Separation and Purification Technology：新型可折叠的静电增强过滤模块

2022年5月1日，Separation and Purification Technology杂志（IF:7.312）在线刊登了课题组的最新成果：Efficiently remove submicron particles by a novel foldable electrostatically assisted air coarse filter（https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120631）

背景介绍
为保持室内空气的清洁、保障居民的健康，需要对建筑通风系统配置有效的颗粒物过滤技术。我们前期的研究结果表明：静电增强空气(EAA)粗效过滤器结合了静电除尘器和纤维过滤器的优点，可实现了对亚微米颗粒物的有效捕获。为了适用于建筑通风，需要进一步提升EAA技术在高风速（~3m/s）下的颗粒物过滤效率。为此，我们通过将极化电极调整为折角结构，开发了一种可折叠的EAA模块。

成果介绍

(1) 折叠式滤网极化模块

新型极化模块由高压电极、接地电极和可折叠粗效滤网组成。每个高压电极与风道内的气流成一定角度安装，每个接地电极与高压电极一对一平行安装。通过在一对电极间施加一个5kV/cm的直流电场，将处于其间的可折叠粗效过滤器通过极化荷电。在本研究中，我们开发了4种极化模组，折叠角度分别为30°、45°、60°和180°(不折叠)。

(2) 阻力特性测试

当风速为1 ~ 3 m/s时，随着折叠角度θ减小，过滤模块压降逐渐降低，例如3 m/s时 θ = 30°、45°、60°、180°的过滤模块压降分别为26.1、26.4、35.0、81.3 Pa。考虑阻力因子β时，45°模块在不同风道速度下的β均最低，其次是60°、180°，最后是30°模块。因此我们认为折叠角度θ = 45°是降低可折叠EAA过滤模块压降的最佳选择。

(3) 过滤效率测试

EAA过滤模块的总过滤效率是由机械、颗粒物荷电和滤网极化三种效应叠加而成。在1m/s风速下，不同折叠模块的过滤效率如图2(a)所示。以30°折叠模块为例，总过滤效率（图中标记为③）的占比中，机械过滤（图中标记为①）只贡献了5.1%，颗粒物荷电（②）贡献最多(86.0%)，而滤网极化贡献了额外的3.4%。总过滤效率随折叠角度θ的减小而增大。当折叠角度θ从180°减小到 30°，可使0.3 ~ 0.5μm颗粒的单次过滤效率从91.8%提高到94.5%。
当风速是1~3m/s时，45°折叠模块的总过滤效率综合性能最好。这是由于尽管θ的减小使得过滤面积增大和过滤滤速降低，但同时电场效应也相应发生变化，导致了θ=30°的折叠模块性能反而不如θ=45°的折叠模块。

(4) 电场分布模拟

本研究模拟了不同折叠角度模块的电场分布与电场矢量图。我们定义了一个有效极化面积，其意义为无量纲电场强度S(x)≥0.9的面积与电极间整个面积的比值。
以未折叠(θ = 180°)过滤模块为例，电极间有效极化面积S(x)≥0.9的面积为0.701。而60°、45°和30°折叠模组的有效极化面积分别为0.473、0.381和0.195。电场主要存在于两个极板最短距离处，且电场方向大致垂直于极板布置方向。当折叠角度减小时，虽然有效降低了滤速，但有效极化面积也会显著减小，因此通过极化作用提高的静电过滤效率逐渐降低。对于45°折叠模块，在风道速度为3 m/s时，有效极化面积保持在0.381，过滤速度有效降低到1.15 m/s，这两个参数的综合影响使45°折叠模组性能达到最佳。

成果小结

本研究研制了一种新型折叠式静电增强过滤装置，测试比对了三种不同折叠角度θ的极化过滤模块与展开模块（θ=180°）在过滤效率、压降和电场分布等方面的差异。通过减小θ，能够有效降低滤面风速从而提高机械过滤效率；然而结合电场模拟的结果可以看出，减小θ使得有效极化面积减小，反而降低了过滤效率。因此，在大风道流速（1.5 ~ 3 m/s）下，45°折叠模块的压降较低，过滤效率较高，拥有着良好的综合性能。在不同风道流速（1 ~ 3 m/s）下，45°折叠模块实现了对直径为0.3 ~ 0.5μm颗粒的高过滤效率（85.0 ~ 94.7%）与低压降（5.9 ~ 26.4Pa）。

作者介绍

该论文的共同作者是清华大学建筑技术科学系莫金汉副教授、硕士生顾宇挺和中科院物理所的田恩泽博士。

本文引用格式

Mo JH, Gu YT, Tian EZ*, Efficiently remove submicron particles by a novel foldable electrostatically assisted air coarse filter, Separation and Purification Technology (IF:7.312), 2022, 288, 120631.

该工作受到国家自然科学基金面上项目（52078269、51521005）和北京市科委项目（Z191100009119007）资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120631

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