静电荷电和极化协同增强的新型过滤纤维
作者：2015级本科生 夏凡轩 建筑学院 建筑技术科学系
指导老师：莫金汉 建筑学院 建筑技术科学系
关键词：静电极化、颗粒物、纤维、高效、节能
摘要
面对我国目前严峻的颗粒物污染形势，本项目致力于研制一种静电荷电和极化协同增强的新型空气过滤纤维，并制成过滤装置，使对0.3µm颗粒物原本过滤效率只有3%的粗效滤网变成效率90%以上的亚高效过滤器。本装置可直接安装于风机盘管末端被其带动，鉴于风机盘管在我国建筑中的广泛使用，该装置一经推广，可为上亿平米建筑面积提供无动力空气净化，营造健康、绿色、节能的生活方式。
一、背景
1.1我国颗粒物污染形势严峻
2017年北京PM2.5年平均浓度虽降至58µg/m3，仍远高于WHO推荐的标准限值（年平均15µg/m3）。
图1我国PM2.5浓度分布（2017年12月23日）
微生物污染也会粘附在颗粒物上进行传播。微生物污染对人体健康的威胁更致命。
1.2中国建筑风机能耗大
我国公共建筑通风系统的风机能耗约占公建总能耗的20%-30%，目前中国的公建面积保有量超25亿m2，年风机能耗近0.7亿吨标煤，超过三峡水电站一年的发电量。我国公建面积每年新增超5000万m2，故风机能耗还会持续增长。
1.3研究目的
本项目拟开发一种用于静电荷电和极化协同增强的新型过滤纤维，制作一个使用该纤维的过滤装置。预期对细颗粒物有90%以上的过滤效率；阻力低至12Pa以下，可直接放于风机盘管末端实现无动力空气净化。
二、原理
2.1静电荷电和极化协同增强过滤机理
装置先将来流空气中的颗粒物经静电放电带上电荷，同时将滤网极化使其表面产生极化电荷，在静电作用下，颗粒物就会被滤网捕获。
图2纤维经极化后捕获颗粒物过程
2.2纤维负载高介电常数颗粒后的过滤机理
本项目研制的新型纤维是在原有粗效滤网纤维的基础上负载高介电常数的钛酸钡颗粒，使纤维在极化时对电场的感应程度增强，表面电荷密度增加，产生的有效电场范围扩大。颗粒物更易被这种纤维捕获，在低阻力的前提下提高效率，使原有的粗效滤网变成亚高效滤网。
图3负载高介电常数颗粒后纤维经极化捕获颗粒
三、实验结果
3.1高速摄像下单根纤维对颗粒物的作用
对单根纤维颗粒物沉积过程进行403fps的高帧数显微拍摄：不加电场时，观察不到纤维有明显拦截作用；加5KV的电场时，颗粒物会加速甚至转向被“吸附”到纤维上，就算流过也会被反向“吸引”到纤维上，在仅有一根纤维的情况下展示了很好的过滤效果。
图4.负载高介电常数钛酸钡的纤维捕获颗粒物的显微过程
（a）不加电场（b）加5KV电场
3.2新型滤网和样机制作
图5负载钛酸钡的新型滤网制备过程
将聚氨酯粗效滤网作为基材，并将钛酸钡粉末与粘合剂按照一定的比例混合加水搅匀，倒在滤网上进行压制，经80度烘干即可得到负载钛酸钡颗粒的新型滤网。
图6.样机制作
3.3性能测试
在相同的10kV放电，20kV极化的情况下，搭载了高介电常数钛酸钡的新型滤网相比于原本的聚氨酯粗效滤网，效率由80%提升到90%以上，且有提升的空间；阻力很低，约为5Pa，能实现低阻高效过滤的目标。
图7加载钛酸钡颗粒前后滤网效率对比
新型滤网的效率能长期维持在很高的水平。当效率稍有下降时，对滤网进行简单的水洗，就能使效率恢复到原来的水平，且能维持同样长的时间。表明这种滤网有很好的可再生性、节能环保。
图8新型滤网长期效率测试结果
四、经济性分析和应用前景
经济性上，静电荷电和极化协同增强的新型空气过滤纤维造价低，价格约25元/平方米，远低于300元/平方米的高效过滤器；可再生性好，简单水洗后可维持效率不变重复使用；装置的放电模块和极化模块均为铜针和铜板，价格约50元；运行时功率极低，实测为10W，长期运行电耗低。
