空气污染，尤其是粒径在0.3至2.5微米（PM0.3-PM2.5）的固/油超细气溶胶，对公众健康与工业生产构成严峻挑战。传统纤维滤材对固体颗粒拦截有效，却在应对亚微米级油性气溶胶时捉襟见肘。后者因低粘度、易动态聚并等特性而难以被高效捕获；若单纯增加滤材厚度以提升效率，又会因过滤阻力激增而推高能耗与成本。因此，如何开发出兼具固/油高效过滤、低空气阻力及长使用寿命的新型材料，已成为该领域的一项重大技术瓶颈。

近日，天津工业大学王红霞教授与林童教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表题为“Polyvinylidene fluoride/polysulfone nanofiber membranes with dual high-efficiency and self-regenerating filtration for solid–oil aerosols”的研究论文。第一作者为博士生徐乐。该工作提出一种单层纳米纤维膜，可在低流阻下实现对PM0.3固体与油性气溶胶的高效过滤。在32 L/min流速下，该膜对固体颗粒和油雾的过滤效率分别达99.10%（压降54 Pa） 与99.99%（压降120 Pa），性能显著优于同结构单组分膜及现有固油气溶胶滤材。

该膜以静电纺丝PVDF-PSF共混体系制备，其优异性能源于两组分在纤维中形成的微相分离结构，导致表层与芯层分别富集相反电荷。该分布通过局部电荷极化显著增强静电作用，与纳米纤维的机械筛分协同，从而在较低阻力下实现固油气溶胶的高效拦截。

研究进一步发现，尽管纤维电荷衰减会引起过滤性能下降，但通过轻微机械刺激即可实现电荷恢复，使滤膜性能几乎回到初始水平。该“衰减再生”过程可重复多次，从而克服了传统静电滤材因电荷衰减而失效的瓶颈。本研究为构建耐用、可再生的复合气溶胶过滤系统提供了新材料范例，有望用于工业与环境复杂多相气溶胶的高效分离。

研究亮点：

1. 提出并验证了静电纺丝PVDF/PSF共混纳米纤维膜在空气过滤中的应用，实现对固‑油超细气溶胶的高效双效过滤。

2. 在32 L/min流速下，对油性及固体颗粒物的过滤效率分别高达99.10%（54 Pa） 与99.99%（123 Pa），表现出优异的低阻‑高效特性。

3. 膜内形成的微相分离鞘‑核结构可诱导局部电荷极化，从而显著增强纤维表面静电场。

4. 静电增强效应与纳米纤维的机械筛分作用协同，共同提升了气溶胶的捕获能力。

5. 滤膜在电荷衰减后可通过轻微机械刺激实现性能再生，且该过程可重复多次，突破了传统静电滤材寿命短的瓶颈。

图文解读：

图1 （a, b）PVDF-PSF共混纳米纤维膜的静电纺丝过程示意图；（c）PVDF、PSF及其共混物纳米纤维的SEM图像；（d）FTIR光谱；（e）DSC曲线；（f）纳米纤维膜的油接触角。

PVDF-PSF混合溶液出现轻微浑浊与相分离。SEM图像显示纤维形貌均匀，无串珠；FTIR和DSC证实了PVDF与PSF共存，且PVDF以β晶相为主；接触角测试显示膜表面对用于制备油气溶胶的DEHS（癸二酸二乙基己酯）具有快速润湿性。

图2（a）PSF含量、（b）气流速率（c）面积密度（d）纤维直径对PM0.3 DEHS气溶胶PVDF-PSF纳米纤维膜η和∆P的影响。（PVDF: PSF=1:1 wt/wt, b, c, d）

系统研究了PSF含量、气流速率、纤维面密度和纤维直径对PM0.3油雾过滤效率和压降的影响。含有60% PSF的的纤维膜，η达99.10%，ΔP仅为54 Pa，展现出优异的低阻高效特性。纤维直径越小，过滤效率越高，但压降也越大，说明需在效率与阻力之间取得平衡。

图3 (a) PVDF/PSF质量分数、(b) 面密度、(c) 纤维直径（PSF含量为50%）对纳米纤维膜平均孔径的影响；(d) PVDF/PSF质量分数对表面电势的影响。

研究了PVDF与PSF组成、纳米纤维膜面密度和纤维直径对纤维膜孔径和表面电位的影响。当纤维膜含有60% PSF时，孔径最小，表面负电位最强（-343 V），说明该比例下静电效应最强。PVDF带负电，PSF带正电，二者共存形成宏观偶极，增强静电吸附能力。

图4 （a）PVDF-PSF纳米纤维（PSF含量50%）及（b）去除PSF后形貌的SEM图像；（c-e）PSF含量分别为50%、60%与80%时纳米纤维的截面TEM图像及相应的F、S元素分布图；（f）PVDF、PSF及PVDF-PSF（PSF 50%）纳米纤维的表面电位分布。

SEM和TEM-EDS显示PVDF富集在纤维表面，PSF位于芯层，形成“鞘-核”结构。KPFM测试进一步证实PVDF-PSF纤维表面电位显著增强，电荷分布均匀，为高效静电过滤提供结构基础。

图5 （a, b）PVDF-PSF纳米纤维膜在电荷去除与机械再生前后对油性PM0.3–PM4.5的过滤效率（η）与压降（∆P）；(c) 不同状态下膜的表面电位；(d–f) PVDF-PSF (50% PSF)、纯PVDF与纯PSF纳米纤维膜在连续过滤前后的过滤效率与表面电位；(g–i) 三种膜经电荷再生处理后的过滤效率与表面电位。

通过机械刺激可有效恢复因电荷衰减而下降的过滤性能。恢复后油性气溶胶与盐性颗粒的过滤效率分别达84.30% 与99.81%，显著优于单一组分PVDF或PSF纳米纤维膜。在多次循环使用后，材料仍能维持90%以上的综合过滤效率，且压降保持稳定，展现出优异的可再生性能与使用寿命。

该研究构建了一种新型材料范式，为开发兼具耐用性与可再生性的高性能过滤器提供了新路径，有望应用于工业与环境领域中复杂固‑油气溶胶的高效分离。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168925