张铮, 王军锋, 莫晓健, 胡维维
江苏大学能源与动力工程学院, 江苏 镇江 212013
2015年03月16日 收稿; 2015年06月01日 收修改稿
基金项目: 国家自然科学基金(51376084)资助
通信作者: E-mail: wangjunfeng@ujs.edu.cn

摘要: 采用实验测量方法对荷电细水雾空气净化技术的机理进行研究.将荷电细水雾空净技术的作用机制归纳为直接净化和间接净化.研究获得直接净化机制的作用效果与时间的关系,给出综合净化机制作用下的净化效果和自然沉降情况下污染物的衰减状况,得出各净化机制的单独作用效果.随着室内相对湿度的增加,直接净化机制的作用效果显著提高,而自然沉降的作用效果始终很小.
关键词: 荷电水雾空气净化实验测试
Experimental study of dust particulate collection by charged droplets
ZHANG Zheng, WANG Junfeng, MO Xiaojian, HU Weiwei
School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China


Abstract: Experimental study of air purification technology by charged droplets has been carried out. The purification process could be divided into direct process and indirect process based on purification mechanisms. A mass conservation equation was proposed to establish the relationship between the purification effect of direct process and the processing time. The data showed the purification effect under the action of combined (direct and indirect) processes, and natural sedimentation was obtained by experimental measurements. The results showed the ratios for these purification mechanisms. As a result, the purification effect of direct process would increase with the relative humidity. Meanwhile, the effect of natural sedimentation has always a small proportion.
Key words: charged dropletspurification mechanismsexperimental measurement
空气中的细颗粒物如PM_2.5，因长期滞留在空气中，易附着有害物质，对人体健康和环境质量造成严重影响.常用的治理方法是使用空气净化设备，现有的空净技术有HEPA过滤技术、静电吸附技术、负离子净化技术、活性炭吸附技术等^[1-3].这些技术在能耗和性能上存在较多不足，随着中国节能减排力度的不断加大，迫切需要一种更加节能环保的空气净化方式.荷电水雾空气净化技术在能耗和效率方面具有一定的优势，其工作原理是通过高压静电技术将水滴雾化成微米级的带电液滴，与污染空气充分混合，吸附并脱除其中的细颗粒物，分解甲醛等有害气体，同时高压电场会产生大量负离子，随着气流扩散到空气中，进一步提高空气净化的效果.
对静电雾化现象的研究具有很长的历史，Rayleigh^[4]的工作为该现象的研究奠定了基础，分析指出带电液滴所带的电量在不超过某一值时能够维持其稳定状态，若所带电荷量超过该极限值，液滴就会失稳破碎成为小液滴.随后大量****^[5-14]对静电雾化现象进行深入研究，指出雾化产生的液滴粒径分布较为均匀，且被荷上一定的电荷，具有很好的弥散性.
基于以上特性，国内外的相关****对静电雾化在空气净化领域的应用进行了研究.一些****^[15-23]研究液滴荷电后对净化效率的影响，指出液滴荷电对净化效率的提升很大.Xiang和Colbeck^[24]将未荷电的水雾和荷电的水雾分别喷入高温烟尘中，然后测量烟尘浓度的衰减状况，持续喷入未荷电的水雾300s后，烟尘的平均浓度下降约10%，而喷入荷电的水雾同样时间后烟尘浓度下降60%.Christoforou等^[25]对荷质比对颗粒物团聚的影响做了研究，得出随荷质比增大，除尘效率提高，尤其是对细颗粒物更加明显，随液滴荷质比的增加净化效率呈明显上升趋势.
荷电水雾空气净化技术以其净化效果好且节能环保的优点引起国内外相关技术人员和****的广泛关注，但目前荷电细水雾空气净化的机制尚不完全清楚.本文通过实验测量，探究荷电水雾空气净化的作用机制，为进一步发展荷电水雾净化技术提供依据.
1 荷电雾化净化机理1.1 荷电水雾净化机制分类根据理论分析，荷电水雾技术的净化机制可以归纳为4个方面：惯性碰撞，静电吸附，负离子凝并和加湿凝并.1)惯性碰撞，是指雾滴与空气中的污染物直接发生碰撞，从而吸附污染物的过程.惯性碰撞的大小可以用表征颗粒物惯性大小的Stk表示^[26]，当Stk>1时，当流线绕过障碍物时，颗粒依然按直线运动，直至撞上液滴；当Stk≤1时，颗粒会紧紧随着流线运动，避开液滴.2)静电吸附，是指带电液滴通过静电力对不在其运行轨迹上的污染物进行吸附的过程.3)负离子凝并，是指通过喷头尖端放电，电离空气产生负离子，负离子进入空气后极易与空气中污染物结合，成为带电的大离子而沉降，从而使空气得到净化.周建刚等^[27]分析同极性荷电粉尘的团聚现象，认为粉尘并非完整的球状体，并有较好的绝缘性，在相同的荷电条件下，粒子的带电量不相同，电荷在粒子表面的分布也不相同，不同的带电量和不同的电荷分布导致团聚现象的发生，总体上呈现粒子团聚增大的现象.4)加湿凝并，是指在湿度较大的情况下，水蒸气会以细颗粒物为凝结核发生相变，使细颗粒物粒径变大，促进细颗粒物的团聚沉降.颜金培等^[28]对洗涤塔内相变促进燃煤细颗粒凝结长大与脱除进行试验研究，结果表明，利用过饱和水气在细颗粒表面凝结长大，可有效脱除超细颗粒.
目前对于以上4种净化机制的实际作用效果还不完全清楚，很难将其进行详细区分，本文初步将以上4种机制分为两大类，其中惯性碰撞和静电吸附的作用区域为净化器腔体内，通过液滴对细颗粒物的直接捕集作用来实现净化，因此将其定义为直接净化机制；负离子凝并和加湿凝并的主要作用区域为整个外部空间，均是通过凝并沉降间接实现净化作用，因此将其定义为间接净化机制.本文将对这两大净化机制的作用效果进行研究.
1.2 直接净化机制的理论分析由于很难直接测出直接净化机制的作用效果，本文采用实验研究与理论推导相结合的方式得到只存在直接净化机制时的净化效果曲线.在净化器腔体内，直接净化机制作用下细颗粒物在通过喷雾区域时，即被荷电液滴捕获沉降，净化作用明显、迅速；而间接净化机制作用下细颗粒物凝并沉降需要时间较长，在实时测量时，相比于直接净化机制的作用微弱，将在净化器腔体内的间接净化作用忽略.
通过实际测量得到不同室内浓度下净化器进、出口浓度差，表征直接净化机制作用下的净化浓度，将其定义为直接净化浓度，然后通过数据拟合得到直接净化浓度与室内浓度的关系f(c).现做如下假设:
1) 假定室内净化只存在直接净化机理的作用；
2) 假定室内PM_2.5浓度均匀分布.
那么根据dt时间内污染物的减少量等于整个房间污染物的变化量，可以建立以下的微分方程：

$-Qf\left( c \right)dt=Vdc,$

(1)

式中，Q：净化器流量，m³/h；f(c)：直接净化质量浓度，μg/m³；c ：直接净化机制作用下室内实时平均质量浓度，μg/m³；V ：房间容积，m³；dt：某一段无限小的时间间隔，h；dc：在dt时间内房间内污染物质量浓度的增量，μg/m³.
解微分方程即可得只存在直接净化机制时室内污染物浓度与时间的关系.
1.3 间接净化机制的净化效果实际测出综合净化机制作用下室内污染物浓度与时间的关系，去除直接净化机制作用的部分和自然沉降的部分，可以获得间接净化机制的净化效果.
2 实验测试本文选取净化器对PM_2.5的去除能力来评价净化作用.实验在容积为6m³的实验舱中进行，使用香烟模拟污染源，温度为25℃，相对湿度为45%.荷电水雾净化装置采用接触荷电的荷电方式，其结构如图 1所示，各水箱1、3、5采用绝缘材料，以保证绝缘性，上部直接与大气相通.其中工作水箱3一侧壁面开孔，连接出水管2，以保证实验过程中液面高度的稳定.喷头9采用PVC材质的锥形管，尖端外径为700μm，内径为250μm.充电电极6与高压静电发生器7相连，置于水箱底部，靠近锥形管，以提高荷电效果.高压静电发生器的接地极与接地极板10连接，二者共同接地.锥形管9与接地极板之间的空间即为主要的工作区，风机11将室内污染空气送入工作区，在荷电水雾的洗涤作用下得到净化，然后从出口8排出，风机风量为70.76m³/h.
Fig. 1

	Download: JPG larger image
图 1 净化装置结构示意图 Fig. 1 Structure diagram of the experimental apparatus

采用接触荷电的方式通过高压静电装置使雾化介质带电，在液体与地级间形成电势差，产生强电场，液体集聚电荷经喷头雾化使液滴带上电荷.液体的荷电量可用荷质比表述，即其所带电荷量与质量的比值.目前的测量方法主要有3种：法拉第筒法、网状目标法以及模拟目标法，其基本原理都是利用接地的导体容器收集荷电水雾，并通过精密微安表测量得到收集荷电水雾时的电流大小及时间，再经计算得出荷质比.
采用DW-N503-1ACDF高压静电发生器，输出电压设置为20kV.采用CW-HAT200 PM_2.5测试仪测量空间中细颗粒物浓度以及温湿度.
实验分成3步：
1) 将实验舱内的环境调节到指定工况，开启净化装置，连续测量净化装置进、出口污染物浓度，其浓度差表征不同浓度下直接净化机制的净化能力.
2) 再次将实验舱内的环境调节到指定工况，开启净化装置，每隔5min测一次室内平均污染物浓度，该数据表征综合净化机制的作用效果.
3) 再次将实验舱内的环境调节到指定工况，仅开启风机，每隔5min测一次室内平均污染物浓度，该数据表征自然沉降的作用效果.
3 结果分析图 2所示的直接净化浓度与进口浓度的关系，其中直接净化浓度为进、出口浓度之差.可以发现在300~500μg/m³质量浓度范围内去除效果最佳.
Fig. 2

	Download: JPG larger image
图 2 直接净化质量浓度与进口质量浓度之间的关系 Fig. 2 Relationship between the removed concentration and the inlet concentration

对图 2进行拟合得到直接净化浓度函数关系式为

$f\left( c \right)=-6.34\times {{10}^{-4}}{{c}^{2}}+0.5c-8.76.$

(2)

将式(2)代入式(1)，初始质量浓度设为745μg/m³，解上述微分方程得到直接净化机制单独作用下实时浓度与时间的表达式为

$\frac{c-771}{c-18.1}=-0.0358{{e}^{-0.0935t}}.$

(3)

根据对室内平均浓度的实时测量，如图 3所示，可以得到直接和间接净化机制综合作用下室内浓度的变化规律，拟合出来的公式为

${{c}_{1}}=745{{e}^{-0.092t}},$

(4)

式中，c₁为综合作用下实测质量浓度，μg/m³.
不使用净化装置，单独开启风机，测得自然沉降作用室内污染物浓度变化规律，拟合出来的公式为

${{c}_{2}}=745{{e}^{-0.00118t}},$

(5)

式中，c₂为自然沉降下实测质量浓度，μg/m³.
根据图 3可计算出该净化装置的洁净空气量(CADR)，表征空气净化器净化能力的参数^[29].

$\text{CADR}=60\times ({{k}_{\text{e}}}-{{k}_{\text{n}}})\times V,$

(6)

式中，CADR为洁净空气量，m³/h；k_e为总衰减常数，min^-1；k_n为自然衰减常数，min^-1；V为实验室容积，m³.
Fig. 3

	Download: JPG larger image
图 3 净化效果对比 Fig. 3 Comparison of purifying effect

计算得洁净空气量为33.5m³/h，能耗为7.5W，能效比为4.5m³/(W·h)，远远高于技术规范^[29]要求的2m³/(W·h)(表 1)，具有显著的节能效果.
Table 1

表 1 空气净化器对固态污染物的能效分级表[29]Table 1 Energy efficiency classes for the solid pollutants puriflcation 净化效能等级 净化效能(η)/(m3/(W·h)) A η≥2.00 B 1.50≤η＜2.00 C 1.00≤η＜1.50 D 0.50≤η＜1.00

表 1 空气净化器对固态污染物的能效分级表[29]Table 1 Energy efficiency classes for the solid pollutants puriflcation

《环境空气质量标准》^[30]规定PM_2.5的24h平均质量浓度低于35μg/m³时空气质量为优，在35~75μg/m³时空气质量为良，因此本文选取35μg/m³作为净化目标.从图 3可看出，在综合净化机制作用下，室内PM_2.5质量浓度从745μg/m³降至35μg/m³所需的时间为33min.单纯直接净化机制作用下，运行33min可以达到441μg/m³，运行76min才能达到35μg/m³.只开风机让其自然沉降时，33min内质量浓度变化较小，仅降低37μg/m³，这是由于PM_2.5悬浮在空气中，很难沉降.
据此可计算出各净化机制的作用效果如图 4所示.计算得直接净化机制的净化作用占42.82%，间接净化机制的作用占51.97%，自然沉降机制的作用占5.21%，自然沉降的作用很小.即在相对湿度为45%时间接净化作用略大于直接净化的作用.
Fig. 4

	Download: JPG larger image
图 4 相对湿度45%时净化作用所占比例 Fig. 4 Proportions at the relative humidity of 45%

按照上述方法测试了相对湿度75%时的情况如图 5所示，发现直接净化机制的净化作用所占比例提高到84.48%，间接净化机制的比例只有12.07%，说明此时直接净化机制逐渐占据主导地位，这是由于随着相对湿度的增加，空气流动性变差，不利于颗粒物扩散沉降.
Fig. 5

	Download: JPG larger image
图 5 相对湿度75%时净化作用所占比例 Fig. 5 Proportions at the relative humidity of 75%

4 结论1) 荷电细水雾通过以下4个净化机制实现空气净化：惯性碰撞、静电吸附、负离子凝并和加湿凝并.这些净化机制共同作用下，在33min内可将6m³实验舱内的PM_2.5质量浓度从745μg/m³降至35μg/m³，具有良好的净化效果和节能潜力.
2) 可以按作用方式的不同将4种机制分为了两大类，其中惯性碰撞和静电吸附为直接净化机制，负离子凝并和加湿凝并为间接净化机制，并能通过设计实验对这两类净化机制进行具体分析.
3) 通过实验测量和理论推导，得出在温度为25℃，相对湿度为从45%变化到75%时，直接净化机制的净化作用所占比例从42.82%提高到84.48%，即随着相对湿度的增加，空气的流动性较差，不利于污染物的扩散，直接净化机制的净化作用逐渐占据主导作用，自然沉降对于净化效果的贡献始终有限.
参考文献

[1]	李辉, 孔庆媛, 万毅, 等. 室内空气净化技术的研究与探讨[J].林业机械与木工设备, 2010, 38(5):30–33.
[2]	丁照兵, 李娟, 李波. 室内空气净化技术研究综述[J].微量元素与健康研究, 2008, 25(2):63–65.
[3]	罗道成, 易平贵, 陈安国. 建筑和装饰材料的室内污染对人体危害及预防措施[J].中国安全科学学报, 2003, 13(3):66–68.
[4]	Rayleigh L. On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricity[J].The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1882, 14(87):184–186.DOI:10.1080/14786448208628425
[5]	Vajdi Hokmabad B, Sadri B, Charan M R, et al. An experimental investigation on hydrodynamics of charged water droplets in dielectric liquid medium in the presence of electric field[J].Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2012, 401:17–28.
[6]	Ichikawa T, Dohda T, Nakajima Y. Stability of oil-in-water emulsion with mobile surface charge[J].Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2006, 279(1):128–141.
[7]	Jaworek A. Micro- and nanoparticle production by electrospraying[J].Powder Technology, 2007, 176(1):18–35.DOI:10.1016/j.powtec.2007.01.035
[8]	Matsuyama T, Abe T, Yamamoto H. Lattice Boltzmann method study of Rayleigh instability of a charged droplet[J].Advanced Powder Technology, 2007, 18(1):93–104.DOI:10.1163/156855207779768151
[9]	Anderson E K, Koch J A, Kyritsis D C. Phenomenology of electrostatically charged droplet combustion in normal gravity[J].Combustion and Flame, 2008, 154(3):624–629.DOI:10.1016/j.combustflame.2008.05.005
[10]	Jung Y M, Oh H C, Kang I S. Electrical charging of a conducting water droplet in a dielectric fluid on the electrode surface[J].Journal of Colloid and Interface Science, 2008, 322(2):617–623.DOI:10.1016/j.jcis.2008.04.019
[11]	Green N G, Ramos A, Gonzalez A, et al. Fluid flow induced by nonuniform ac electric fields in electrolytes on microelectrodes. I. Experimental measurements[J].Physical review E, 2000, 61(4):4011.DOI:10.1103/PhysRevE.61.4011
[12]	Abbas M A, Latham J. The instability of evaporating charged drops[J].Journal of Fluid Mechanics, 1967, 30(4):663–670.DOI:10.1017/S0022112067001685
[13]	王贞涛, 闻建龙, 王晓英, 等. 高压静电液体雾化技术[J].高电压技术, 2008, 34(5):1067–1072.
[14]	于水, 胡宗杰, 邓俊, 等. 静电喷雾高压喷射下喷雾特性的研究[J].内燃机学报, 2006, 24(5):434–439.
[15]	Balachandran W, Krupa A, Machowski W, et al. Smoke precipitation by charged water aerosol[J].Journal of Electrostatics, 2001, 51:193–199.
[16]	Jaworek A, Balachandran W, Lackowski M, et al. Multi-nozzle electrospray system for gas cleaning processes[J].Journal of electrostatics, 2006, 64(3):194–202.
[17]	Balachandran W, Jaworek A, Krupa A, et al. Efficiency of smoke removal by charged water droplets[J].Journal of Electrostatics, 2003, 58(3):209–220.
[18]	Gaunt L F, Hughes J F, Harrison N M. Removal of domestic airborne dust particles by naturally charged liquid sprays[J].Journal of electrostatics, 2003, 58(3):159–169.
[19]	袁颖, 王京刚. 荷电水雾除尘过程中颗粒运动轨迹的数值模拟[J].北京化工大学学报, 2005, 32(1):28–32.
[20]	陈宜华. 荷电水雾除尘技术试验[J].现代矿业, 2013(8):105–106.
[21]	Maghirang R G, Razote E B. Smoke dissipation by solid particles and charged water spray in enclosed spaces[J].Fire Safety Journal, 2009, 44(4):668–671.DOI:10.1016/j.firesaf.2008.12.003
[22]	李新林, 王瑾. 静电喷雾复合湿式过滤器的研发[J].暖通空调, 2013, 43(7):102–106.
[23]	吴琨, 王京刚, 毛益平, 等. 荷电水雾振弦栅除尘技术机理研究[J].金属矿山, 2004(8):59–62.
[24]	Xiang X D, Colbeck I. Charged water drops and smoke dissipation[J].Fire safety journal, 1997, 28(3):227–232.DOI:10.1016/S0379-7112(96)00080-X
[25]	Christoforou C S, Salmon L G, Hannigan M P, et al. Trends in fine particle concentration and chemical composition in Southern California[J].Journal of the Air & Waste Management Association, 2000, 50(1):43–53.
[26]	Thielmann F, Naderi M, Ansari M A, et al. The effect of primary particle surface energy on agglomeration rate in fluidised bed wet granulation[J].Powder Technology, 2008, 181(2):160–168.DOI:10.1016/j.powtec.2006.12.015
[27]	周建刚, 刘栋, 邱秀梅, 等. 烟道中同极性荷电粉尘的凝并研究[J].环境工程, 2009, 27(2):12–15.
[28]	颜金培, 杨林军, 张霞, 等. 凝结洗涤塔脱除燃煤超细颗粒实验研究[J].中国电机工程学报, 2008, 28(23):8–13.
[29]	中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 18801-2008, 空气净化器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2008.
[30]	环境保护部, 国家质量监督检验检疫总局. GB 3095-2012, 环境空气质量标准[S]. 北京: 中国标准出版社, 2012.