博士生刘锡慧Sep. Purif. Technol.: 高效、安全去除空气颗粒物的亚千伏级静电除尘器

2024年12月，《Separation and Purification Technology》杂志（中科院1区，IF: 8.1)刊登了课题组刘锡慧博士的研究文章：Sub-kilovolt electrostatic precipitation for efficient and safe removal of airborne particles。(https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.131251)

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

静电除尘器（ESP）因其压降低、维护简便等优点在空气净化系统中广受关注。然而，ESP对颗粒物尤其是亚微米级颗粒物的收集效率低，同时极板击穿引发电火花的安全隐患，仍然是亟待解决的关键限制因素。单纯通过提高电压或缩小极板间距来提升收集效率往往受限于击穿电压，而一般的使用绝缘材料提高击穿电压的方法会带来效率衰减快的问题。本研究提出了一种新型两级静电除尘器，通过收集段的高压极板卷对卷涂覆介电材料和低极板间距实现了安全高效的颗粒物去除性能。涂覆后，收集电极在1 mm间距下的击穿电压由1.5 kV提升至3 kV，提升了一倍。得益于电极间距的减小，在较低电压（500 V和300 V）下，0.3 ~ 0.5 μm颗粒物的去除效率分别达到了99.7%和95.7%，并具有长期稳定性。

【核心内容】

(1) 提出了收集段提升效率的策略和介电表面提升电场强度的方法

提出了效率无量纲公式和收集段提升效率的策略：减小极板间距以缩短迁移距离和增大电场强度以提高迁移速度，提出了打破击穿电压限制电场强度提升的方法——极板表面介电涂层。应用该策略，使用磁组装的方式构建小间距（1 mm）收集段，在高压极板进行介电涂层提升板间击穿电压 (如图1)。

图1. ESP设计示意图 a 两级电除尘器的原理图； b 普通极板击穿； c 相同条件下介电涂层电极未击穿； d 收集段优化策略：几何角度和动力学角度

(2) 通过滚动热压法制备了具有介电表面的极板

以EVA作为粘附内层，介电材料PET作为外层，在140℃加热的条件下粘附至极板，形成了具有PET介电表面极板并组装。搭建了性能测试的风道实验平台。(如图2)

(3) 介电涂层的击穿电压和效率提升效果测试

介质涂层极板的击穿电压始终高于裸露电极，单侧涂覆电极的性能相似。随着相对湿度的增加，击穿电压均略有下降。定义各种环境工况下的保证不击穿的最大电压为安全工作电压。介质涂层极板和裸露极板的安全工作电压分别为3和1.5 kV，提升了一倍。以安全电压作为施加电压的上限，对于裸露极板，效率在1.5 k V时达到极限为85 %，而采用介电涂层后，效率持续可以继续提高，在3 kV时达到96 %。介电涂层的位置会影响效率的长期稳定性，在20小时的连续运行中，介电涂层位于接地极板的效率从97 %下降到89 %，而涂层位于高压极板效率几乎没有下降。原因在于在接地极板介电涂层结构会使得收集颗粒携带的电荷无法传导到地面，在电极上积累，积聚的电荷对来流中颗粒物产生斥力作用，导致效率衰减(如图3)。

图3. 介电涂层的影响 a 不同湿度条件下的击穿电压； b 裸露极板、介电涂层高压极板和接地极板对0.3 ~ 0.5 μm颗粒物的去除效率； c 介电涂层高压极板和接地极板电荷积累对比示意图； d 连续运行20小时的去除效率对比

(4) 介电涂层ESP的颗粒物去除性能测试

得益于低极板间距，实现了低电压下的高效率，在几百伏的收集电压工况下即可达到90 %以上的去除效率。在1 m/s迎面风速，7 kV荷电电压，500 V收集电压，去除效率为97%。当荷电电压增加到10 k V时，可以实现99.7%极高去除效率。在为期5周的长期实验中，对PM_2.5的平均去除效率为99.1%，其中对0.3 ~ 0.5 μm粒径颗粒物的去除效率仅下降了7.8%，表现出优秀的长期性能。

【成果小结】

本研究提出了一种高安全性、高效率的静电除尘装置，其收集段高压极板采用介电涂层，并缩小电极间距。通过卷对卷热压法，在高压极板上施加了PET介电涂层。涂覆后，在1 mm的极板间距下，击穿电压从1.5 kV显著提升至3 kV，这一增加的上限电压可以提高静电增强的最大效率。对于0.3 ~ 0.5 μm的颗粒物，去除效率从85%提升至96%。此外，该涂层也可避免单纯缩小极板间距所带来的安全风险。在500 V的超低收集电压下，得益于低极板间距实现了99.7%的高效率去除效果。由于单侧高压涂层有效消除了电荷积累，这一高效率表现得以持久维持，在35天内对PM_2.5的平均去除效率保持在99.1%。

【作者介绍】

刘锡慧：清华大学建筑技术科学系博士生

该论文的第一作者是清华大学建筑技术科学系博士生刘锡慧，主要从事空气颗粒物、微生物净化技术相关研究，已在Building Simulation, Separation and Purification Technology期刊发表一作论文2篇。

本文通讯作者是松山湖材料实验室田恩泽副研究员，共同作者包括深圳大学土木与交通工程学院莫金汉教授，清华大学博士研究生高轶伦。

本文引用格式

Liu, X., Gao, Y., Mo, J., Tian, E. Sub-kilovolt electrostatic precipitation for efficient and safe removal of airborne particles. Separation and Purification Technology, 2025, 361, 131251.

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801, 52408122, 52078269）和广东省基金（项目号：2022A1515110897）资助，特此致谢。

原文出处：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.131251

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