田恩泽博士Build. Environ.: 静电力强化颗粒物过滤技术在建成环境中的实验研究现状与展望

2022年11月14日，Building and Environment杂志（IF: 7.093）在线刊登了课题组的综述文章：Experimental studies on electrostatic-force strengthened particulate matter filtration for built environments: Progress and perspectives, 静电力强化颗粒物过滤技术在建成环境中的实验研究现状与展望(https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109782)。

【背景介绍】

空气中的颗粒物污染不仅影响对工业产品的良率，而且对人的健康也构成了严重威胁。由于工业产品大多在室内进行生产，且大多数人80%以上的时间在室内度过，因此建成环境中亟需大风量下高效去除颗粒物的技术手段。目前在建成环境中最常用的颗粒物去除方式是采用纤维过滤器，但高效过滤器往往阻力较大，带来了较大的驱动风机能耗。尤其是当高效滤纸表面被颗粒物堵塞时，过滤器阻力和风机能耗会上升得更快，降低过滤器的使用寿命和经济性。

为了以最小的压降和最大的颗粒物容尘量实现高效过滤颗粒物，研究者们在纤维过滤中引入额外的静电力（以静电纺纤维和驻极体纤维为代表），一定程度上缓解了高效率和低阻力的矛盾。然而，纤维对颗粒物的静电捕获效率受颗粒物-纤维距离和风速的影响极其敏感，即大风速下的低阻力高效过滤难以实现。因此，建成环境用静电力强化颗粒物过滤的有效性，需要从原理和实测结果两方面进行系统地评估。在此综述中，我们重点关注具有在建成环境中应用潜力的实验研究进展，把静电力强化过滤技术分为三类（图1）：（1）仅过滤器荷电，（2）仅颗粒物荷电，（3）过滤器和颗粒物同时荷电。我们介绍了每种技术的工作原理，比较了它们对非油性颗粒、油性颗粒和生物气溶胶的初始和长期性能，并提供了进一步提高这些技术性能的具体研究前景。

【主要工作】

(1) 对三大类静电力强化颗粒物过滤的原理和性能进行了系统性总结

如图2所示，驻极体纤维，尤其是静电纺丝纤维的相关研究最多，但大多结果都基于低风速过滤。而颗粒物和纤维同时荷电的静电力强化颗粒物过滤方式，最能在高风速下实现低阻力。其中当纤维为介电材质时能实现更低的阻力，纤维为导电材质时能实现更高的效率。提高荷电介电纤维对荷电颗粒物的捕获效率，是未来实现在建成环境中大风速、高效率、低阻力过滤颗粒物的关键。

(2) 现有研究中缺乏适用于建成环境的高风速、长期实验结果

在过去的十年中，纳米纤维和静电纺丝纤维一定程度上提高了过滤效率，减少了阻力。然而，它们通常是在低风速（如<0.1m/s）下测试的，或者在大风速（如>1m/s）下的压降大于100Pa，要实现建成环境中的节能化应用还不够。此外，过滤器寿命是用户最为关注的问题之一，适合实际应用的过滤器寿命应至少为数月。现有研究中，鲜有超过1个月的过滤器性能实测，也少有过滤器实现了超过100 g/m²的容尘量。因此，在未来的静电力增强颗粒物过滤研究中，需要额外关注高风速下的结果和面向应用的寿命结果。

(3) 静电力增强颗粒物过滤技术的未来研究方向

对于不用外加电源的驻极体过滤器，其研究方向仍然是如何长久保持其表面电荷。对于需外加电源的过滤装置，目前缺乏电源的能耗数据。当引入电源带来的额外能耗超过阻力降低节省的风机能耗时，过滤装置总体上不具备节能优势。此外，需要加电源的过滤装置需要额外考虑颗粒物种类、浓度、气体温湿度、电极老化等对过滤性能、臭氧产生量和安全可靠性等方面的影响。未来需要在不同建成环境应用场景下开展静电力增强颗粒物过滤的适用性研究。

【作者介绍】

该论文的第一作者是本课题组2021届博士毕业生田恩泽，现为中科院物理所在站博士后；第二作者是本课题组博士研究生高轶伦；通讯作者是清华大学建筑技术科学系莫金汉副教授。

本文引用格式

Tian E, Gao Y, Mo J, Experimental studies on electrostatic-force strengthened particulate matter filtration for built environments: Progress and perspectives, Building and Environment, 2023, 228, 109782.

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.buildenv.2022.109782

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