靜電在空氣凈化器中的應(yīng)用

陳 楊,錢(qián) 幺,李君喜

(1.諾斯貝爾化妝品股份有限公司,廣東 中山528427;2.五邑大學(xué) 紡織材料與工程學(xué)院,廣東 江門(mén)529020)

近年來(lái),隨著中國(guó)大氣污染形勢(shì)日趨嚴(yán)峻,空氣質(zhì)量顯著降低。人們的大部分時(shí)間是在室內(nèi)度過(guò)的,因此室內(nèi)空氣的凈化引起了廣泛關(guān)注,這給空氣凈化器以及空氣過(guò)濾材料帶來(lái)了潛在的市場(chǎng)[1]。空氣凈化器一般是通過(guò)風(fēng)機(jī)加速室內(nèi)空氣流動(dòng),采用循環(huán)過(guò)濾吸附的方法,處理室內(nèi)漂浮的塵粒、病毒、細(xì)菌、有害氣體等污染物,達(dá)到凈化空氣的目的[2]。在電器發(fā)明之前,人們很早就發(fā)現(xiàn)靜電有吸附微小物體的性質(zhì),靜電力作用在捕集空氣中微細(xì)粒子時(shí)非常有效,于是不斷有人考慮使用各種方法在空氣凈化器或?yàn)V材中施加靜電,以此提高對(duì)空氣的凈化程度[3]。本文對(duì)靜電在空氣凈化器中的應(yīng)用形式及特點(diǎn)進(jìn)行了分析,旨在為空氣凈化領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)開(kāi)發(fā)帶來(lái)一些參考。

1 靜電在空氣凈化器中的應(yīng)用形式

靜電學(xué)認(rèn)為,電荷是帶電的質(zhì)點(diǎn),在自然界中只存在2種電荷,即正電荷與負(fù)電荷,同性電荷相互排斥,異性電荷相互吸引。物體上不發(fā)生移動(dòng)的電荷叫做“靜電”,而發(fā)生一定移動(dòng)的電荷叫做“動(dòng)電”[4]。根據(jù)庫(kù)侖定律[5],2個(gè)靜止點(diǎn)電荷之間存在的相互作用力叫做庫(kù)侖力,可以根據(jù)公式1得到,并且由此可以看出,點(diǎn)電荷之間庫(kù)侖力F的大小與電荷量以及電荷距離r、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)ε0有關(guān)。

20世紀(jì)以來(lái),靜電吸附效應(yīng)除了廣泛應(yīng)用于工業(yè)靜電除塵器中,在工業(yè)過(guò)濾除塵以及空氣凈化的過(guò)濾材料中也得到一定的應(yīng)用[6],由于工業(yè)除塵和空氣凈化均屬于不同工況下的空氣過(guò)濾范疇,因此在除塵過(guò)濾的方式和機(jī)理上有很多相似之處。

目前市場(chǎng)上空氣凈化器種類很多,但主流的空氣凈化器產(chǎn)品可分為3類[7-9],即濾網(wǎng)過(guò)濾式、靜電吸附式、過(guò)濾+靜電式。在空氣凈化器中,除了使用濾網(wǎng)以及纖維過(guò)濾材料等機(jī)械過(guò)濾式之外,靜電也經(jīng)常被應(yīng)用到,形成靜電式空氣凈化器;靜電吸附與纖維過(guò)濾結(jié)合,可得到纖維靜電過(guò)濾材料,由于靜電的施加與應(yīng)用方式不同,根據(jù)使用過(guò)程中是否有外接電源,分為有源式靜電過(guò)濾材料和無(wú)源式靜電過(guò)濾材料。因此,靜電空氣凈化器可以分為3類:即靜電凈化器、有源靜電過(guò)濾器、無(wú)源靜電過(guò)濾器。

1.1 靜電空氣凈化器

靜電空氣凈化器是使顆粒帶電,然后通過(guò)靜電吸附將該顆粒捕獲到帶相反電荷或接地的收集板上。這類高壓靜電型空氣凈化器有2種,一種是空氣在正、負(fù)電極之間由于庫(kù)侖力作用而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)(形成離子風(fēng)),不需要使用電機(jī)增加空氣流動(dòng);另一種則是需要通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)空氣的定向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這一類不帶過(guò)濾裝置的凈化器,只需要一個(gè)電離負(fù)離子的發(fā)生器就可具備去除顆粒的功能,因此無(wú)需更換濾網(wǎng)[10]。

1.2 有源靜電過(guò)濾器

有源靜電過(guò)濾器是在高壓靜電凈化器中增加了過(guò)濾網(wǎng)或者過(guò)濾材料。對(duì)于有源靜電過(guò)濾式凈化器[11],按照空氣流經(jīng)的路徑,主要包括前置濾網(wǎng)、電離極、集塵極、風(fēng)扇、后置濾網(wǎng)。待凈化的空氣在風(fēng)機(jī)的作用下經(jīng)過(guò)前置濾網(wǎng)的過(guò)濾后進(jìn)入集塵裝置,在集塵裝置上加上高壓直流電壓,采用正極作為放電極,使空氣中的污染顆粒物被電離而帶上正電荷,帶電顆粒在庫(kù)侖力的作用下,從空氣中分離出來(lái),沉積在集塵極板上。后置濾網(wǎng)一般為活性炭材料,去除臭氧以及其他異味氣體。這種靜電空氣凈化器和工業(yè)上的靜電除塵原理十分相似,都是通過(guò)電暈極與集塵極之間的靜電場(chǎng)來(lái)吸附顆粒物,只是工業(yè)上一般采用負(fù)壓電暈放電,而室內(nèi)靜電式空氣凈化器多采用正壓電暈放電,可以減少臭氧的產(chǎn)生,降低二次污染[12]。電離和集塵通常采用高壓直流電源,電壓一般為6～15 k V。

此外,另一種有源式靜電過(guò)濾器是將纖維電介質(zhì)過(guò)濾材料放置在2個(gè)電極之間的靜電場(chǎng)中,利用電極之間電壓差產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的吸附作用或者靜電場(chǎng)將介質(zhì)纖維以及顆粒極化,從而提高靜電捕集效率[13]。通常,這種電介質(zhì)材料需要具備較高的阻抗和一定的儲(chǔ)電能力。Jae-Keun Lee等[14]根據(jù)這種形式設(shè)計(jì)了靜電增強(qiáng)空氣過(guò)濾器(Electrostatically augmented air filters,簡(jiǎn)稱EAA),但在前端增加了正極預(yù)荷電器(場(chǎng)強(qiáng)為4.7 k V/cm),使顆粒物帶電;靜電場(chǎng)增強(qiáng)過(guò)濾器的2個(gè)電極由金屬網(wǎng)構(gòu)成,中間填充纖維濾料,其中一極接入直流高壓電(1 k V),另一極接地;通過(guò)組裝設(shè)備測(cè)試過(guò)濾效率,結(jié)果顯示,在2.5 m/s風(fēng)速下,對(duì)1.96 μm顆粒的過(guò)濾效率可達(dá)92.9%,靜電增強(qiáng)空氣過(guò)濾器還能大大提高對(duì)室內(nèi)香煙煙霧的去除。但是,該研究?jī)H探討了外電靜電場(chǎng)施加與否對(duì)過(guò)濾效率的影響,并未探究電場(chǎng)強(qiáng)度及纖維內(nèi)部帶電情況對(duì)過(guò)濾性能的作用。

這種電極一旦斷電后,由于纖維層不能存儲(chǔ)電荷,電荷會(huì)立即消失,使得過(guò)濾效率急劇下降。因此,Chun等[15]也利用這種電極結(jié)構(gòu)制備了一種高效的空氣凈化器,在兩層金屬網(wǎng)電極之間填充一層不同種類的納米纖維材料(PAN、PVA、PS),通過(guò)施加不同電壓,測(cè)試過(guò)濾效率,并研究了不同目數(shù)的金屬網(wǎng)電極的影響;結(jié)果顯示,金屬網(wǎng)的孔徑較大,對(duì)小顆粒物的過(guò)濾幾乎無(wú)影響;靜電場(chǎng)的施加對(duì)過(guò)濾效率提升有一定作用,在2 k V的外接電壓下,對(duì)PM2.5的過(guò)濾效率可達(dá)98.41%,對(duì)PM10的過(guò)濾效率達(dá)98.72%。但是,由于靜電紡纖維材料本身過(guò)濾阻力大,因此靜電場(chǎng)的施加對(duì)不同材料的過(guò)濾效率提升差異并不明顯。

當(dāng)外接電壓達(dá)到一定值后,電場(chǎng)強(qiáng)度可以使空氣電離甚至導(dǎo)致纖維極化。由于纖維大分子的極化,無(wú)數(shù)個(gè)靜電場(chǎng)源在纖維之間形成,荷電纖維與顆粒物之間靜電吸附作用導(dǎo)致了過(guò)濾效率的顯著提高[16]。然而,持續(xù)增加電壓,駐極材料可能會(huì)被電擊穿,引起電火花或形成電流,因此可施加的電壓值受到限制[17]。

1.3 無(wú)源靜電過(guò)濾器

無(wú)源靜電過(guò)濾器是一種被動(dòng)的靜電過(guò)濾器(Passive eleetrostatic filter),在制成過(guò)濾器之前,將靜電施加到纖維材料中,形成纖維靜電過(guò)濾材料,也稱駐極體纖維過(guò)濾材料[18-19]。通過(guò)靜電駐極的空氣過(guò)濾材料,能以較低的能耗實(shí)現(xiàn)很高的捕獲效率,同時(shí)兼具靜電除塵低阻力的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于高效潔凈過(guò)濾材料中。駐極體纖維過(guò)濾材料雖然在很大程度上解決了過(guò)濾效率和阻力的相互矛盾,但是,駐極體過(guò)濾材料存在著不可避免的靜電衰減問(wèn)題,仍然是高效過(guò)濾材料的重點(diǎn)研究方向。

2 影響電場(chǎng)增強(qiáng)纖維過(guò)濾材料過(guò)濾性能的因素

電場(chǎng)增強(qiáng)纖維過(guò)濾材料最早是在工業(yè)除塵中進(jìn)行研究的,然而,對(duì)于高濃度的工業(yè)煙塵凈化的應(yīng)用卻很少,其原因是工業(yè)煙塵成分復(fù)雜,不同領(lǐng)域排放的粉塵性質(zhì)不同,易燃成分遇靜電容易發(fā)生爆炸,造成濾袋燒傷,從而限制了其應(yīng)用與發(fā)展。即便如此,其過(guò)濾除塵的靜電原理仍適用于室內(nèi)低濃度氣體污染物的凈化,因此在空氣凈化器中具有較大的應(yīng)用潛力。通過(guò)前人總結(jié)的試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn),靜電-纖維過(guò)濾的影響因素主要包括幾個(gè)方面。

2.1 纖維過(guò)濾材料

過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)對(duì)靜電增強(qiáng)作用有很大影響,文獻(xiàn)[20]表明,由于高效濾料中纖維分布密實(shí),靜電作用對(duì)高效濾料的效果最顯著;但目前關(guān)于纖維的材質(zhì)以及電學(xué)性能對(duì)靜電增強(qiáng)纖維過(guò)濾性能影響的研究報(bào)道甚微。

2.2 應(yīng)用環(huán)境

實(shí)際使用過(guò)程中的應(yīng)用環(huán)境十分復(fù)雜,預(yù)荷電與否、塵粒性質(zhì)、相對(duì)濕度、過(guò)濾風(fēng)速等對(duì)粉塵的過(guò)濾效果有很大影響。研究表明:顆粒經(jīng)過(guò)預(yù)荷電處理,荷電粉塵接近纖維時(shí),誘導(dǎo)纖維感應(yīng)帶電,產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng),因而捕集能力增加,纖維過(guò)濾效率明顯提高;粉塵比電阻低,相對(duì)濕度高均有利于靜電過(guò)濾的改善;過(guò)濾效率隨過(guò)濾風(fēng)速變化呈先升后降的趨勢(shì)。

2.3 電極材料

電極材料的性質(zhì)、形狀以及電極與濾袋的布置形式對(duì)靜電增強(qiáng)纖維過(guò)濾的影響主要是由于電場(chǎng)的形成方式不同。對(duì)電場(chǎng)增強(qiáng)纖維過(guò)濾來(lái)說(shuō),主要是依靠靜電場(chǎng)作用來(lái)提高過(guò)濾效率。若纖維層內(nèi)外由金屬網(wǎng)夾持,內(nèi)側(cè)金屬網(wǎng)接地,外側(cè)金屬網(wǎng)上施加高壓靜電,在纖維層間形成外加電場(chǎng);這種電極形式具有電壓小、場(chǎng)強(qiáng)高、不易產(chǎn)生電荷積累的特點(diǎn)[21];但是這種電極一旦斷電后,由于纖維層不能存儲(chǔ)電荷,電荷會(huì)立即消失,使得過(guò)濾效率急劇下降。

3 結(jié)語(yǔ)

靜電吸附作用在空氣過(guò)濾中有巨大作用,在靜電除塵器中,只有帶電粒子才能被捕集,而靜電與纖維過(guò)濾結(jié)合,由于帶電纖維使粒子產(chǎn)生極化現(xiàn)象,因此,即使不帶電粒子也能被捕集。在靜電技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合合成纖維過(guò)濾材料的結(jié)構(gòu)及介電性質(zhì),運(yùn)用電場(chǎng)增強(qiáng)纖維過(guò)濾的方法,通過(guò)改變電極材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、布置方式等,使得纖維電介質(zhì)材料長(zhǎng)期保持高效的帶電狀態(tài),可能是一種能有效解決駐極體過(guò)濾材料靜電衰減的長(zhǎng)效靜電過(guò)濾方法。