靜電在空氣凈化器中的應(yīng)用

陳 楊,錢 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529020)

近年來,隨著中國大氣污染形勢日趨嚴(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濾材料帶來了潛在的市場[1]?？諝鈨艋饕话闶峭ㄟ^風(fēng)機(jī)加速室內(nèi)空氣流動(dòng),采用循環(huán)過濾吸附的方法,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)開發(fā)帶來一些參考。

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,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)過濾除塵以及空氣凈化的過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濾范疇,因此在除塵過濾的方式和機(jī)理上有很多相似之處。

目前市場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)過濾式、靜電吸附式、過濾+靜電式。在空氣凈化器中,除了使用濾網(wǎng)以及纖維過濾材料等機(jī)械過濾式之外,靜電也經(jīng)常被應(yīng)用到,形成靜電式空氣凈化器;靜電吸附與纖維過濾結(jié)合,可得到纖維靜電過濾材料,由于靜電的施加與應(yīng)用方式不同,根據(jù)使用過程中是否有外接電源,分為有源式靜電過濾材料和無源式靜電過濾材料。因此,靜電空氣凈化器可以分為3類:即靜電凈化器、有源靜電過濾器、無源靜電過濾器。

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電機(jī)帶動(dòng)空氣的定向運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這一類不帶過濾裝置的凈化器,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,因此無需更換濾網(wǎng)[10]。

1.2 有源靜電過濾器

有源靜電過濾器是在高壓靜電凈化器中增加了過濾網(wǎng)或者過濾材料。對(duì)于有源靜電過濾式凈化器[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)過前置濾網(wǎng)的過濾后進(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,帶電顆粒在庫侖力的作用下,從空氣中分離出來,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,都是通過電暈極與集塵極之間的靜電場來吸附顆粒物,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濾器是將纖維電介質(zhì)過濾材料放置在2個(gè)電極之間的靜電場中,利用電極之間電壓差產(chǎn)生的靜電場的吸附作用或者靜電場將介質(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)空氣過濾器(Electrostatically augmented air filters,簡稱EAA),但在前端增加了正極預(yù)荷電器(場強(qiáng)為4.7 k V/cm),使顆粒物帶電;靜電場增強(qiáng)過濾器的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;通過組裝設(shè)備測試過濾效率,結(jié)果顯示,在2.5 m/s風(fēng)速下,對(duì)1.96 μm顆粒的過濾效率可達(dá)92.9%,靜電增強(qiáng)空氣過濾器還能大大提高對(duì)室內(nèi)香煙煙霧的去除。但是,該研究僅探討了外電靜電場施加與否對(duì)過濾效率的影響,并未探究電場強(qiáng)度及纖維內(nèi)部帶電情況對(duì)過濾性能的作用。

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),通過施加不同電壓,測試過濾效率,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)小顆粒物的過濾幾乎無影響;靜電場的施加對(duì)過濾效率提升有一定作用,在2 k V的外接電壓下,對(duì)PM2.5的過濾效率可達(dá)98.41%,對(duì)PM10的過濾效率達(dá)98.72%。但是,由于靜電紡纖維材料本身過濾阻力大,因此靜電場的施加對(duì)不同材料的過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,無數(shù)個(gè)靜電場源在纖維之間形成,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 無源靜電過濾器

無源靜電過濾器是一種被動(dòng)的靜電過濾器(Passive eleetrostatic filter),在制成過濾器之前,將靜電施加到纖維材料中,形成纖維靜電過濾材料,也稱駐極體纖維過濾材料[18-19]。通過靜電駐極的空氣過濾材料,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)用于高效潔凈過濾材料中。駐極體纖維過濾材料雖然在很大程度上解決了過濾效率和阻力的相互矛盾,但是,駐極體過濾材料存在著不可避免的靜電衰減問題,仍然是高效過濾材料的重點(diǎn)研究方向。

2 影響電場增強(qiáng)纖維過濾材料過濾性能的因素

電場增強(qiáng)纖維過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-纖維過濾的影響因素主要包括幾個(gè)方面。

2.1 纖維過濾材料

過濾材料的結(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、過濾風(fēng)速等對(duì)粉塵的過濾效果有很大影響。研究表明:顆粒經(jīng)過預(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,因而捕集能力增加,纖維過濾效率明顯提高;粉塵比電阻低,相對(duì)濕度高均有利于靜電過濾的改善;過濾效率隨過濾風(fēng)速變化呈先升后降的趨勢。

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)纖維過濾的影響主要是由于電場的形成方式不同。對(duì)電場增強(qiáng)纖維過濾來說,主要是依靠靜電場作用來提高過濾效率。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;這種電極形式具有電壓小、場強(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,使得過濾效率急劇下降。

3 結(jié)語

靜電吸附作用在空氣過濾中有巨大作用,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)合合成纖維過濾材料的結(jié)構(gòu)及介電性質(zhì),運(yùn)用電場增強(qiáng)纖維過濾的方法,通過改變電極材質(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濾材料靜電衰減的長效靜電過濾方法。