ウルトラ全体にわたる圧力降下値のモデリング

Jan 12, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5449 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

ナノファイバーフィルター全体の圧力降下を予測するモデルを開発するために、異なる繊維サイズ、充填密度、面速度、厚さの 56 通りの組み合わせによる繊維フィルターの数値流体力学シミュレーションが実施されました。 シミュレーション方法の精度は、圧力降下の数値とポリアクリロニトリル電界紡糸ナノファイバーフィルターについて得られた実験データとを比較することによって確認された。 シミュレーションでは、小さなナノファイバーの表面周囲の空気力学的滑り効果が考慮されました。 その結果、従来の濾過理論の場合とは異なり、エレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターの薄層全体での圧力降下は厚さに比例しないことがわかりました。 これは、極薄層のエレクトロスピニングされたナノファイバーフィルター全体で正確な圧力降下を得るために重要な要素となる可能性があります。 最後に、充填密度、クヌーセン数、繊維直径に対する厚さの比の関数として抗力係数とレイノルズ数の積を導き出し、圧力降下を予測するための相関式を取得しました。 得られた方程式は、最大相対差が 15% 未満であるナノファイバー フィルター全体の圧力降下を予測しました。

大気汚染の悪影響はいくら強調してもしすぎることはありません。 これは人間の呼吸器系を脅かし、心臓病、肺炎、脳卒中、糖尿病、肺がんなどの重篤な健康問題を引き起こします1、2、3、4。 年間数百万人の死亡が屋内および屋外の大気汚染への曝露によって引き起こされていると推定されているため、世界保健機関 (WHO) は大気汚染が最大の環境上の健康リスクであると考えています5,6。 粒子状物質 (PM) は、さまざまな化学組成を持つ微細な固体粒子と液体粒子の複雑な混合物であり、主要な大気汚染物質の 1 つです 1,7。 PM2.5 はサイズが小さく表面積が大きい（空気力学的サイズは 2.5 μm 未満）ため、人間の肺の奥深くまで浸透して有毒となる可能性があり、そのため罹患率と死亡率が増加します 8、9、10、11。 したがって、PM を効果的に制御し、人間の日常生活から除去することは非常に重要です。

空気濾過は、空気の質を制御する最も効果的な方法の 1 つと考えられています。 これは通常、膜と繊維材料を使用して実現されます12、13。 フィルター材の性能は、さまざまな指標を使用して評価できます14。 一般に、フィルターのパフォーマンスは品質係数 (\({\text{QF}} = - \ln \;(1 - \eta )/\Delta P\)) によって評価されます。 したがって、エネルギー消費の観点から測定される除去効率 (η) に加えて、フィルター媒体全体の圧力損失 (ΔP) も重要な要素となります 15,16。 繊維タイプのエアフィルターは、膜タイプのフィルターと比較して多孔質構造が高い (つまり、充填密度が低い) ため、多くの濾過用途で広く使用されています 17。 従来の繊維状エアフィルターは、数ミクロンから数十ミクロンまでのさまざまな直径の繊維で構成されています。 これらの大型繊維は、高い除去効率で PM を捕集するためにかなりの厚さを必要とするため、大きな圧力損失が発生します。 効率と圧力損失の間のこのトレードオフに対処するために、エレクトロスピニングプロセスによって製造される、繊維サイズが数十ナノメートルから数百ナノメートルのナノファイバーフィルターが大きな注目を集めています18、19、20、21、22。 ナノファイバーフィルターの明確な利点の 1 つは、小さなナノファイバーの表面周囲の空気力学的滑りにより、ガス流に対する抵抗が減少し、個々のファイバー全体での圧力降下が低下することです 23、24、25、26。

この有望な技術を開発するために、多くの研究者が機械的強度、除去効率、圧力損失などの性能指標に関連する実験的研究を行ってきました27。 Leung ら 28 は、平均直径 208 nm のポリエチレンオキシドナノファイバーの層を積み重ねることにより、充填密度と厚さが除去効率と圧力降下に及ぼす影響を調べました。 彼らの研究により、多層ナノファイバーフィルターは、同じ量のナノファイバーが堆積した単層と比較して、圧力損失が大幅に減少することが明らかになりました。 Zhang ら 29 は、自動車の排気ガスから PM2.5 を除去する用途向けに、高温安定性を備えた電界紡糸ポリイミド ナノファイバー フィルターを開発しました。 Xia et al.30 は、文献から 122 件の実験データを収集することにより、エレクトロスピニングされたナノファイバーの圧力降下と面速度の関係を調べました。 さらに、数値的アプローチには濾過パラメーターの調整が簡素化されるという利点があるため、数値流体力学 (CFD) シミュレーションがナノファイバーフィルター内部の複雑な流れ特性を調査するために使用されてきました。 Hosseini32 は、さまざまな充填密度と繊維サイズでの圧力降下を推定するための 3D CFD シミュレーションを開発しました。 Quan et al.33 は、圧力降下を低減するためのサンドイッチ構造の繊維フィルターに適用できる最適な滑り効果機能性繊維を見つけるために、単一のナノファイバーの滑り効果を数値モデル化しました。

繊維フィルター全体の圧力低下の予測を調査した研究がいくつかあります。 同じサイズの繊維が流れに対して垂直に均一に分布していると仮定することにより、桑原34における圧力降下を予測するための理論モデル。 Davies35 は、充填密度が 0.3 未満の場合に有効な繊維全体の圧力降下の経験的表現を提案しました。 しかし、Kuwabara 34 と Davies 35 の圧力降下方程式では、ナノファイバーの流体力学的抵抗を低減する滑り効果が考慮されていませんでした。 Brown36 は、ナノファイバーの滑り効果を考慮して桑原のモデルを修正した理論式を提案しました。 最近、ナノファイバー全体の圧力降下を予測するための経験式が、25 個のナイロン電界紡糸ナノファイバーからの実験的な圧力降下に基づいて Bian らによって提供されました 37。

エレクトロスピニングされたナノファイバーの性能に関する上記の研究にもかかわらず、これまでの研究は主に除去効率と圧力損失の改善、シミュレーションツールの開発、または限られたろ過パラメーターの影響の検討に焦点を当てていました。 したがって、繊維サイズ、充填密度、面速度、厚さなどの重要なパラメータが濾過性能に及ぼす影響を組み合わせてさらに研究する必要があります。 この研究では、繊維サイズ (50 ～ 800 nm)、充填密度 (0.02 ～ 0.08)、面速度 (5 ～ 20 cm/s)、および厚さ (0.25 ～ 80 μm) のさまざまな条件を備えた 56 ケースの CFD シミュレーションが行われ、これは、典型的な電界紡糸ナノファイバーフィルターの主要なパラメータであり、ランダムに配置されたナノファイバーを使用して実行されました。 従来の濾過理論と数値的に得られた圧力降下に基づいて、極薄ナノファイバーフィルター全体の圧力降下を予測するためにパラメーターの関数としての相関式が開発されました。

きれいな繊維状フィルターの圧力降下は力の平衡に依存することを示唆する抗力理論に基づいて、Wong38 は繊維状媒体全体の圧力降下 ΔP を次のように提案しました。

ここで、CD は抗力係数、ρ は流体密度、α は繊維充填密度、L はフィルターの厚さ、df は繊維の直径、U0 は面速度です。 さらに、White39 は、繊維状フィルターの抗力係数がレイノルズ数に反比例することを発見しました (\({\text{Re}} = \frac{{\rho U_{0} d_{f} }}{\mu }\) ) であり、充填密度と相関させることができます。つまり、 \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}} = f\;(\alpha )\) です。 したがって、式 (1) は次のように整理できます。

ここで、μは流体の動粘度です。 しかし、繊維の直径が気体分子の平均自由行程 (λ) に匹敵する場合、たとえば標準圧力および温度の空気では約 67 nm の場合、かなりの空気力学的滑りが発生します。 Kirsch24 は、重大な滑りが発生した場合、抗力項でクヌーセン数 (\({\text{Kn}} = \frac{2\lambda }{{d_{f} }}\)) を考慮する必要があると報告しました。 , \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}} = f\;(\alpha ,\;Kn)\)。 さらに、エレクトロスピニングされたナノファイバーの典型的な層の厚さはかなり薄く、数百ナノメートルから数十マイクロメートルの範囲です。 これらの非常に薄いナノファイバー層では、ナノファイバーの配置が抗力に大きな影響を与える可能性があり 30,40、層が薄くなるにつれてその影響はますます顕著になる可能性があり、繊維の配置の効果は厚さと厚さの比率に関係していると考えられます。この無次元形式の厚さを抗力項に変数として追加することで、繊維の直径 \(\frac{L}{{d_{f} }}\) を求めます。 最後に、エレクトロスピニングされたナノファイバー フィルター全体の圧力降下、つまり式 (1) が得られます。 (2) は次のように表現できます。

この研究では、\(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) をパッキングの関数として取得することにより、電界紡糸ナノファイバーフィルターの圧力降下を予測するモデルを提案しました。典型的な電界紡糸ナノファイバーフィルターを考慮した、異なる濾過パラメーターの組み合わせの 56 ケースを使用した、密度、Kn、および繊維直径に対する厚さの比。 表 1 に示すように、それぞれ 2.669 ～ 0.167 の Kn に対応する 50 ～ 800 nm の繊維直径を考慮しました。 ０．０２から０．０８までの繊維フィルターの充填密度は、エレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターの充填密度の一般的に観察される範囲に基づいて調べられた。 面速度 5、10、15、20 cm/s を使用しました。 通常、電界紡糸ナノファイバーフィルターは機械的強度が弱いため、低速度範囲で使用されます。これは、従来のフィルター、たとえば不織布フィルターに比べて充填密度が低く、繊維サイズが小さいためです。 フィルターの厚みは0.25～80μmの極薄層から比較的厚い層まで対応します。

この研究では、計算領域で 2 次元繊維構造を生成する MATLAB コードが開発されました。 繊維生成アルゴリズムを使用して、指定された充填密度が達成されるまで、特定の直径の円形繊維が事前に定義された領域にランダムに配置されます。 各ファイバーの生成中、ファイバーの重なりを避けるために、新しく作成されたファイバーと既存のファイバーの間の距離が継続的に監視されました。 さらに、高品質のメッシュを保証するために、隣接する繊維中心間の最小距離は 1.1df に設定されました。 \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) の関係を展開するために、表 1 に示されている数値ケースに単一サイズのファイバーが適用されたことに注意してください。 、他のろ過パラメータ、および圧力降下は考慮されませんが、適合した対数正規繊維サイズ分布、つまり異なるサイズの繊維は、走査型電子顕微鏡を使用して検査された作製されたエレクトロスピニングされたナノファイバーをシミュレートすることによって数値的方法の検証に適合されました。 (SEM)。 単一サイズおよび異なるサイズの繊維状幾何学的形状を有する例示的な計算ドメインをそれぞれ図１ａ、ｂに示す。 各計算ドメインには 300 以上のファイバーがあります。 これは、シミュレーション結果が統計的不確実性から独立していることを保証するためにドメインの高さを調整することによって達成されました41。

(a) 単一サイズの繊維状フィルターと (b) 異なるサイズの繊維状フィルターの境界条件を含む計算領域。

生成されたジオメトリは Gambit ソフトウェアにインポートされ、メッシュを構築し、境界条件を設定しました。 圧力や速度などの従属変数の急速な変化に対応するため、各繊維の周囲に高いメッシュ密度で約 1,000,000 個を超える三角形メッシュ要素が使用されました。 メッシュ独立性の調査は、ファイバーの周囲のグリッド点の数を増やすことによって実行されました。 30 から 80 の範囲のグリッド点の数について、フィルター媒体全体で得られた圧力降下が変化しないことが観察されました。 したがって、コンピューティング能力を最も効率的に使用できるように、40 を超えるグリッド ポイントを選択しました。 図 1 に示すように、入口と出口はフィルターの前端と後端からそれぞれ上流 20df、下流 5df の距離に配置され、これらの場合にそれぞれ速度入口境界条件と圧力出口境界条件が適用されます。 。 計算領域の上下両側に対称境界条件を設定した。

計算ドメインを生成した後、それらを ANSYS Fluent v18.0 ソフトウェアにエクスポートして、支配方程式、つまり連続方程式、運動量方程式、エネルギー方程式を解きました。 繊維径が 1 未満であるため Re がかなり低いため、繊維フィルターを通過する流れは粘度によって支配され、重力や慣性の影響を受けません。 したがって、流れ特性はストークス流れによってよく説明できます。 数値解析では、連続性と運動量の方程式が解かれます。

そして

ガス分子の平均自由行程に匹敵するサイズを有するナノファイバーの周りをガスが流れるときに、ガス流の空気力学的滑りが発生することはよく知られています。 顕著な空力スリップは、スリップフロー領域 (0.001 < Kn < 0.25) および移行領域 (0.25 < Kn < 10) で発生します。 この観察は、典型的な電界紡糸ナノファイバーに当てはまります。 滑り効果は、1 次 Maxwell モデルに基づく Fluent ソフトウェアの低圧滑り境界機能を有効にすることで適用されました。 このモデルを使用して、滑り速度 (Uw) が境界条件として次のように繊維状媒体に適用されました。

ここで、σv は運動量適応係数です。 外部の流れ、たとえば円柱や繊維の上の流れなどの滑り境界条件は、解析式を使用してまだ十分に調査されていないことに注意してください。 したがって、この境界条件のシミュレーションへの適用を検証するために、2 次元ダクト内のポアズイユ流れを調べました。 さらに、出口での流速プロファイルは、完全に開発された滑り速度の十分に確立された解析解と比較され、次のように表すことができます42:

ここで、\(\overline{U}\) は平均速度であり、この場合 σv は 0.9137 です 14,43。 テストされた計算ドメインを図 2a に示します。 ダクトの長さは、完全に発達した流れを実現するのに十分な長さです。 ダクトの高さは、ギャップベースの Kn (\(= \frac {\lambda }{2H}\)) は、空気分子の平均自由行程が 67 nm の場合、それぞれ 0.001、0.01、0.1、0.25、3 になります。 図 2b は、数値 (線) および解析 (記号) で得られた滑り速度プロファイルを示しています。 結果は、Kn が増加するにつれて壁での速度が増加することを示しています。 すべての Kn ケースの数値速度プロファイルは、解析結果と正確に一致します。

(a) 2 次元ダクト流の境界条件を含む計算領域、および (b) 0.001 ～ 3 の範囲のさまざまな Kn での速度プロファイルの比較。

シミュレーション結果のさらなる検証は、実験室で製造されたエレクトロスピニングされたナノファイバーを使用して実行され、数値解析と実験によって得られた圧力降下を比較しました。 エレクトロスピニングされたナノファイバーの製造では、ポリアクリロニトリル (PAN) ポリマー (Sigma-Aldrich, Co. LLC.、米国) を N,N-ジメチルホルムアミド溶液 (Sigma-Aldrich, Co. LLC.、米国) に次の範囲の所定の濃度で溶解しました。異なる繊維サイズを得るには、7 ～ 11 wt% を使用します。 ポリマー溶液をマグネチックスターラーを用いて50℃で12時間穏やかに撹拌し、均質なPAN溶液を得た。

図 3a は、回転ドラム システムを使用したエレクトロスピニングのセットアップを示しています。 12 ml シリンジに PAN 溶液を充填し、シリンジ ポンプに取り付けました。 負の高電圧電源を針 (19 ～ 23 ゲージ) に接続し、ドラムをコレクタとして接地しました。 エレクトロスピニングされたナノファイバーは、ドラムの周りに覆われた不織布基材シート上に集められました。 溶液供給速度 (0.3 ～ 0.5 ml h-1) と高電圧 (10 ～ 20 kV) を慎重に調整して、エレクトロスピニング プロセス全体で溶液の滴下や断続が発生することなく、ナノファイバーの安定した生成を達成しました。 作製されたエレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターに関する情報は、補足資料の表S1に示されています。 フィルターの平均繊維サイズ、充填密度、および厚さの範囲は、それぞれ 280 ～ 900 nm、2.4 ～ 7.4%、および 9 ～ 120 μm です。 エレクトロスピニングプロセス後、収集されたナノファイバーサンプルをドラムから慎重に収集し、溶媒を完全に蒸発させるために50℃のオーブンで2時間乾燥させてから、圧力損失の測定を実施しました。 図 3b は、圧力損失測定に使用される実験装置の概略図を示しています。 内径 36 mm のフィルターホルダーを使用し、フィルターの前後に差圧センサー (モデル 985 M、Beck Sensortechnik GmbH、ドイツ) の高圧ポートと低圧ポートをそれぞれ接続しました。 真空ポンプを用いてクリーンエアを供給し、面速度が５．３ｃｍ／ｓとなるようにフィルタ通過流量をマスフローコントローラで調整した。

(a) エレクトロスピニングされたナノファイバーの製造と (b) 圧力損失の測定のための実験セットアップの概略図。

アルミニウム箔上に収集されたエレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターの繊維直径と厚さは、SEMを使用して特性評価されました。 図 4 は、画像処理ソフトウェア ImageJ を使用して取得された、直径と厚さの測定値の例示的な SEM 画像を示しています。 一部の研究者はフィルターの厚さの測定に厚さ計を使用しましたが、エレクトロスピニングされたナノファイバー層は非常に薄く、この測定プロセスに対して脆弱であるため、厚さが過小評価される可能性があることに注意してください。 SEM解析により、測定歪みなく正確に厚みを求めることができることを確認しました。

8 wt% PAN エレクトロスピニングされたナノファイバーの SEM 画像: (a) 繊維サイズ測定の正面図 (埋め込み図: ナノファイバーの繊維サイズ分布)。 (b) 厚さ測定の側面図。

エレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターの充填密度 (α)、つまりフィルター内のファイバーの体積分率は、次のように計算できます。

ここで、Vfiber と Vfilter は、それぞれファイバーとフィルター (この研究では 47 mm の円形フィルター クーポン) の体積です。 mfiber は繊維の質量であり、微量天秤を使用して測定されます。 Lは、図4bに示すように、SEM分析によって検査された繊維層の厚さです。 A は 47 mm の円形フィルター クーポンの前面面積で、1735 mm2 です。

シミュレーション方法の精度を検証するために、数値シミュレーションと実験によって得られた8つのケースの圧力損失を図5に示します。 測定された圧力損失の範囲は約 18 ～ 200 Pa でした。線は実験結果と数値結果の間の 1:1 の線を表しています。 結果の比較から、さまざまな繊維サイズと厚さのテストケースで得られた実験的圧力降下と数値的圧力降下が各ケースでよく一致し、計算された平均相対誤差が 10% 未満であることが観察されました。

エレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターの測定圧力損失とシミュレーション圧力損失の比較。

図 6 は、面速度と圧力損失の関係をプロットしたものです。 200 nm の繊維と 40 μm の厚さを備えたフィルターについて、5、10、15、および 20 cm/s の 4 つの異なる速度での圧力降下を調べました。 式に示すように (3)、圧力降下は速度と線形関係にあり、これはシミュレーション結果ではっきりとわかります。 この線形関係は、ナノファイバー フィルターの場合、\(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) が流速の関数ではないことも示しています。

ナノファイバーフィルターの面速度と圧力損失の関係。 この線は、平方根値が 0.99 より大きいフィッティング曲線を表します。

ナノファイバーフィルターの厚さの影響を繊維サイズに基づいて集中的に調べます。 図 7 は、充填密度 0.06 における繊維サイズ 50、100、200、400、および 800 nm の厚さと圧力損失の関係を示しています。 表 2 に、数値的に得られた圧力損失値を示します。 図 7 では、圧力降下の数値は実線で示されており、破線は、圧力降下が最大圧力降下値から開始して直線的に減少すると仮定して、(L/Lmax)・ΔPmax の理論的な線形値を表しています。厚みの比率です。 さらに、破線で示された完全な直線からのわずかな偏差が図 7 で観察できます。これらの偏差は、層が薄いほど顕著になります。 従来の理論に基づくと、フィルターによる圧力損失はフィルターの厚さに比例します。 たとえば、df = 100 nm、α = 0.06、U0 = 5 cm/s、L = 20 µm の条件では、1151 Pa の圧力降下が観察されます。 したがって、同じ条件下で厚さ 0.5 μm のフィルターの理論的に推定される圧力損失は 28.8 Pa (= 0.5/20 × 1151 Pa) となるはずで、これは圧力損失の数値値 19.5 Pa と約 32% の相対差を与えます。これらの偏差は、特に薄いナノファイバー層におけるファイバーの配置に起因すると予想されます。 ナノファイバーの層が薄い場合、たとえば df = 50 および 100 nm、L = 0.25 および 0.5 μm の場合など、層を構成するファイバー要素はほとんどありません。 特に、エレクトロスピニングされたナノファイバーは一般に非常に薄い層として製造されるため、エレクトロスピニングされたナノファイバーの圧力降下を予測する際には、厚さと圧力降下の間のこの非線形性を考慮する必要があります。

繊維サイズ 50、100、200、400、および 800 nm のナノファイバーフィルターのフィルター厚さと圧力損失の関係。

図 8a は、0.02 ～ 0.08 の範囲の充填密度に従って、各繊維サイズ、つまり 50、100、200、400、および 800 nm で得られた圧力降下を示しています。 他のすべての条件は、各曲線のすべてのデータ ポイントで同じでした。 さらに、繊維サイズに基づいて、0.17から2.67の範囲のKnの影響を調べ、結果を図8bにプロットしました。 充填密度と Kn は圧力損失と非線形の関係があることがわかりました。

(a) 充填密度および (b) Kn に従ってナノファイバー フィルターについて得られた圧力降下の値。

たとえば、0.02 から 0.04、0.04 から 0.08 など、充填密度を 2 倍にすると、圧力降下は 2 倍以上になり、充填密度が高くなると約 2.2 ～ 2.9 倍の高い値に達すると推定されます。 充填密度の増加により、繊維の表面積だけでなくフィルター内の流速も増加し、フィルター媒体を介して追加の圧力降下が発生します。

式に基づく。 (2) の抗力係数と Re の積、つまり \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) は次のように表すことができます。

すべての場合について数値的に得られた圧力降下およびその他のパラメータが式 1 に挿入されました。 (9) \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) を取得します。 さらに、式では、 (3) では、\(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) の得られた値が充填密度、Kn、および比の関数であると仮定しました。厚さから繊維の直径までの関係があり、これらの特性は次のようにべき乗関数で表現できることがわかります。

通常の最小二乗回帰法を使用して C1、C2、C3、および C4 を取得し、この研究で検討したシミュレーション条件に対して次のように 2 つの厚さの範囲で最適な曲線を見つけました。

さらに、ナノファイバーフィルターの圧力降下を予測するための相関式は、式(1)を挿入することによって取得できます。 (11) を式に代入します。 (9):

\(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) (式(9)、(11))と圧力損失の数値結果と予測値の比較を図２〜図４に示す。 それぞれ９ａ、ｂ。 結果は非常に一致しており、すべてのケースで相対誤差が 15% 未満であり、両方のケースの平均相対誤差は 56 でした \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re} }\) および圧力損失は 1% 未満です。

すべてのシミュレーション ケースにおける (a) \(\frac{{C_{D} }}{2} \cdot {\text{Re}}\) と (b) 圧力損失の数値と予測値の比較。

最後に、開発したモデルによって推定された圧力損失を以前の研究の圧力損失と比較しました。 図 10 は、厚さと繊維直径が 150 nm の極薄ナノファイバー フィルター (つまり、単層ナノファイバー) の圧力降下の比較を面速度の関数として示しています。 0.034、0.059、0.104、および 0.134 の異なる充填密度を持つフィルターの実験データは、Wang et al.18 から得られました。 Kawabara 34 および Brown 36 の理論モデル、および Davies 35 および Bian ら 37 の経験的相関関係は、補足資料に記載されています。 図 10 の結果は、一般に、Kuwabara、Brown、および Davies のモデルによって推定された圧力降下が、極薄ナノファイバー フィルター全体での実験による圧力降下と比較して過大評価される傾向があることを示しています。 さらに、Bian らの経験的モデル。 は、充填密度が 0.059 の場合のみ良好な一致を示しますが、他の場合では、経験的アプローチを使用することで生じる可能性のある潜在的な問題により不一致が生じる可能性があります。 ただし、図 10 に示すように、私たちが開発したモデル (式 12) は、すべての充填密度について実験データとよく一致する圧力降下を予測します。これらの結果に基づいて、滑り効果と厚さを慎重に考慮する必要があると結論付けることができます。非常に薄いナノファイバーフィルターの圧力損失を予測する際に一緒に考慮されます。

(a) 0.034、(b) 0.059、(c) 0.104、(d) の異なる充填密度を持つ極薄単層ナノファイバーフィルターの理論的アプローチ、経験的相関関係、現在のモデル、および実験によって得られた圧力損失の比較面速度の関数として 0.134。

この研究では、エレクトロスピニングされたナノファイバーフィルター全体の圧力降下を予測するための相関式を取得しました。 この方程式は、これらのナノファイバー フィルターの 56 ケースの数値流体力学シミュレーションから開発されました。 シミュレーションでは、圧力損失に対する充填密度、厚さ、面速度、および繊維サイズの影響が調べられ、これらのパラメーターと抗力項の関係 (つまり、\(\frac{{C_{D} }}) {2} \cdot {\text{Re}}\)) を研究しました。 エレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターの場合、そのナノサイズのファイバーと非常に薄い層のため、抗力係数と Re の積は充填密度、Kn、およびファイバー直径に対する厚さの比の関数であると仮定しました。 これは従来のフィルターの抗力理論とは異なります。 最後に、繊維がランダムに分布したナノファイバーフィルター全体の圧力降下を予測するための相関式が導出されました。 また、値を参照する必要がある読者のために、補足資料の図 S1 に 5 ～ 20 cm/s の幅広い面速度の相関式によって推定された圧力損失も提供しました。 濾過用途の現実的な値を保証するために、最大 1000 Pa までの圧力降下のみが示されています。 図S1のデータに基づいて、読者はさまざまな繊維サイズ（50、100、200、400、および800 nm）、厚さ（1、2、5、10、および20μm）に応じた圧力降下を参照できます。速度範囲での充填密度 (0.02、0.04、0.06、0.08)。

この研究で開発された予測モデルにはいくつかの制限があります。 第一に、モデルは単一サイズの繊維を考慮して開発されたため、開発された相関式は、繊維のサイズ分布が比較的広い従来の繊維フィルターには適用できない可能性があります。 したがって、エレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターは、一般に狭いサイズ分布の繊維状媒体から構成されているため、良い候補と考えられました。 したがって、シミュレーションでは、自然換気やフェイスマスクの窓遮蔽に適用できるエレクトロスピニングされたナノファイバーフィルターの使用をターゲットとして、速度範囲を 5 ～ 20 cm/s の範囲に制限しました。 第 2 に、シミュレーションはきれいなフィルターに対して実行され、粉塵の負荷なしでの初期フィルター圧力降下が得られます。 ローディング効果ははるかに複雑で、粒子の樹状突起形成に影響を与える可能性のあるさまざまな濾過条件によって大きく変化するため、集中的な実験的アプローチが数値モデルよりも効果的である可能性があると考えられます。 これらすべての制限にもかかわらず、空気濾過システムの圧力降下を予測するために開発されたシミュレーション方法と導出された方程式は、さまざまな用途に適用できます。 この研究で開発されたモデルは、エレクトロスピニングプロセスのみによって生成されたナノファイバーに限定されません。 ナノファイバーを作成するには、溶液吹き込み法や遠心紡糸法など、さまざまな方法があります44、45、46、47、48。 この研究で使用された実験条件が満たされている場合、またはナノファイバーの繊維サイズ分布が狭い場合、この研究で開発されたモデルは、これらの方法で製造されたナノファイバーの圧力損失の予測にも適用できます。

この研究の結果を裏付ける一部またはすべてのデータおよびモデルは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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仁荷大学環境工学部、100 Inha-ro, Michuhol-gu, Incheon, 22212, Republic of Korea

ソンヒ・リー、ダイ・ブイビン、ミヌ・ベク、ハンドル・リー

ミネソタ大学機械工学粒子技術研究所、111 Church St.、SE、ミネアポリス、55455、米国

クァク・ドンビン

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SL: 執筆、検証、正式な分析。 DBV: 実験、データ分析。 MB: データ構成。 DBK: 執筆、編集、形式的分析、方法論。 HL: 概念化、監督、プロジェクト管理。

クァク・ドンビンまたはイ・ハンドルとの通信。

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転載と許可

Lee, S.、Bui-Vinh, D.、Baek, M. 他空気力学的スリップ効果の下で、さまざまな範囲のろ過パラメーターを使用して極薄ナノファイバーフィルター全体の圧力降下値をモデル化します。 Sci Rep 13、5449 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32765-4

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受信日: 2023 年 2 月 17 日

受理日: 2023 年 4 月 1 日

公開日: 2023 年 4 月 3 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32765-4

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