博士生高轶伦Applied Materials Today: 利用静电增强效应提升纤维过滤性能:机理、制备与电学特性

2022年1月14日, Applied Materials Today杂志(IF: 10.041)在线刊登课题组博士生高轶伦的综述论文:Utilizing electrostatic effect in fibrous filters for efficient airborne particles removal: Principles, fabrication, and material properties, 2022, 26, 101369 (https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101369), 文章针对低阻、高效、大容尘量的的颗粒物纤维过滤技术,分析了静电增强纤维颗粒物捕获机理,并以电场源特性为依据,区分了静电增强纤维强化类型;系统总结了静电增强纤维制备方法与电学特性,计算了综合质量因子、阻力系数等综合过滤性能;并从材料制备选择、长期实用性等角度,对静电增强纤维过滤技术的发展进行了回顾与展望。

成果介绍

(1)依据电场源特性,对静电增强过滤纤维类型进行了分类

提出将静电增强过滤纤维分为单极荷电型(Unipolar-charged)与偶极感应型(Dipolar-induced)纤维,讨论了颗粒物在不同静电场中被捕获作用力与影响参数,为研究纤维静电增强过滤的制备与性能提供了理论基础。

图1. (a)单极荷电型与(b)偶极感应型静电增强纤维原理示意图

(2)讨论了静电增强纤维材料的性能参数评价指标

分析了静电增强纤维在降低阻力基础上提高过滤效率与容尘量的设计原则,总结了静电增强能耗、综合品质因子、阻力系数等适用于评价静电增强过滤材料的性能指标,从而为合理评价静电增强过滤材料及装置性能提供依据与参考。

图2. 不同种类静电增强过滤纤维材料阻力系数与~0.3 μm颗粒物过滤效率

(3)静电增强过滤纤维的制备方法

以三种静电增强过滤纤维:单极子荷电纤维、偶极子感应纤维、静电纺纤维为例,分别讨论了其电增强制备方法,总结了过滤器结构参数、阻力、风速、目标颗粒物过滤效率等综合性能;重点讨论了以颗粒物荷电-纤维极化协同技术(EAA)为代表的偶极感应纤维。分析阻力系数、初始过滤效率与长期使用性能等指标,EAA过滤技术及材料存在技术优势。

图3. 颗粒物荷电-纤维极化协同过滤技术(EAA)示意图

(4)静电增强过滤纤维材料电学性质对过滤的影响

以极性、介电性能、表面电势、导电性等电学参数为例,讨论了静电增强过滤纤维材料电学性质对过滤的影响,以现有研究为基础,讨论了材料电学表征方法,为静电增强空气过滤纤维的制备设计与材料选择提供参考。

图4. 不同静电增强纤维表面电势

(5)静电增强过滤纤维的性能测试方法、实用性与多功能性

对静电增强过滤纤维的性能测试方法、实用性与多功能性进行了分析。强调了采用正确、合理的方法测试、报道材料性能的重要性,总结了静电增强过滤纤维协同去除气态污染物、微生物、油雾液滴等不同类型污染物的研究进展,根据不同的应用场景,讨论了静电增强过滤中终阻力、容尘量等非初始过滤指标对材料实用性能的影响。

图5. 静电增强纤维与商用非驻极过滤器性能对比

作者介绍

该论文的第1作者为清华大学建筑技术科学系博士生高轶伦,通讯作者为清华大学建筑技术科学系莫金汉副教授,共同作者包括清华大学建筑技术科学系张寅平教授与中科院物理所田恩泽博士。博士生高轶伦主要从事室内颗粒物净化技术与功能性过滤纤维设计制备相关研究。
该工作受到国家自然科学基金委员会面上项目(项目号:52078269,51521005),清华大学春风基金(项目号:2020Z99CFZ025),与北京市科学技术委员会(项目号:Z191100009119007)资助,特此致谢。


本文引用格式

Gao YL, Tian EZ, Zhang YP, Mo JH*, Utilizing electrostatic effect in fibrous air filters for efficient airborne particles removal: Principles, fabrication, and material properties, Applied Materials Today (IF: 10.041), 2022, 26, 101369.

原文出处:https://doi.org/10.1016/j.apmt.2022.101369

免费全文下载链接(2022年3月5日之前有效):https://authors.elsevier.com/c/1ePzt8M-opwP3N


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