博士生高轶伦在ACS ES&T Engineering上发表论文: 具有高介电涂层的粗效纤维协同去除超细颗粒物与臭氧

2021年8月3日，《ACS ES&T Engineering》杂志刊登了课题组高轶伦博士生的最新成果：Electrically Responsive Coarse Filters Endowed by High-Dielectric-Constant Surface Coatings toward Efficient Removal of Ultrafine Particles and Ozone（https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00186）。

背景介绍

超细颗粒物指空气动力学直径小于100纳米的颗粒物，其具有较大的比表面积与环境毒性，易被人体通过呼吸摄入肺泡，甚至进入血液循环，造成严重健康威胁。颗粒物污染可通过建筑围护结构或通风系统进入室内环境，在建筑等人居环境中实现超细颗粒物的高效去除尤为重要。纤维过滤器是建筑集中通风系统中去除大气颗粒物的重要手段。高填充率、密实的过滤纤维结构能够强化颗粒物机械过滤效率，但同样带来较大的过滤风阻与较低的容尘量，造成较高的能源消耗；此外，新冠疫情的流行对建筑通风与室内空气质量提出了更高的要求。加大建筑新风换气量有助于降低室内人员感染风险。过滤器的风阻随迎面风速增大，而过滤效率却随之降低。因此，发展同时具有高效率、低阻力的过滤技术及材料，在大集中通风量与迎面风速下，仍然保证过滤器的高效能，改善建筑“呼吸”质量，对建筑空气质量改善和节能减排都具有重要意义。

成果介绍

为实现过滤材料的高效低阻性能，研究中已有通过纤维带电作用强化过滤的报道，能基于低阻材料实现高效过滤，如电晕荷电纤维、摩擦带电纤维技术等；但一次性的材料驻电存在电荷衰减问题，影响滤材使用寿命；此外，发展荷电纤维对材料制备提出了高要求，如何通过合理设计调控静电过滤材料构效将成为研究重点。本工作报道了一种静电增强过滤材料和过滤装置。通过有限元模拟，探究了极化纤维结构与介电特性对颗粒物迁移的影响，并通过辊压法制备了表面负载介电功能性涂层的聚氨酯泡沫滤网。实验结果表明：使用电晕放电预荷电颗粒物，并通过平行电极持续极化该材料，能够在较高的迎面风速下高效去除超细颗粒物，同时去除前置电场放电产生的臭氧。主要工作总结如下：

（1）静电场模拟。有限元模拟与计算证明（图1），在单纤维表面负载高介电常数颗粒，纤维极化后其表面能够形成高强度局部感应电场（强度约为负载前的1.5~2倍，如图2所示），此时颗粒物接近纤维表面时将受持续的库仑力作用，从而加速向纤维迁移，从而有效强化过滤传质过程。

（2）制备与表征。通过辊压法，制备了两种介电涂层（主要成分为活性氧化锰与活性炭）负载的聚氨酯泡沫粗效过滤材料（图3）。表面分析与测试表明，涂层处理负载均匀，涂层介电常数分别为基材的9.9倍，22.0倍；同时，纤维表面粗糙度有所增加，有利于颗粒物的机械捕获，并进一步提升局部感应电场以捕获荷电颗粒物。

（3）性能测试。该种材料在介电涂层、颗粒物荷电场与滤材极化场的共同强化作用下，对11~115 nm颗粒物过滤效率由约0%增加至90.50%，1 m/s 迎面风速下质量因子由0.003 Pa-1提升至0.182Pa-1，提高60倍以上，能够实现超细颗粒物的高效低阻捕获（如图4所示）。此外，纤维涂层中含有的氧化锰与活性炭能够分别通过催化与吸附作用，有效去除静电增强过滤装置中放电产生的臭氧，初始一次通过效率达到82.5%（如图5所示），在实际工程中具有应用潜力。

成果小结

本研究报道了一种静电响应的介电涂层粗效过滤材料，通过调控颗粒物与过滤纤维之间的库仑力，能够在极化电场下实现荷电超细颗粒物与臭氧的高效去除，并表现出低空气阻力。介电涂层过滤材料制备方法简单、价格低廉，适用于低成本、规模化生产。成果表明，该过滤技术及材料在大迎面风速、高效低阻过滤情境下有良好的应用前景。

作者介绍

该论文的第1作者是清华大学建筑技术科学系博士生高轶伦，通讯作者为清华大学建筑技术科学系莫金汉副教授。高轶伦致力于过滤纤维构效调控研究。

原文出处

https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00186

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