静电在空气净化器中的应用

陈 杨,钱 幺,李君喜

(1.诺斯贝尔化妆品股份有限公司,广东 中山528427;2.五邑大学 纺织材料与工程学院,广东 江门529020)

近年来,随着中国大气污染形势日趋严峻,空气质量显著降低。人们的大部分时间是在室内度过的,因此室内空气的净化引起了广泛关注,这给空气净化器以及空气过滤材料带来了潜在的市场[1]。空气净化器一般是通过风机加速室内空气流动,采用循环过滤吸附的方法,处理室内漂浮的尘粒、病毒、细菌、有害气体等污染物,达到净化空气的目的[2]。在电器发明之前,人们很早就发现静电有吸附微小物体的性质,静电力作用在捕集空气中微细粒子时非常有效,于是不断有人考虑使用各种方法在空气净化器或滤材中施加静电,以此提高对空气的净化程度[3]。本文对静电在空气净化器中的应用形式及特点进行了分析,旨在为空气净化领域的产品和技术开发带来一些参考。

1 静电在空气净化器中的应用形式

静电学认为,电荷是带电的质点,在自然界中只存在2种电荷,即正电荷与负电荷,同性电荷相互排斥,异性电荷相互吸引。物体上不发生移动的电荷叫做“静电”,而发生一定移动的电荷叫做“动电”[4]。根据库仑定律[5],2个静止点电荷之间存在的相互作用力叫做库仑力,可以根据公式1得到,并且由此可以看出,点电荷之间库仑力F的大小与电荷量以及电荷距离r、介质的相对介电常数ε0有关。

20世纪以来,静电吸附效应除了广泛应用于工业静电除尘器中,在工业过滤除尘以及空气净化的过滤材料中也得到一定的应用[6],由于工业除尘和空气净化均属于不同工况下的空气过滤范畴,因此在除尘过滤的方式和机理上有很多相似之处。

目前市场上空气净化器种类很多,但主流的空气净化器产品可分为3类[7-9],即滤网过滤式、静电吸附式、过滤+静电式。在空气净化器中,除了使用滤网以及纤维过滤材料等机械过滤式之外,静电也经常被应用到,形成静电式空气净化器;静电吸附与纤维过滤结合,可得到纤维静电过滤材料,由于静电的施加与应用方式不同,根据使用过程中是否有外接电源,分为有源式静电过滤材料和无源式静电过滤材料。因此,静电空气净化器可以分为3类:即静电净化器、有源静电过滤器、无源静电过滤器。

1.1 静电空气净化器

静电空气净化器是使颗粒带电,然后通过静电吸附将该颗粒捕获到带相反电荷或接地的收集板上。这类高压静电型空气净化器有2种,一种是空气在正、负电极之间由于库仑力作用而产生运动(形成离子风),不需要使用电机增加空气流动;另一种则是需要通过电机带动空气的定向运动。对于这一类不带过滤装置的净化器,只需要一个电离负离子的发生器就可具备去除颗粒的功能,因此无需更换滤网[10]。

1.2 有源静电过滤器

有源静电过滤器是在高压静电净化器中增加了过滤网或者过滤材料。对于有源静电过滤式净化器[11],按照空气流经的路径,主要包括前置滤网、电离极、集尘极、风扇、后置滤网。待净化的空气在风机的作用下经过前置滤网的过滤后进入集尘装置,在集尘装置上加上高压直流电压,采用正极作为放电极,使空气中的污染颗粒物被电离而带上正电荷,带电颗粒在库仑力的作用下,从空气中分离出来,沉积在集尘极板上。后置滤网一般为活性炭材料,去除臭氧以及其他异味气体。这种静电空气净化器和工业上的静电除尘原理十分相似,都是通过电晕极与集尘极之间的静电场来吸附颗粒物,只是工业上一般采用负压电晕放电,而室内静电式空气净化器多采用正压电晕放电,可以减少臭氧的产生,降低二次污染[12]。电离和集尘通常采用高压直流电源,电压一般为6～15 k V。

此外,另一种有源式静电过滤器是将纤维电介质过滤材料放置在2个电极之间的静电场中,利用电极之间电压差产生的静电场的吸附作用或者静电场将介质纤维以及颗粒极化,从而提高静电捕集效率[13]。通常,这种电介质材料需要具备较高的阻抗和一定的储电能力。Jae-Keun Lee等[14]根据这种形式设计了静电增强空气过滤器(Electrostatically augmented air filters,简称EAA),但在前端增加了正极预荷电器(场强为4.7 k V/cm),使颗粒物带电;静电场增强过滤器的2个电极由金属网构成,中间填充纤维滤料,其中一极接入直流高压电(1 k V),另一极接地;通过组装设备测试过滤效率,结果显示,在2.5 m/s风速下,对1.96 μm颗粒的过滤效率可达92.9%,静电增强空气过滤器还能大大提高对室内香烟烟雾的去除。但是,该研究仅探讨了外电静电场施加与否对过滤效率的影响,并未探究电场强度及纤维内部带电情况对过滤性能的作用。

这种电极一旦断电后,由于纤维层不能存储电荷,电荷会立即消失,使得过滤效率急剧下降。因此,Chun等[15]也利用这种电极结构制备了一种高效的空气净化器,在两层金属网电极之间填充一层不同种类的纳米纤维材料(PAN、PVA、PS),通过施加不同电压,测试过滤效率,并研究了不同目数的金属网电极的影响;结果显示,金属网的孔径较大,对小颗粒物的过滤几乎无影响;静电场的施加对过滤效率提升有一定作用,在2 k V的外接电压下,对PM2.5的过滤效率可达98.41%,对PM10的过滤效率达98.72%。但是,由于静电纺纤维材料本身过滤阻力大,因此静电场的施加对不同材料的过滤效率提升差异并不明显。

当外接电压达到一定值后,电场强度可以使空气电离甚至导致纤维极化。由于纤维大分子的极化,无数个静电场源在纤维之间形成,荷电纤维与颗粒物之间静电吸附作用导致了过滤效率的显著提高[16]。然而,持续增加电压,驻极材料可能会被电击穿,引起电火花或形成电流,因此可施加的电压值受到限制[17]。

1.3 无源静电过滤器

无源静电过滤器是一种被动的静电过滤器(Passive eleetrostatic filter),在制成过滤器之前,将静电施加到纤维材料中,形成纤维静电过滤材料,也称驻极体纤维过滤材料[18-19]。通过静电驻极的空气过滤材料,能以较低的能耗实现很高的捕获效率,同时兼具静电除尘低阻力的优点,广泛应用于高效洁净过滤材料中。驻极体纤维过滤材料虽然在很大程度上解决了过滤效率和阻力的相互矛盾,但是,驻极体过滤材料存在着不可避免的静电衰减问题,仍然是高效过滤材料的重点研究方向。

2 影响电场增强纤维过滤材料过滤性能的因素

电场增强纤维过滤材料最早是在工业除尘中进行研究的,然而,对于高浓度的工业烟尘净化的应用却很少,其原因是工业烟尘成分复杂,不同领域排放的粉尘性质不同,易燃成分遇静电容易发生爆炸,造成滤袋烧伤,从而限制了其应用与发展。即便如此,其过滤除尘的静电原理仍适用于室内低浓度气体污染物的净化,因此在空气净化器中具有较大的应用潜力。通过前人总结的试验研究经验可发现,静电-纤维过滤的影响因素主要包括几个方面。

2.1 纤维过滤材料

过滤材料的结构对静电增强作用有很大影响,文献[20]表明,由于高效滤料中纤维分布密实,静电作用对高效滤料的效果最显著;但目前关于纤维的材质以及电学性能对静电增强纤维过滤性能影响的研究报道甚微。

2.2 应用环境

实际使用过程中的应用环境十分复杂,预荷电与否、尘粒性质、相对湿度、过滤风速等对粉尘的过滤效果有很大影响。研究表明:颗粒经过预荷电处理,荷电粉尘接近纤维时,诱导纤维感应带电,产生较强的电场,因而捕集能力增加,纤维过滤效率明显提高;粉尘比电阻低,相对湿度高均有利于静电过滤的改善;过滤效率随过滤风速变化呈先升后降的趋势。

2.3 电极材料

电极材料的性质、形状以及电极与滤袋的布置形式对静电增强纤维过滤的影响主要是由于电场的形成方式不同。对电场增强纤维过滤来说,主要是依靠静电场作用来提高过滤效率。若纤维层内外由金属网夹持,内侧金属网接地,外侧金属网上施加高压静电,在纤维层间形成外加电场;这种电极形式具有电压小、场强高、不易产生电荷积累的特点[21];但是这种电极一旦断电后,由于纤维层不能存储电荷,电荷会立即消失,使得过滤效率急剧下降。

3 结语

静电吸附作用在空气过滤中有巨大作用,在静电除尘器中,只有带电粒子才能被捕集,而静电与纤维过滤结合,由于带电纤维使粒子产生极化现象,因此,即使不带电粒子也能被捕集。在静电技术基础上,结合合成纤维过滤材料的结构及介电性质,运用电场增强纤维过滤的方法,通过改变电极材质、结构、布置方式等,使得纤维电介质材料长期保持高效的带电状态,可能是一种能有效解决驻极体过滤材料静电衰减的长效静电过滤方法。