荷電水霧技術對城市PM2.5的治理

郭軍團，曾毅夫，葉明強，周益輝，何 淼，高 博

（凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

荷電水霧技術對城市PM2.5的治理

郭軍團，曾毅夫，葉明強，周益輝，何 淼，高 博

（凱天環保科技股份有限公司，長沙 410100）

綜述了荷電水霧技術的荷電方式、對PM2.5的治理機理以及影響因素，分析了荷電水霧目前的應用現狀，指出利用荷電水霧治理PM2.5顆粒物的關鍵點，及對城市PM2.5治理的意義。

霧霾；荷電水霧；細顆粒物

引言

近年來，我國城市霧霾天氣越來越嚴重，對公眾健康和生活造成了嚴重影響，PM2.5含量過高是導致霧霾天氣的主要原因。PM2.5是指大氣中空氣動力學直徑小于或等于2.5μm的顆粒物，其主要來源為燃煤、機動車排放、建筑塵、揚塵、生物質燃燒、二次硫酸鹽和硝酸鹽及有機物。PM2.5能長期懸浮于大氣環境中，具有很大的比表面積，易于富集多環芳香烴、苯類、病毒和細菌等有毒有害物質；PM2.5又稱為可入肺顆粒物，能夠進入人體肺泡甚至血液循環系統，一旦在人體呼吸系統沉積將會造成嚴重危害。

目前對于室外大空間的細顆粒物的去除是環境保護領域的難點，尚缺乏可靠的技術方案，而荷電水霧技術為室外環境降塵方案提供了新思路[1]。荷電水霧的液滴平均粒徑細小、尺寸分布均勻、粒徑譜較窄、顆粒不易聚集并導向控制，液滴在荷電后可增強液滴與顆粒之間的鏡像力和庫侖力，提高對細顆粒物的吸附效率。通過研究荷電水霧降塵規律，對改善和開發新型水霧降塵系統、抑制城市環境空氣粉塵污染和改善空氣質量具有重要的應用價值和意義。

1 荷電水霧技術的研究現狀

荷電水霧降塵屬于后處理技術的研究范疇，研究工作開展得相對較晚，且主要集中在工業生產、消防等領域，目前的研究主要在單液滴的吸附特性和工業領域的降塵效果方面。

L.F.Gaunt[2]等采用荷電水霧對室內顆粒物的治理效果進行了實驗研究，結果表明荷電水霧可以明顯降低顆粒物的濃度，有效改善室內空氣質量。

Jaworek[3]課題組進行了多項關于荷電液滴捕集細顆粒物的實驗研究，發現水霧荷電能明顯提高細顆粒物的脫除率，尤其是液滴和顆粒帶異性電荷時能顯著提高對細顆粒物的脫除效果，研究結果顯示荷電水霧對1μm以下細顆粒物的去除效率可達80%～90%。

在工業領域，眾多學者分別從理論和實驗的角度對噴霧降塵效果進行了分析和總結：含塵氣流繞過霧滴時，塵粒由于慣性會從繞流的氣流中偏離而與霧滴相撞從而被捕捉，其被捕捉的機率與霧滴直徑有關。當霧滴直徑與塵粒直徑相近時，霧滴更易捕捉到塵粒。2010年，李慶、孫曉榮[4]等對霧化電暈放電進行了實驗研究，證實將霧化電暈放電應用于降塵領域來提高微細

粉塵的捕集效率是可行的。

以上研究表明：基于荷電水霧的特性，關于荷電水霧的理論與工業應用研究已經開展，相關學者從不同角度對荷電水霧去除細顆粒物的效率進行了研究，對下一步的工作具有重要指導意義。因此，在實際產品開發中，應用荷電水霧技術去除PM2.5顆粒物的研究也有現實意義。

2 荷電水霧的相關理論

2.1 荷電水霧的荷電方式

水霧帶電通常有兩種類型：1）由液滴本身的作用（流動、分裂、運動以及蒸發等現象）而導致的自然生成的電荷；2）通過外力（電源、離子源等能量）對其充電。使液滴荷電的機理主要以第2種方式為主，但實際上液滴最終的荷電量是多種機制共同作用的產物。

通過上述研究可得出，使水霧荷電的實用方式有3種：即電暈荷電、接觸荷電和感應荷電。

（1）電暈荷電

在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發生電離和激勵，因而出現電暈放電現象。當尖端電極帶電以后，通過尖端放電在電極周圍形成很強且非均勻的電場，使附近的空氣發生電離，形成大量的離子，這些離子在電場的排斥作用下與霧化的液滴相互碰撞，從而使得液滴荷電，因此電暈荷電會使液滴帶上與電極極性相同的電荷。

（2）接觸荷電

接觸荷電是在液體中或噴頭上直接連接高壓導線，使液體和地極之間形成電勢差，產生強電場，電荷在液體上積累，使霧滴也帶上電荷（如圖1所示）。此方式所需的電壓較高，一般以2萬伏左右最適宜。

圖1 接觸荷電原理圖

（3）感應荷電

感應荷電方法是在噴嘴周圍設置一環形電極并施以足夠高的電壓，使噴嘴與液面的接觸處形成很厚的偶電層，當液體受到壓力而噴出時，液滴就攜帶著距噴嘴壁近層的偶層電荷噴出，因此液滴帶有與電極相反的電荷。圖2表示了水霧感應荷電的基本原理。

圖2 感應荷電原理圖

根據荷電原理以及荷電效果對比以上三種荷電方式，接觸荷電的荷電效果最好，但需要保證較好的絕緣性；電暈荷電的荷電效果次之，但高壓絕緣性好；感應荷電的荷電效果最差，所需的荷電電壓較低。

2.2 荷電水霧除塵機理

常規噴霧降塵機理主要包括：重力沉降、慣性碰撞、惰性凝結和擴散捕集[1]，如圖3所示：

圖3 常規降塵機理

常規噴霧除塵對于5μm以下的細顆粒物，尤其是2μm以下的高危害性顆粒物，其脫除效果欠佳。荷電水霧降塵技術為此提供了新思路，但其降塵機理更為復雜。除上述機制外，還有自團聚沉降、空間荷電沉降、靜電液滴洗滌、荷電液滴沉降、荷電液滴吸附等降塵技術。

（1）水霧增濕團聚機理

當采用液滴吸附含塵氣流中的細顆粒物時，細顆粒物在慣性碰撞作用、攔截作用、凝聚作用以及擴散作用下被液滴所吸附，而相應的吸附效率與霧滴以及細顆粒物的自身物性以及受力情況有關。而在高溫條件下，液滴會不斷蒸發，使得空氣快速達到飽和水蒸汽狀態。楊林軍[5]等人對濕飽和空氣環境中PM2.5團聚成長后沉降的過程進行研究，得出在濕飽和空氣環境中細顆粒物增大的機制是：PM2.5在高溫蒸汽的作用下發生凝結現象，使得自身粒徑不斷增大，質量提升，并由于擴散以及熱泳力的作用，使得自身不斷遷移并進一步相互發生聚并，最終達到一定程度的團聚后發生沉降。耿建新[6]等人研究了液滴對微細顆粒物的聚并現象，研究得出細顆粒物被液滴潤濕后自身質量和粒徑逐漸提升，與液滴發生碰撞吸附，由此使得細水霧能夠對微細顆粒物造成一

定的吸附效果。同時噴射出的液滴會對環境造成一定的影響，使得整個范圍內的溫度有一定的降低，產生一定的不均勻性，低溫區內細顆粒物的布朗運動減弱，而高溫區內的布朗運動加劇，導致高低溫區產生一定的速度差，大大提升了不同顆粒物之間彼此發生撞擊的幾率，使細顆粒物的團聚效果更為明顯。當采用荷電水霧除塵技術時，在常溫狀態下，由于水霧浸潤團聚的作用，能在很大程度上加強微細顆粒物的沉降，提升吸附效率。

（2）荷電細顆粒物團聚機理

當細顆粒物荷電后，不論是帶異性電荷還是同性電荷，均會由于電荷之間的相互作用，細顆粒物自身會發生一定的團聚現象。王連澤[7]等人讓細顆粒物分別帶上異性的電荷，當帶異性電荷的細顆粒物發生混合后，細顆粒物自身的收集效率得到了一定的提升。周建剛[8]等人對荷上相同電荷的細顆粒物的團聚作用進行分析，通常認為荷相同電荷的細顆粒物由于相互間存在靜電排斥力而使得顆粒物難以團聚，但產生這一現象的條件是顆粒物是球體并且呈單分散分布，然而顆粒物通常都是以多分散分布存在的，并且顆粒物的形狀很少能呈球形，多是以異形存在。在顆粒物荷上同種的電荷，每個顆粒物自身的荷電情況均不一樣，顆粒物自身的表面電荷密度的分布各異，這兩者的差異性會使同性的顆粒物產生一定的團聚作用。當由荷電而生成的鏡像作用大于由相同電荷而產生的排斥作用時，會使得顆粒的團聚效果更為顯著。由此可見，只要顆粒物荷上電荷，那么不管這個電荷是同性還是異性，細顆粒物相互間的吸附效果均能獲得提升，由此加強沉積效率。

（3）荷電水霧吸附機理

液滴荷電以后，細水霧與帶電粉塵之間的庫侖力、與不帶電塵粒的鏡象力促進兩者之間的碰撞沉降，對細顆粒物的脫除作用尤為明顯。同時，細水霧荷電以后，液體的表面張力和黏滯阻力減小，帶電液滴在高壓靜電場的作用下容易發生二次霧化，粒徑分布更加均勻，彌散程度加大；帶電液滴在同種電荷之間斥力作用下不易聚集，在空間中的分布密度增大，覆蓋區域更廣，兩者的共同作用增加了荷電液滴對細顆粒物的吸附能力，提高了降塵效率。

3 荷電水霧除塵的影響因素

影響荷電水霧除塵效率的主要因素為含塵氣流的速度、荷電液滴的粒徑、噴霧流量、液滴荷電特性等。

（1）含塵氣體流速

含塵氣體的流速直接影響了處理效率，吳琨[9]等人在荷電水霧除塵技術的基礎上，研究得出，隨著含塵氣流速度的提升，除塵效率有一定的增強。氣流速度的提升能夠使得細顆粒物和液滴之間更易發生撞擊，從而起到加強液滴和細顆粒物的團聚效果，但過大的風速會使液滴和細顆粒物得不到充分的作用時間，同時容易造成二次揚塵。袁穎[10]等人通過實驗手段分析了荷電水霧除塵效率的影響因素，針對微細顆粒物的捕集，當采用荷電水霧除塵時，在低風速下可以獲得更高的除塵效率。可見，荷電液滴吸附細顆粒物的過程由于氣流的參與，其作用機制更為復雜。

（2）荷電液滴的粒徑

通常認為，當液滴與細顆粒物尺寸越接近，越能有效吸附氣流中的細顆粒物。而實際中，與細顆粒物尺寸相近的液滴在空氣中很容易直接蒸發，起不到捕集細顆粒物的效果，如果液滴非常小，當液滴吸附細顆粒物后其自身的尺度仍然在微細顆粒物的范疇，同樣難以直接沉降，因此適當的液滴尺寸能夠使沉積效率達到最大化。陳卓楷[11]等人針對超聲霧化進行了實驗研究，認為傳統的水除塵難以消除吸入性細顆粒物的主要原因是液滴自身的尺寸過大（為200～600μm）。吳琨[9]等人通過研究發現，小尺度的液滴能夠更好地吸附微細顆粒物。而當液滴荷電之后，由于同性相斥的作用，液滴間由于靜電力而互相排斥，因此更不易發生團聚作用，而荷電能使小粒徑液滴的占比增多，液滴的尺寸分布會更加均勻。王貞濤[12]等人針對多種霧化形式對荷電液滴的噴霧特性進行研究，認為荷電削弱了液滴自身表面張力的作用，增加了液滴的不穩定性，使大粒徑的液滴進一步發生破碎，在氣流中發生二次霧化作用，大大增加了小液滴的數量。聞建龍[13]等人比較了荷電以及非荷電情況下液滴的霧化特性，得出荷電情況下液滴的尺寸比非荷電狀態降低一倍多。荷電后噴射液滴的角度增大，霧化均勻性更高。由此可知，荷電能夠加強液滴的霧化特性，進一步達到改善吸附特性的效果。

（3）噴霧流量

噴霧流量是荷電水霧除塵技術中的重要參數，不同流量下，噴霧液滴的數量、分布密度以及霧化程度均有所不同。荷電水霧除塵技術的應用中，不僅需要考慮如何提升除塵效率，還要考慮相關因素的影響。如采用的噴霧流量太大，會加劇諸如腐蝕等其它不良效果，并且濕度過大

的細顆粒物會黏附在除塵設備的表面，增加清理細顆粒物的難度。張小艷[14]等人研究了不同噴霧流量下的霧化特性，在一定的范圍內，隨著噴射流量的增大，液滴的數量顯著增多，然而當流量達到一定范圍時，再提升流量效果就變得不太明顯，而且會導致大粒徑的液滴數量增多。袁穎[10]等人的研究指出，增大噴霧液滴數量能顯著提升荷電水霧除塵的吸附效率?？梢?，在保證小液滴比例不減小的條件下，應盡可能地增加噴霧流量。

（4）液滴荷電特性

在采用不同荷電方式荷電時，往往采用荷質比來表征液滴自身的荷電量。對于噴射出的液滴，每一個液滴的尺寸、荷電量均不同，并且當液滴沿著流場行進時，其自身的各項參數也會不斷發生變化，因此針對噴霧的研究，只有液滴群的平均荷質比才是有價值的。而液滴群所能獲得的平均荷電量取決于多種因素對其的共同作用。

基于以上分析，不難發現水霧荷電能顯著提高細顆粒物的脫除效率。荷電液滴吸附細顆粒物的機理較為復雜，各個影響因素在除塵過程中相互制約。

4 荷電水霧除塵的應用

通過以上研究發現，荷電水霧技術應用于治理PM2.5的設備上時，需要用到高壓靜電發生器、噴頭、電極環等設備，其大致的系統布置如圖4所示。

圖4 荷電水霧系統布置圖

5 關鍵點

（1）噴嘴的選擇

霧化裝置中噴嘴的選擇，必須要考慮工作環境、性能要求及維修成本等因素。對于荷電水霧降塵系統，理想的噴嘴既能產生粒徑分布較為均勻的液滴，又不易堵塞。工業和實驗室最常用的主要是壓力噴嘴和旋流霧化噴嘴。噴嘴的選擇對于實際應用非常重要，其霧化質量直接影響降塵裝置的性能指標。

（2）荷電裝置的設計

水的電導率較好，液滴荷電相對容易，故采用環狀電極感應荷電方式。因正離子的荷電幾率低于負離子，故高壓靜電發生器為電極環提供負高壓。

（3）絕緣

水霧荷電技術由于需要高電壓用于產生電場，因此需要考慮絕緣，防止發生觸電事故。據相關資料研究，所需要的高壓靜電電壓為12kV。

（4）荷電量

水霧荷電量的多少，直接影響除塵的效果。在設備或實驗中，對水霧的荷電量的控制較難，目前尚未有準確的設置參數，在后續的技術應用中，應著重實驗研究。

6 總結

綜上所述，在現今空氣污染嚴重，霧霾等問題受到普遍關注的環境下，單純的水霧除塵技術已不能滿足對微細粉塵的治理，而通過對荷電水霧技術的研究結果表明，荷電水霧相比于非荷電水霧其除塵性能更強，而且對于PM2.5的治理具有更好的效果。荷電水霧技術的應用將會得到更大范圍的推廣。

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City PM2.5Controlled by Charged Water-Mist Technology

GUO Jun-tuan, ZENG Yi-fu, YE Ming-qiang, ZHOU Yi-hui HE Miao, GAO Bo

X701

A

1006-5377（2015）12-0024-04