ACS ES&T Eng. | 静电感应型高介电涂层负载纤维协同去除超细颗粒物与臭氧

通讯作者：莫金汉, 清华大学

作者：Yilun Gao (高轶伦), Enze Tian (田恩泽), and Jinhan Mo (莫金汉)

超细颗粒物指空气动力学直径小于100纳米的颗粒物，大气中超细颗粒物主要来源于交通排放、生物质与化石燃料燃烧等，其具有较大的比表面积与环境毒性，易被人体通过呼吸摄入肺泡，甚至进入血液循环，造成严重健康威胁。颗粒物污染可通过建筑围护结构或通风系统进入室内环境，在建筑等人居环境中实现超细颗粒物的高效去除尤为重要。纤维过滤器是建筑集中通风系统中去除大气颗粒物的重要手段。高填充率、密实的过滤纤维结构能够强化颗粒物机械过滤效率，但同样带来较大的过滤风阻与较低的容尘量，造成较高的能源消耗；此外，新冠疫情的流行对建筑通风与室内空气质量提出了更高的要求。加大建筑新风换气量有助于降低室内人员感染风险。过滤器的风阻随迎面风速增大，而过滤效率却随之降低。因此，发展同时具有高效率、低阻力的过滤技术及材料，在大集中通风量与迎面风速下，仍然保证过滤器的高效能，改善建筑“呼吸”质量，对建筑空气质量改善和节能减排都具有重要意义。

为实现过滤材料的高效低阻性能，研究中已有通过纤维带电作用强化过滤的报道，能基于低阻材料实现高效过滤，如电晕荷电纤维、摩擦带电纤维技术等；但一次性的材料驻电存在电荷衰减问题，影响滤材使用寿命；此外，发展荷电纤维对材料制备提出了高要求，如何通过合理设计调控静电过滤材料构效将成为研究重点。本工作报道了一种静电增强过滤材料。通过有限元模拟，探究了极化纤维结构与介电特性对颗粒物迁移的影响，并通过辊压法制备了表面负载介电功能性涂层的聚氨酯泡沫滤网。实验结果表明：使用电晕放电预荷电颗粒物，并通过平行电极持续极化该材料，能够在较高的迎面风速下高效去除超细颗粒物，同时去除前置电场放电产生的臭氧。主要工作总结如下：

(1) 静电场模拟。有限元模拟与计算证明（图1），在单纤维表面负载高介电常数颗粒，纤维极化后其表面能够形成高强度局部感应电场（强度约为负载前的1.5~2倍，如图2所示），此时颗粒物接近纤维表面时将受持续的库仑力作用，从而加速向纤维迁移，从而有效强化过滤传质过程。

图1. 极化聚氨酯单纤维与表面颗粒负载聚氨酯单纤维表面感应电场强度模拟。

图2. 不同介电常数颗粒负载极化单纤维感应电场强度与颗粒物迁移速度计算。

(2) 制备与表征。通过辊压法，制备了两种介电涂层（主要成分为活性氧化锰与活性炭）负载的聚氨酯泡沫粗效过滤材料（图3）。表面分析与测试表明，涂层处理负载均匀，涂层介电常数分别为基材的9.9倍，22.0倍；同时，纤维表面粗糙度有所增加，有利于颗粒物的机械捕获，并进一步提升局部感应电场以捕获荷电颗粒物。

图3. 介电功能性涂层聚氨酯泡沫滤网概念与制备。

(3) 性能测试。该种材料在介电涂层、颗粒物荷电场与滤材极化场的共同强化作用下，对11~115 nm 颗粒物过滤效率由约0%增加至90.50%，1 m/s 迎面风速下质量因子由0.003 Pa^-1提升至0.182Pa^-1，提高60倍以上，能够实现超细颗粒物的高效低阻捕获（如图4所示）。此外，纤维涂层中含有的氧化锰与活性炭能够分别通过催化与吸附作用，有效去除静电增强过滤装置中放电产生的臭氧，初始一次通过效率达到82.5%（如图5所示），在实际工程中具有应用潜力。

图4.  介电涂层负载纤维超细颗粒物过滤效率。

图5.  介电涂层负载纤维臭氧去除效果。

综上所述，本研究报道了一种静电响应的介电涂层粗效过滤材料，通过调控颗粒物与过滤纤维之间的库仑力，能够在极化电场下实现荷电超细颗粒物与臭氧的高效去除，并表现出较低的空气阻力。介电涂层过滤材料制备方法简单、价格低廉，适用于低成本、规模化生产。成果表明，该过滤技术及材料在大迎面风速、高效低阻过滤情境下有良好的应用前景。

相关论文发表在ACS ES&T Engineering上，清华大学博士研究生高轶伦为文章的第一作者，清华大学莫金汉副教授为通讯作者。

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ACS EST Engg. 2021, ASAP

Publication Date: August 3, 2021

https://doi.org/10.1021/acsestengg.1c00186  

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