博士生高轶伦Separation and Purification Technology: 一种两步级联式空气电离器提升静电过滤能效

2023年2月28日，Separation and Purification Technology杂志（IF: 9.136）在线刊登了课题组的研究文章：A two-stage cascaded ionizer for boosting PM charging in electrostatic filtration: Principles, design, and long-term performance：一种两步级联式空气电离器以提升静电过滤能效：原理、结构设计和长期性能。(https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123494)

【背景介绍】

在空气颗粒物纤维过滤中难以实现效率、阻力和寿命的三重提升。尽管利用颗粒物预荷电技术以提升纤维过滤性能已有广泛研究，但在实际运行中仍面临电极载尘污染、放电击穿、产生臭氧等问题，其长期运行特性待优化。

【内容简介】

本工作介绍了一种两步级联式电离器，利用电极几何形状差异构造不同的电场形式，以分离的电极结构分步实现离子生成与传输。通过有限元模拟、离子浓度测量、原位延时观测、过滤性能测试等揭示了该电离器对气载颗粒物的有效荷电作用；并开发了一种双极电离器阵列样机，对其颗粒物过滤性能进行了长期监测。基于对0.3–0.5 μm颗粒初始过滤效率不足5%的粗效聚酯纤维过滤器，该电离器阵列可至少稳定运行25天，将滤网平均日效率放大至95.4%，PM10集尘量达77.0 g/m2，25天后压降仅为4.9 Pa，平均功耗为1.3kWh/天/m2过滤面积。同时，分离的电极结构使得电离器免于载尘污染，且几乎不生成臭氧。

【核心内容】

(1) 设计了一种新型级联式电极

利用针-板电极对与平行板电极对的几何形状差异，构建了不同放电曲率的电极结构，并在针-板间主动施加直流高压以产生平行板间的感应电场（如图1 a, b）。其中，针-板间电极距离小，以在小曲率尖端产生电晕荷电电离空气产生离子（Stage 1）；平行板电极曲率大、电极间距大，控制感应电场并不达到空气电离阈值以形成均匀离子输运电场（Stage 2）。待处理气流从平行板间流过并与输运离子充分接触以形成颗粒物荷电。相比传统的针-板或线-板式电晕荷电，在同样负载电压下该电离器中电极间电势差减小，击穿空气产生臭氧的风险得以大大降低，且电场分布更为均匀，利于颗粒物与离子间的接触与传输。电场有限元模拟证实了这一设计的有效性（如图1 c, d）。使用离子计数器测量离子数目，在相同工况下，与传统针板式电离器相比，该级联电离器产生离子浓度增加180%（如图2）。

图1 原理示意图：a 传统针板式电离器 b 两步级联式电离器。有限元模拟：c 传统针板式电离器 d 两步级联式电离器
图2 离子浓度测量：MP: 传统针板式电离器；c-MP：级联针板式电离器；c-CB：级联碳刷式电离器

(2) 搭建原位观测实验台捕捉拍摄级联式电离器放电电弧形态，并进行了过滤性能测试

延时摄影图像表明，级联式针板电离器（c-MP）离子产生区域（Stage 1）可产生稳定束状紫色电弧，强度大且分布集中（如图3b–e）；级联式碳刷电离器（c-CB）离子产生散发紫色放电点位，碳刷纤维之间互斥形成更大放电范围（如图3 f–i），更有利于颗粒物均匀荷电以提升过滤效率。

图3 级联式电离器的放电形态原位观测

利用粗效聚酯纤维滤网进行过滤性能测试。配备级联式碳刷电离器（c-CB）后，其0.3–0.5 μm过滤效率由4.9%提升至68.8%，并在至少7天内对北京室外尘维持稳定过滤性能。

图4 装备级联式电离器的聚酯滤网在不同工作电压下的单次过滤性能
图5 装备级联式电离器的聚酯滤网对北京室外尘的七天过滤性能

(3) 长期性能实测

将级联式碳刷电离器制成阵列并封装为荷电单元，基于极化板间低成本粗效聚酯滤网搭建了实验室尺度的过滤样机（图6）。长期过滤性能监测中，该样机在1.4 m/s的过滤风速下，25天0.3–0.5 μm颗粒物平均过滤效率达95.4%，初始压降与25天后压降分别仅为2.5、4.9 Pa，PM10集尘量为77.0 g/m2，平均功耗仅为56.2 W/m2（折合1.3kWh/天/m2）（如图7）。此外，监测中该样机运行电流稳定（0.02–0.04 mA），几乎不产生臭氧。该电离器能够克服传统针板式电离器由于电极载尘污染导致的长期效率下降问题（如图8），其性能在同类型技术参数比较中水平位于前列（如图9）。

图6 装配有级联式碳刷电离器阵列的过滤样机概念图及实物
图7 装备级联式碳刷电离器（c-CB）聚酯滤网长期过滤性能：a 集尘量变化； b 阻力变化； c 能耗变化
图8 装备级联式碳刷电离器（c-CB）与针板式电离器（MP）后聚酯滤网的长期性能对比
图9 与同类型技术性能对比

【作者介绍】

该论文的第一作者为清华大学建筑技术科学系博士生高轶伦，共同作者包括本课题组毕业硕士顾宇挺与中科院物理所田恩泽博士，通讯作者为莫金汉教授。论文中的部分工作出自于顾宇挺硕士学位论文《双级颗粒物荷电的静电增强通风过滤结构优化》。博士生高轶伦主要从事环境空气颗粒物净化技术、过滤纤维材料设计制备相关研究。

本文引用格式

Gao YL, Gu YT, Tian EZ, Mo JH*. A two-stage cascaded ionizer for boosting PM charging in electrostatic filtration: Principles, design, and long-term performance, Separation and Purification Technology, 2023, 313: 123494.

该工作受到国家自然科学基金面上项目（项目号：52078269）资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123494

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