《Separation and Purification Technology》：Simultaneous control of three air pollutants: formaldehyde, particulates, and bioaerosols, using a grooved plastic optical fibers-activated NWP-PDA-RGO-TiO
2-Ag photocatalytic filter
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高效空气净化系统开发及其性能优化。采用聚多巴胺涂层技术整合RGO-TiO?-Ag异质结催化剂与光场均匀化设计的塑料光纤，实现甲醛降解率94.82%、HEPA H13级过滤及99.97%以上微生物灭活。通过双因素正交设计优化参数， Variable-density helical grooves提升UV分布均匀性，质量因子达0.0387 Pa?1，循环10次后甲醛降解保持率90.12%。
李云鹤|罗强|杨金硕|周晓彤|刘明泽|刘静娴
东北大学资源与土木工程学院过滤测试中心，中国辽宁省沈阳市和平区文华路3-11号，邮编110819。
摘要
室内环境通常受到挥发性有机化合物（VOCs）、颗粒物（PM）和病原微生物的污染，这些物质对健康构成严重威胁。传统的聚酯纤维（PET）过滤器仅能物理捕获颗粒物，缺乏多功能净化能力。本研究通过整合多巴胺介导的界面工程、还原氧化石墨烯（RGO）-TiO?-Ag异质结以及优化螺旋槽结构的塑料光纤（POFs）来实现分布式紫外线照射。通过双因素正交设计优化关键参数，并通过改变POFs上的螺旋槽密度来提高轴向紫外线均匀性，显著提升了过滤器的性能。在300分钟内，该过滤器对甲醛的降解率达到94.82%，质量因子为0.0387 Pa?1。不同反应器结构的比较表明，本研究中的NWP-PDA-RGO-TiO?-Ag光纤过滤器表现出最高的表观量子产率（6.86 × 10?3）。该过滤器对0.3–10 μm颗粒的过滤效率达到99.97–100%，符合HEPA H13标准，质量因子为0.111–0.173 Pa?1。系统研究了颗粒物负荷对催化性能的影响，结果显示过滤器在10次循环后仍能保持90.12%的甲醛降解率。在预过滤器的设计下，系统在高颗粒负荷（ΔP = 110 Pa）下仍能保持79.09%的甲醛降解效率。此外，该过滤器在第三层NPRTA1层内60分钟内能够完全去除大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）生物气溶胶，并将其灭活。这项工作提出了一种新型的多功能空气净化策略，克服了传统过滤器的局限性，为室内空气质量管理提供了可扩展且高效的解决方案。
引言
现代室内建筑环境中经常存在高浓度的挥发性有机化合物（VOCs）、颗粒物和病原微生物。这些污染物会显著降低室内空气质量，并导致一系列不良健康后果，包括呼吸系统疾病、致癌效应和其他慢性疾病[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。因此，保持良好的室内空气质量对于保护居住者的健康、舒适度和生产力至关重要，尤其是在办公室、学校和医疗机构等人员密集场所，这对于控制空气传播的感染尤为重要。甲醛是最常见的室内VOC之一，广泛来源于木质板材、装饰材料以及各种自然和人为来源，对人类健康和室内环境安全构成持续威胁[6]、[7]、[8]。结合吸附和光催化的双模式净化系统是降解VOCs并同时灭活微生物污染物的有效方法。这种自维持技术具有高催化效率，为室内空气质量控制提供了新的途径，符合对节能和多功能建筑系统的日益增长的需求，这些系统既要保障空气质量，又要具备抗感染能力[9]。在之前的研究中，石墨烯复合材料，特别是RGO-TiO?复合光催化剂，在甲醛降解和微生物灭活方面表现出强大的性能[10]。通过加入银纳米颗粒（Ag nanoparticles）可以进一步增强RGO-TiO?-Ag催化剂的效果。在这种配置下，Ag纳米颗粒可以作为电子陷阱，减少电荷复合，并通过释放Ag?和破坏膜结构来显著增强抗菌活性。这些协同效应能够改善TiO?中光生电子-空穴对的分离[11]、[12]，并由于银的强抗菌特性进一步增强微生物灭活效果[13]。然而，这种改进的RGO-TiO?-Ag系统尚未在建筑相关的空气处理条件下评估其同时降解VOCs和灭活微生物污染物的能力。
光反应器的设计和优化对于最大化催化剂性能和利用率至关重要，但面临两个基本挑战。首先是催化剂的有效固定和回收，这不仅需要使其能够重复使用，还需要提高其可接触表面积和传质效率。用于室内气溶胶过滤的PET基非织造（NWP）织物[14]、[15]、[16]具有轻质特性、分层孔隙结构和高的表面积与体积比，使其成为催化剂固定的理想支架。这些结构优势同时提升了光催化效率和气溶胶捕获能力，使得能够开发出集甲醛分解、颗粒物捕获和微生物灭活于一体的空气净化系统。为了使聚酯非织造基底具有功能性，表面涂层技术可以在不损害结构完整性的前提下创造丰富的反应位点[17]。在我们之前的研究[10]中，受到贻贝生物黏附表面的启发，我们创新性地使用多巴胺自聚合作用在PET基非织造（NWP）纤维表面形成了一种坚固的多巴胺涂层。这种黏附中间层为RGO-TiO?催化剂的稳定固定提供了有效平台，从而开发出一种分层复合介质。所得材料保留了NWP基底原有的颗粒物过滤性能，同时具备了光催化甲醛降解和抗菌活性。
第二个挑战是通过改善反应器内的光线分布来提高光子利用率。传统的外部照射由于散射和不透明介质的存在，常常导致光线分布不均，使内部催化剂区域光照不足[18]。集成侧发光塑料光纤（POFs）提供了一种实用的解决方案。POFs能够将光线引导至催化剂床层深处，损失最小，形成三维光场，激活更大的反应体积[19]、[20]、[21]。它们还具有成本效益高、可扩展性和耐用性。然而，POFs存在轴向强度衰减的问题，即靠近光源处的发射较强而远端输出较弱，这会导致活性梯度并限制反应器效率[22]、[23]。因此，实现均匀的轴向侧发光至关重要。通过对POFs进行几何表面修饰，例如引入具有可控深度、间距和密度梯度的凹槽，可以调节光子泄漏并重新分配光线沿光纤的分布[24]。与化学蚀刻不同，这种方法利用定制的表面拓扑结构实现可编程的光提取，克服了光纤弯曲的固有局限性。通过重新定向光子流动并减少轴向衰减，这种策略为高性能光子反应器建立了新的设计范式。
总之，当前研究存在以下不足：首先，传统过滤器功能单一，普通的PET过滤介质只能物理捕获颗粒物，无法同时净化VOCs和病原微生物。其次，催化系统在实际条件下的性能尚不明确；RGO-TiO?-Ag异质结在真实通风气流下的同时净化效率仍需评估。第三，光反应器的设计面临双重挑战：在不损害基底结构完整性的前提下实现高且稳定的催化剂装载，以及克服传统外部照明设计中由介质遮挡和光线散射引起的光照不均匀问题。在这里，我们通过多巴胺（PDA）介导的界面组装，在聚酯纤维上构建了功能性NPRTA过滤器（NWP-PDA-RGO-TiO?-Ag）。将这种过滤器与优化的塑料光纤（POF）阵列结合，开发出了一种先进的空气净化系统，集成了光催化氧化、颗粒物过滤和微生物杀菌功能，解决了建筑相关空气质量与感染控制的关键问题。甲醛、大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）分别作为代表性的挥发性有机化合物和生物污染物。系统优化了控制甲醛分解的关键参数，并实现了POF侧发光的均匀化策略，将光场均匀性与降解动力学相关联。还对不同光反应器进行了系统评估，清楚地展示了POF驱动的NPRTA过滤器的优势。我们对净化器对大气和单分散气溶胶的过滤效率进行了系统测试和研究。此外，还发现了气溶胶沉积层对光催化活性的动态屏蔽效应，并通过多循环评估验证了操作稳定性。抗菌性能通过生物膜接触试验进行了量化。本研究建立了一个分层设计框架和工艺优化方案，用于开发光波导增强的多功能空气净化系统。
材料与方法
本研究中使用的材料主要借鉴了我们之前的研究[10]。关于所有起始材料的来源、规格以及所采用的表征技术的详细信息，请参见补充材料。
NPRTA的表征
图6展示了制备样品的表征结果。图6(A-D)显示了制备过程中不同阶段的表面形态。如图6(A)所示，聚合作用在PET纤维表面形成了多巴胺纳米球，尽管观察到一定程度的聚集现象。这种现象是由于儿茶酚类化合物对PET基底的强黏附性所致[25]。经过GO处理后……
结论
本研究通过策略性地整合多巴胺介导的界面组装、RGO-TiO?-Ag异质结和结构优化的塑料光纤（POFs），成功开发出一种分层且多功能空气净化系统。我们实施了系统的优化策略，创新性地使用了POFs上的变密度螺旋槽结构，从根本上解决了轴向紫外线衰减的问题，从而显著提升了……
CRediT作者贡献声明
李云鹤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，项目管理，方法论，研究，数据分析，数据管理。罗强：方法论。杨金硕：方法论。周晓彤：方法论。刘明泽：方法论。刘静娴：监督，资源协调，项目管理，资金获取，数据分析，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点科研项目（项目编号：2022YFC2503201）、国家自然科学基金（项目编号：52174215）、辽宁省人才计划（项目编号：XLYC2002091）以及浙江省重大项目（项目编号：2020C03089）的支持。
