Development of Colloidal Cellulose Nanocrystal Suspension as a Sprayable PM2.5 Remover

Abstract

PM2.5 dust particles, with diameters no larger than 2.5 micrometers, significantly impact human health and daily life. The Air Quality Index (AQI) frequently reaches levels harmful to health. This research proposes a method to mitigate PM2.5 dust problems at the community level or across broader areas using a spray derived from a suspension of bacterial cellulose nanocrystals (BCNC) extracted from coconut jelly via the sulfuric acid decomposition method. The characteristics of BCNC were analyzed using FT-IR spectroscopy, revealing functional groups similar to those of pure cellulose used as a precursor. Transmission electron microscopy and particle size analysis by light scattering showed that the extracted nanocellulose crystals had a needle-like morphology, with particle diameters ranging from 10 to 100 nm and lengths of approximately 200 to 400 nm. The zeta potential of BCNC obtained was −56.41 mV. X-ray diffraction analysis indicated that the crystallinity index of BCNC was 73.9%. The surface charge of BCNC, compared to industrial nanocellulose crystals (CelluForce) in sulfate group form, was quantified at 87.72 ± 14.32 mmol/kg cellulose and 252.3 ± 49.7 mmol/kg cellulose, respectively. The PM2.5 removal efficiency of the BCNC suspension spray, tested using a custom-designed device, showed comparable results to CelluForce, with efficiencies ranging from 86.5%­–91.0%. Industrial cellulose nanocrystals were also found to be effective for PM2.5 removal. At concentrations of 1.0–2.0% (w/v), CelluForce achieved PM2.5 removal efficiencies of 91.6–93.1%, which is 23.2% higher than that achieved by water droplets.

อนุภาคฝุ่น PM2.5 ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางไม่เกิน 2.5 ไมโครเมตร ส่งผลกระทบต่อสุขภาพและการใช้ชีวิตประจำวันของมนุษย์เป็นอย่างมาก วัดค่าดัชนีคุณภาพอากาศ (Air Quality Index; AQI) ได้ในระดับที่เป็นอันตรายต่อสุขภาพอยู่เสมอ ในงานวิจัยนี้ จึงเสนอแนวคิดในการลดปัญหาฝุ่น PM2.5 ในระดับชุมชนหรือพื้นที่กว้างด้วยสเปรย์จากสารแขวนของผลึกผลึกนาโนเซลลูโลส (BCNC) ที่สกัดจากวุ้นมะพร้าวโดยใช้วิธีการแยกสลายด้วยกรดซัลฟิวริก ตรวจสอบลักษณะเฉพาะของ BCNC ด้วยเทคนิคเอฟที-ไออาร์สเปกโทรสโกปีพบว่า ผลึกนาโนเซลลูโลสที่สกัดได้มีหมู่ฟังก์ชันที่คล้ายคลึงกับเซลลูโลสบริสุทธิ์ที่ใช้เป็นสารตั้งต้น ตรวจสอบลักษณะเฉพาะด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและการหาขนาดอนุภาคด้วยการกระเจิงแสงพบว่า ผลึกนาโนเซลลูโลสที่สกัดได้มีสัณฐานวิทยารูปทรงคล้ายเข็ม มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางอนุภาค 10–100 nm มีความยาวประมาณ 200–400 nm ค่าศักย์ซีต้าของผลึกนาโนเซลลูโลสที่ได้เท่ากับ −56.41 mV เมื่อทดสอบด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์พบว่าค่าดัชนีความเป็นผลึกของ BCNC มีค่าเท่ากับ 73.9% การหาปริมาณประจุลบบนพื้นผิวของผลึก BCNC เปรียบเทียบกับผลึกนาโนเซลลูโลสที่ได้จากอุตสาหกรรม (CelluForce) ในรูปแบบหมู่ซัลเฟตมีค่าเท่ากับ 87.72 ± 14.32 และ 252.3 ± 49.7 mmol/kg เซลลูโลส ตามลำดับ ประสิทธิภาพการกำจัดฝุ่น PM2.5 ที่ทดสอบด้วยอุปกรณ์ที่ออกแบบขึ้นของสเปรย์สารแขวนลอย BCNC เปรียบเทียบกับ CelluForce พบว่ามีประสิทธิภาพใกล้เคียงกันที่ 86.5–91.0% สามารถใช้ผลึกนาโนเซลลูโลสจากอุตสาหกรรมในการกำจัดฝุ่น PM2.5 ทดแทนได้ ที่ความเข้มข้น 1.0–2.0% (w/v) ของ CelluForce ให้ประสิทธิภาพในการกำจัดฝุ่น PM2.5 ใกล้เคียงกันที่ 91.6–93.1% ซึ่งมีประสิทธิภาพสูงกว่าการใช้ละอองน้ำเพียงอย่างเดียวถึง 23.2%