一种简便的方法，为危险颗粒物的控制带来了重大进展。
引言
全球煤炭需求的持续增长推动了机械化采矿的广泛采用[1]。在机械化开采过程中，由于煤炭切割和运输等操作，会产生大量细小的煤尘颗粒。这些颗粒会进入空气中，随着矿工的呼吸进入人体，并逐渐在呼吸道和肺泡中积聚。长期暴露和积累可能导致职业病，如尘肺病和慢性支气管炎，严重损害呼吸功能，对矿工的职业健康和安全造成不可逆的伤害[2]。现有的煤矿除尘措施主要包括向煤层注水、应用喷雾抑尘技术以及使用通风系统进行除尘[[3], [4], [5]]。虽然这些传统措施在一定程度上降低了工作面的粉尘浓度，但它们并不能完全保护矿工免受长期高粉尘环境的影响，职业健康风险依然存在[6,7]。因此，除了加强工程除尘措施外，实施个人防护措施也至关重要[8,9]。佩戴符合GB 2626–2019标准的防尘口罩（如KN95或更高级别）可以有效地过滤空气中的细颗粒物，显著减少粉尘吸入，从而保护矿工的呼吸健康。
目前，防尘口罩的过滤层使用了多种材料，包括标准织物、熔融吹制织物和非织造织物。研究表明，提高这些材料的过滤效率通常需要增加厚度，但这会降低透气性，同时仅带来有限的过滤效率提升。通过静电纺丝技术生产的纳米纤维能够在保持最小厚度的同时有效阻挡粉尘，从而实现高过滤效率与低压力降之间的平衡[[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16]]。近年来，许多研究人员对具有优异过滤性能和良好透气性的过滤膜进行了广泛研究。Park等人（2025年）使用双过滤机制制备了多层PVDF纳米纤维空气过滤器，在6升/分钟的流速下，过滤效率达到95.60%，压力降为48.38帕斯卡。然而，这些系统在现实地下环境中的长期稳定性和持续过滤性能仍面临挑战，因为这些环境的特点是粉尘浓度高且通风条件复杂[17]。Xiao等人（2025年）开发的梯度润湿性PAN纳米纤维膜（NFM）对高浓度粉尘的过滤效率达到99.85%，但其压力降高达862帕斯卡，透气性不足可能导致矿工呼吸困难[18]。Guo等人（2022年）开发了一种由聚丙烯腈（PAN）纳米纤维组成的膜，其在过滤240±60纳米大小的NaCl气溶胶时，过滤效率为96.9%，压力降为154帕斯卡[19]。在材料改性方面，Qin等人（2008年）发现，在纺丝溶液中加入LiCl可以有效地减小纤维直径，从而提高过滤性能[20]。Cheng等人（2023年）研究了各种金属氯化物对纳米纤维膜过滤性能的影响，结果表明所得膜具有稳定且有效的过滤能力，显示出在个人防尘保护方面的应用前景[21]。在结构模拟和设计层面，Wang等人（2013年）进行了模拟比较了不同排列方式的多层纤维材料的过滤性能，发现交错排列的模型比平行排列的模型表现更好。此外，他们还观察到随着纤维分离比的增加，过滤效率和阻力也随之增加[22]。Cheng等人（2022年）对有序排列的PAN纳米纤维膜进行了模拟，发现其对NaCl颗粒的过滤效率极高，压力降极小[23]。Sheng等人（2022年）开发了一种三维网格间距过滤器，并使用CFD-DEM模型系统分析了气流速度、颗粒浓度和颗粒恢复系数对纤维介质过滤性能及颗粒沉积过程的影响[24]。
聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜由于其固有的高孔隙率和小孔径，具有高效的空气颗粒物过滤能力[[25], [26], [27], [28]]。为了进一步优化其性能，本研究通过将氯化锂（LiCl）引入PAN纺丝溶液中，制备了一系列具有不同纤维直径、孔径分布和亲水性的纳米纤维过滤膜。LiCl增强了纺丝溶液的导电性，改善了纤维形态，其亲水性也有助于提高粉尘拦截效率[29]。鉴于高粉尘环境（如煤矿）可能导致静电效应迅速衰减，本研究主要关注机械过滤机制[17,30]。大多数现有研究采用单一的实验或模拟方法来研究过滤性能和压力降，难以全面阐明微观结构与宏观性质之间的关联。为了解决这个问题，我们构建了一个与纤维实际微观结构几何等效的三维（3D）数值模型。最后，本研究通过实验测试和数值模拟相结合，系统评估了制备膜对不同尺寸颗粒物的过滤性能，明确了纤维直径影响压力降和颗粒拦截效率的核心机制，为高性能过滤材料的设计提供了理论基础。
章节摘录
现场采样
为了具体研究地下煤矿中个人防尘保护的问题，进行了现场采样，以调查采煤工作面的粉尘浓度和颗粒尺寸分布。本研究为选择模拟的粉尘颗粒尺寸和确定浓度奠定了基础。使用PDM3700个人粉尘监测仪从上湾煤矿12402号全机械化采煤工作面的剪切机操作员的呼吸区收集粉尘。
实验部分
针对全机械化采煤工作面剪切机操作员面临的粉尘吸入问题，开发了一种采用亲水性改性聚丙烯腈（PAN）纳米纤维膜的口罩过滤层。该设计的主要目的是高效过滤和阻挡可吸入粉尘，防止其进入人体呼吸道，从而减少潜在的健康风险。通过调整纺丝溶液中PAN与LiCl的比例，
粘度和导电性
纺丝溶液的粘度和导电性是影响纤维直径和形态的关键参数；因此，优化这些性质对于提高最终纤维膜的性能至关重要。如图3所示，当LiCl浓度保持在1.5 wt%时，随着PAN浓度的增加，纺丝溶液的粘度显著升高。这种现象主要归因于高
结论
基于煤矿剪切机操作员实际工作环境中的粉尘特性，本研究成功利用静电纺丝技术制备了PAN/LiCl纳米纤维膜。此外，系统研究了PAN/LiCl比例对纤维形态、孔径和亲水性的影响。通过结合实验和数值模拟方法，本研究阐明了纤维直径影响过滤性能的机制
CRediT作者贡献声明
聂文：项目管理、资金获取。廖美阳：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写。彭慧天：方法论、概念设计。郭丽丹：监督、方法论。史云硕：软件、数据管理。张金坤：验证、调查。刘恒：资源获取、正式分析。卢明远：可视化、监督。李宇航：软件、方法论。查兴超：写作 – 审稿与编辑、监督。赵艳梅：调查。聂云飞：数据
