博士生刘锡慧Sep. Purif. Technol.: 界面功能化涂层静电除尘技术

2026年6月，《Separation and Purification Technology》期刊刊登了课题组刘锡慧博士生的研究论文： An interface-coated electrostatic precipitator for particulate matter removal across particle sizes and compositions: Principles, design, and experimental evaluation. (https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.138925)

【Graphical Abstract】

【背景介绍】

静电除尘器（ESP）具有压降低、风量大、可重复使用等优点，是一种具有应用潜力的空气颗粒物净化技术。ESP的颗粒物去除过程主要包括颗粒荷电和电场收集两个阶段。理论上，提高收集效率可通过缩小极板间距、提高收集电场强度实现。但在实际应用中，这两种方法均受到击穿电火花的安全风险的限制。此外，由于颗粒物粒径与组分差异引起的荷电及迁移率不均，如何实现多组分颗粒物的广谱高效去除，已成为制约ESP性能提升的核心瓶颈。

针对上述问题，本研究提出了一种界面涂层静电除尘器，在收集电极表面引入PET介电涂层，以提高击穿电压并扩展安全运行电场范围；同时建立了基于无量纲有效收集面积和无量纲有效迁移速度的理论分析框架，用于解释和量化ESP效率提升机制，进一步选取NaCl、Fe、Fe₂O₃、DEHS和室内环境颗粒物五类代表性颗粒源，系统评估了该装置的跨粒径、跨组分去除性能。具体内容如下：

【核心内容】

(1) 建立了ESP效率提升的无量纲理论框架

本研究从颗粒荷电和电场迁移过程出发，建立了ESP收集效率的无量纲表达式，反映极板间距和收集面积带来的几何增强作用以及电场强度和颗粒迁移能力带来的动力学增强作用，研究进一步定量解耦了二者对效率提升的贡献，为界面涂层ESP的结构设计和参数优化提供了理论依据。

(2) PET界面涂层提高击穿电压，提高去除效率上限

为突破传统ESP中“高电场-击穿风险”的限制，本研究采用卷对卷热压工艺，在收集电极表面包覆PET介电薄膜，制备界面涂层电极。击穿测试结果表明，PET涂层能够显著提高不同极板间距下的击穿电压。在1至5mm的极板间距下，涂层电极的击穿电压平均提高至裸露电极的1.8倍。

击穿电压提高使ESP可在更高电场下安全运行，从而提升颗粒迁移速度和收集效率。效率提升可归因于几何效应A*和电迁移效应u*。在典型工况下（极板间距由5 mm减小至1 mm、极板电压1 kV），去除效率由46.9%提升至93.6%，A*和u*贡献分别约为27%和20%，理论值分别为23%和23%，实验与理论结果基本一致。

图1.（a）击穿电压随电极间距的变化（b）在7 kV荷电电压和1 m/s迎面风速下，0.3–0.5 μm颗粒的收集效率（c）A* 和 u* 对效率提升的贡献

(3) 优化极板间距，实现效率与能耗的平衡

缩小极板间距可显著提升ESP收集效率，但极板间距过小会增加空气阻力和风机能耗，因此需要综合考虑效率、压降和能耗。实验结果表明，小间距条件下进一步缩小极板间距会导致空气阻力显著增加。为定量分析效率收益与压降代价之间的关系，引入归一化效率（η/η0）与归一化压降（P/P0）分析权衡关系结果显示，间距减小至2 mm时，η/η0为1.86、P/P0为1.75；进一步减至1 mm时，η/η0仅升至1.99，而P/P0增至3.12，说明效率提升趋于饱和而压降显著增加。综合效率提升与空气阻力增加的权衡关系，在考虑能耗因素的情况下，2 mm极板间距可在颗粒物去除效率与空气阻力之间取得较优平衡，体现出良好的工程应用潜力。

图2.（a）颗粒捕集效率中的协同增效与权衡关系；（b）不同迎面风速和电极间距下收集电极单元的压降；（c）收集电极单元的归一化效率和归一化阻力

(4) 多种成分颗粒物的广谱高效去除和长期可再生性能

为评估对复杂颗粒物的适用性，研究选取NaCl、Fe、Fe₂O₃、DEHS和室内环境颗粒物五类代表性颗粒源进行测试。结果表明，不同颗粒物在低电压下表现出一定效率差异，单组分颗粒物去除效率总体呈Fe > Fe₂O₃ > NaCl > DEHS的趋势，这与颗粒物粒径、介电性质和荷电能力有关。随着极板电压提高，不同颗粒源之间的效率差异逐渐缩小。在10 kV荷电电压、1 mm极板间距、1 kV极板电压条件下，五类颗粒物均可达到最高99.9%的去除效率，说明该装置具有良好的广谱颗粒物去除能力。

研究进一步以DEHS油性颗粒物开展两周长期运行测试。在7 kV荷电电压、1 kV极板电压下，0.3–0.5 μm颗粒物的长期日均去除效率保持在97.7%。其中，14天内仅下降5.4%，清洗后效率恢复，表明该装置具有良好的长期稳定性和水洗再生能力。

图3.（a）五种不同成分的颗粒SEM图像（b）不同颗粒的去除效率；（c）单一组分颗粒荷电量；（d）在10 kV荷电电压下，0.3–0.5 μm颗粒去除效率

【成果小结】

本研究提出了一种界面涂层静电除尘器，通过在收集电极表面引入PET介电涂层，提高了击穿电压并拓展了ESP的安全运行电场范围。研究建立了基于A*和u*的无量纲理论框架，将ESP效率提升归因于几何增强和电迁移增强两部分，为装置设计和参数优化提供了定量分析方法。测试了不同极板间距下的击穿电压，涂层电极的击穿电压平均提高至裸露电极的1.8倍。引入归一化效率（η/η0）与归一化压降（P/P0）综合考虑去除效率和运行能耗，2 mm电极间距表现出更优的工程适用性。针对不同粒径和不同组分颗粒物的去除差异，研究提出了修正荷径比作为评价指标，解释了0.3–0.5 μm颗粒附近出现效率最低值的现象。通过NaCl、Fe、Fe₂O₃、DEHS和室内环境颗粒五类代表性颗粒源测试，验证了该装置的广谱颗粒去除能力。在1 kV极板电压下，各类颗粒均可实现高达99.9%的去除效率。此外，长期运行测试表明，该静电除尘器具有良好的稳定性和可重复使用性。

【作者介绍】

刘锡慧：清华大学建筑技术科学系博士生

该论文的第一作者为清华大学建筑技术科学系博士生刘锡慧，主要从事电场强化空气颗粒物去除和微生物灭活技术相关研究，已在Building Simulation, Separation and Purification Technology期刊发表一作论文3篇。

本文通讯作者为深圳大学土木与交通工程学院莫金汉教授，共同作者包括课题组博士生邹武威，中国建研院曹国庆研究员和徐昭炜高工。

本文引用格式

Liu XH, Zou WW, Cao GQ, Xu ZW, Mo JH*, An interface-coated electrostatic precipitator for particulate matter removal across particle sizes and compositions: Principles, design, and experimental evaluation. Separation and Purification Technology, 2026, 405, 138925. (IF: 9.1)

该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52325801）的资助，特此致谢。
原文出处：https://doi.org/10.1016/j.seppur.2026.138925

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