东北大学 资源与土木工程学院,辽宁 沈阳 110819
收稿日期:2022-06-30
基金项目:国家“十四五”重点专项项目(2022YFC2503201); 国家自然科学基金资助项目(52174215); 辽宁省兴辽人才计划项目(XLYC2002091); 辽宁省揭榜挂帅科技攻关专项(2021JH1/10400023); 浙江省重点研发计划项目(2020C03089)。
作者简介:吕超(1993-), 男, 河南许昌人, 东北大学博士研究生;
柳静献(1966-), 男, 河北元氏人, 东北大学教授, 博士生导师。
摘要:袋式除尘器用针刺毡滤袋经电晕驻极后其表面初始静电势分布及其衰减特性尚不清晰,从而限制了该技术在工业除尘领域的实际应用.利用自制单针-板电极负直流高压电晕驻极装置对针刺毡滤袋进行电晕驻极处理,将滤袋表面网格化细分为驻极核心区域、中间区域及边缘区域,分别探究不同驻极电压、驻极温度、驻极时间和滤袋材质对各个区域内表面初始静电势及其衰减特性的影响规律.在此基础上,对最优驻极工艺条件下得到的驻极针刺毡滤袋过滤性能进行评估.结果表明:即使对于同一滤袋,不同驻极区域内表面初始静电势及其衰减规律随驻极电压、驻极温度及驻极时间的变化规律也各不相同.当滤袋表面电荷密度达到饱和状态时,进一步升高驻极电压反而会降低其核心区域内表面初始静电势;驻极时间主要影响核心区域内表面初始静电势,对于非核心区域内初始表面静电势几乎没有影响;提升驻极温度可显著提高非核心区域内表面初始静电势;表面初始静电势越小、驻极温度越低、驻极时间越长均能有效降低电晕驻极针刺毡滤袋表面静电势衰减速度.电晕驻极处理使得针刺毡滤袋对于0.3及0.5 μm颗粒物捕集效率提升显著,提升幅度高达28.79%及18.14%,同时其压差几乎保持不变.
关键词:滤袋电晕驻极表面静电势过滤特性
Surface Electrostatic Potential Characteristics and Filtration Performance of Needle Felt Bag Filters Charged by Corona Electret
LYU Chao, SHU Rui, LIU Jing-xian, SUN Xi
School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: LIU Jing-xian, E-mail: liujingxian@mail.neu.edu.cn.
Abstract: The application of needle felt bag filters charged by corona electret in the industrial filed is limited due to the unclear surface electrostatic potential distribution and potential decay mechanisms. The bag filters were charged by self-made single needle corona discharge device with negative direct-current high voltage power to investigate the effect of voltage, temperature, time and material type on the surface electrostatic potential distribution and potential decay characteristics in the core area, middle area and edge area, respectively. Subsequently, the filtration performance of the electret bag filter was evaluated under the optimal electret process conditions. The results indicated that the variation of the initial surface electrostatic potential and potential decay characteristics in different electret regions with voltage, temperature and time are significantly different, even for the same sample. When the surface charge density of the bag filter reaches the saturation state, the initial surface potential in the core area decreases with the further increase of voltage. The time mainly affects the initial surface potential in the core area, and it has little effect on that in the non-core region. The effect of temperature on the initial surface potential in the non-core area is more obvious. The attenuation rate of surface potential decreases with the lower initial surface potential, the decrease of temperature and the increase of time. The collection efficiency of bag filters for submicron particles can be enhanced by electret treatment but without negatively affecting the pressure drop characteristics, and the increment of collection efficiency for 0.3 and 0.5 μm particles is up to 28.79 % and 18.14 %, respectively.
Key words: bag filtercorona electretsurface electrostatic potentialfiltration performance
传统纤维过滤材料经过驻极处理可赋予其表面大量的空间电荷和偶极电荷[1],依靠表面电荷产生的静电效应能够显著提升其对微细颗粒物的捕集效率[2].电晕充电法是工业生产中应用最广泛的过滤材料驻极工艺,其主要是利用非均匀电场引起的空气局部击穿的电晕放电,产生的离子束轰击电介质使其表面携带大量静电荷[3].然而,电晕驻极滤料的表面电荷密度横向均匀性较差[4]且初始表面静电势易受环境因素影响[5].除此之外,其较快的表面静电势衰减问题也是制约其使用范围的关键因素[6-7],即随着时间推移,静电增强效应的减弱将导致过滤效率逐渐降低直至不能满足使用要求.目前,现有驻极体理论还不能全面解释滤料中电荷的存储、输运和衰减特性[8-10].以上诸多原因均导致驻极滤料的开发和应用仍局限于空气过滤领域,对于使用条件更为苛刻的工业烟尘控制领域,袋式除尘器用针刺毡滤袋电晕驻极处理后其表面静电势及过滤性能的相关研究还鲜有报道[11].因此,进一步研究电晕驻极针刺毡滤袋表面初始静电势及其衰减行为和其对过滤性能的影响规律具有重要的理论意义和实用价值.
针对以上问题,利用单针-板电极负直流高压电晕驻极装置对针刺毡滤袋进行电晕驻极处理,并将滤袋表面网格化细分为驻极核心区域、中间区域及边缘区域三部分,分别研究不同驻极电压、驻极温度、驻极时间和滤袋材质对以上划分的3个区域内表面初始静电势及其衰减特性的影响规律.在此基础上,对最优驻极工艺条件下得到的驻极针刺毡滤袋捕集效率、压差特性进行评估.研究结果对于袋式除尘器用针刺毡滤袋驻极理论及工程应用具有一定的指导意义.
1 实验材料与方法1.1 实验材料实验所用针刺毡滤袋材质分别为聚苯硫醚纤维(PPS)、聚四氟乙烯纤维(PTFE)、聚酰亚胺纤维(P84)、芳纶纤维(Aramidfiber)、涤纶纤维(Terylene)、玻璃纤维(Glassfiber)及亚克力纤维(PMMA),以上7种滤袋由东北大学滤料检测中心提供,且使用前均已进行异丙醇浸泡去电荷实验(IPA)[12]以保证其初始表面静电势为零.表 1给出了实验所用针刺毡滤袋基本参数,其中体积/表面比电阻、厚度、克重分别由LFY-406型织物表面比电阻测试仪、YG(B)141D数字式织物厚度仪以及BT224S型分析天平测定.
表 1(Table 1)
表 1 滤袋基本参数Table 1 Specification parameters of bag filters
| 表 1 滤袋基本参数 Table 1 Specification parameters of bag filters |
1.2 实验方法图 1给出了单针-板电极电晕驻极装置,驻极处理时将针刺毡滤袋中心置于针电极正下方处,利用负直流高压电源(ZGF-100 kV/10 mA)对针电极施加不同的驻极电压,硅胶加热板可调控不同的驻极温度.图 2给出了滤袋表面静电势测量区域划分示意图.前人研究表明,放电电极有效作用横向区间大约等于针-板间距[13].因此,本实验选取驻极高度2 cm,滤袋上表面积5 cm×5 cm,将滤袋表面网格化细分为驻极核心区域1、中间区域2及边缘区域3,分别研究驻极电压(5起晕,8,11,14,17及20击穿 kV)、驻极温度(10,50,100,150 ℃)、驻极时间(5,10,20 min)和滤袋材质对各个区域内表面初始静电势及其衰减特性的影响规律.驻极滤袋表面电荷密度与表面静电势呈线性关系[10],故通过测量表面静电势也可反映材料表面电荷密度大小.本文采用SIMCO-FMX-003静电测试仪测量驻极滤袋表面静电势变化情况.
图 1(Fig. 1)
图 1 电晕驻极装置Fig.1 Setup of corona electret |
图 2(Fig. 2)
图 2 滤袋表面静电势测量区域划分示意图Fig.2 Schematic diagram of measurement area division of the surface electrostatic potential of bag filters |
2 结果与讨论2.1 驻极电压图 3给出在驻极温度10 ℃,驻极时间10 min条件下,滤袋各区域(1,2,3)表面静电势随驻极电压的变化关系.
图 3(Fig. 3)
图 3 驻极电压对滤袋不同区域表面静电势的影响Fig.3 Effect of electret voltage on the surface electrostatic potential of different areas of bag filters |
由图 3可以看出,在相同驻极电压条件下,滤袋表面各区域静电势呈现出由驻极核心区域1向驻极边缘区域3逐渐递减的分布规律.此外,各区域表面静电势随驻极电压的变化规律也各不相同.对于驻极核心区域1,滤袋表面静电势首先随着驻极电压的升高(5~11 kV)而增大,这是由于驻极电压越高,电场强度越强,带电离子获得更高的能量使其迁移到介质表面并被陷阱俘获,随后与介质材料间发生的电荷转移使得表面静电势升高.当驻极电压继续升高至14 kV时,滤袋表面静电势几乎没有发生明显变化,这是由于电晕场对带电离子激发的束能有限[14],使得电荷仅能沉积于介质材料表面或近表面,由于表面或近表面介质陷阱有限且已被沉积电荷充满并达到饱和状态,故随着驻极电压的升高滤袋表面静电势不再显著提升.随着驻极电压进一步升高到17 kV时,滤袋表面静电势出现降低,这是由于表面陷阱电荷发生体内运输[15-16]注入到介质体内,在自建电场的作用下向接地电极迁移,致使表面电荷密度减少即表面静电势降低.而当驻极电压为20 kV时,滤袋表面静电势的大幅降低则应主要归因于电压击穿造成的电子散逸,导致材料表面静电荷量的迅速减少.对于驻极中间区域2,当驻极电压持续增大到11 kV时,滤袋表面电荷密度基本达到饱和状态,相比于区域1,此区域内带电离子数目较少,故当电压进一步增大到17 kV,滤袋表面并未出现降低,这可能是由于电晕充电电流与介质表面电荷注入体内的泄漏电流达到平衡状态,使得表面静电势未出现明显变化.对于驻极边缘区域3,除电压击穿(20 kV)造成的电子逸散外,滤袋表面静电势随着驻极电压的升高而持续增大,这主要是由于滤袋边缘区域3存在的带电离子数目或介质陷阱俘获的离子数目较少,即使在较高的驻极电压条件下,区域3表面电荷密度仍未达到饱和状态,故并未发生上文提到的电荷注入及体内运输式的电荷衰减行为.
图 4给出了不同驻极电压(5,8,11,14,17,20 kV)滤袋各区域(1,2,3)表面静电势随时间的衰减变化.
图 4(Fig. 4)
图 4 不同驻极电压条件下滤袋表面静电势随时间衰减关系Fig.4 Surface electrostatic potential decay of bag filters with time under different electret voltage conditions |
由图 4可以看出,在稳定驻极电压(8~14 kV)条件下,放置24 h后不同驻极电压滤袋相同区域表面静电势衰减幅度:8 kV < 11 kV < 14 kV,相同驻极电压滤袋不同区域表面静电势衰减幅度:区域3 < 区域2 < 区域1.以上实验结果均表明滤袋经驻极处理后其初始表面静电势越高则电势衰减速度越快,这主要是由于初始表面静电势越高,在介质表面和内部建立起的电场越强,进而加快了表面电荷脱陷和体内电荷输运两种电荷衰减方式,故表面静电势的衰减速度也就更快.除以上两种电荷衰减方式外,表面传导[17]与气体中和[18]两种方式也对滤袋表面静电势衰减起到了一定的作用,但由于实验湿度条件较低(~15%),后两种衰减方式并未起主导作用.而对于不稳定驻极电压(17~20 kV)条件下,放置24 h后滤袋3个区域的表面静电势均已完全衰减.此外,对于所有驻极电压条件下得到的电晕驻极滤袋,放置180 h后其表面静电势几乎衰减殆尽.
2.2 驻极时间图 5给出了驻极温度10 ℃,驻极电压11 kV条件下,滤袋各区域(1,2,3)表面静电势随驻极时间的变化关系.
图 5(Fig. 5)
图 5 驻极时间对滤袋不同区域表面静电势的影响Fig.5 Effect of electret time on the surface electrostatic potential of different areas of bag filters |
由图 5可以看出,在相同驻极时间条件下,滤袋表面各区域静电势分布不均,呈现出由驻极核心区域1向驻极边缘区域3逐渐衰减的分布规律.此外,区域1表面静电势随驻极时间的变化规律与区域2和区域3不同.对于驻极核心区域1,滤袋表面静电势随着驻极时间的延长而增加,这是由于聚合物材料的表面陷阱可捕捉带电离子成为表面电荷,随着驻极时间的增加,更多的电子和离子被表面陷阱俘获,使得滤袋表面电荷密度增大即电势升高.然而,由前文实验结果可知,当驻极电压为11 kV时,滤袋驻极核心区域1表面电荷密度已基本达到饱和状态,故即使驻极时间由5 min提升至20 min,其表面静电势仍然仅提高了约0.4 kV,提升幅度较小.对于区域2及区域3,驻极时间对于其表面静电势几乎没有影响,这主要是由于在不改变驻极电压的条件下,由电晕放电场附近产生的带电离子数目变化较小,且带电离子能够获得的能量也不会随着驻极时间的延长而产生较大的提升,故距离放电电极较远的区域2及区域3内表面电荷密度受驻极时间影响较弱,即两区域内表面静电势随着驻极时间的延长未出现明显提高.
图 6给出了不同驻极时间(5,10,20 min)滤袋各区域(1,2,3)表面静电势随时间衰减的变化关系.
图 6(Fig. 6)
图 6 不同驻极时间条件下滤袋表面静电势随时间衰减关系Fig.6 Surface electrostatic potential decay of bag filters with time under different electret time conditions |
由图 6可以看出,对于不同驻极区域,放置24 h后相同驻极时间滤袋表面静电势衰减幅度基本遵从如下规律:区域3 < 区域2 < 区域1,需要指出的是,由于驻极时间5 min较短,边缘区域3表面静电势24 h后已完全衰减,并不满足上述规律.对于相同驻极区域,放置24 h后滤袋表面静电势衰减幅度随着驻极时间的延长而减小.此外,相比于不同驻极电压滤袋180 h后表面静电势完全衰减的实验结果,不同驻极时间滤袋放置180 h后其表面仍有部分残存电势,且残存电势(电荷量)随着驻极时间的延长而增多,残存表面静电势:区域3 < 区域2 < 区域1.以上实验结果表明延长驻极时间虽然对滤袋初始表面静电势提升幅度不大,但对于减弱其表面静电势衰减幅度有一定作用.这是因为材料表面电位陷阱有限,在驻极实验初始阶段,绝大多数表面陷阱已被带电离子快速填充,导致滤袋表面静电势增量对于驻极时间敏感度较低;然而,随着驻极时间的增加,带电粒子将向两极分离,使得外界电荷也可能注入介质内的陷阱中而形成永久性电荷[19],这就使得驻极滤袋中的电荷稳定性得到提升.
2.3 驻极温度图 7给出了驻极电压11 kV,驻极时间10 min条件下,滤袋各区域(1,2,3)表面静电势随驻极温度的变化关系.
图 7(Fig. 7)
图 7 驻极温度对滤袋不同区域表面静电势的影响Fig.7 Effect of electret temperature on the surface electro static potential of different areas of bag filters |
由图 7可以看出,在相同驻极温度条件下,滤袋表面各区域静电势分布不均,呈现出由驻极核心区域1向驻极边缘区域3逐渐衰减的分布规律.但是,各区域表面静电势随驻极温度的变化规律相同,不同于驻极电压及时间对区域1表面静电势提升幅度最大的实验结果,滤袋各区域表面静电势随着驻极温度升高而增大的幅度:区域1 < 区域2 < 区域3.根据希格蒙德定理(公式(1)),当驻极温度升高时,离子布朗运动加剧,热运动速率和离子迁移率增加,使得带电离子能被区域2及区域3内的表面陷阱所俘获的概率增大.由前文实验结果可知,当驻极温度10 ℃时,滤袋驻极核心区域1表面电荷已基本达饱和状态,即绝大多数表面陷阱已被带电离子填充,故随着驻极温度的升高其表面静电势提升幅度低于区域2及区域3.对于驻极温度为150 ℃时,滤袋表面静电势的大幅降低仍归因于较高温度条件下的电压击穿造成了电子散逸.以上实验结果表明增加驻极温度对于提升非驻极核心区域的表面静电势效果明显.
(1) |
图 8给出了不同驻极温度(10,50,100,150 ℃)滤袋各区域(1,2,3)表面静电势随时间的衰减关系.
图 8(Fig. 8)
图 8 不同驻极温度条件下滤袋表面静电势随时间衰减关系Fig.8 Surface electrostatic potential decay of bag filters with time under different electret temperature conditions |
由图 8可以看出,对于不同驻极区域,放置24 h后相同驻极温度滤袋表面静电势衰减幅度:区域3 < 区域2 < 区域1;对于相同驻极区域,放置24 h后滤袋表面静电势衰减幅度随着驻极温度的延长而增大.此外,放置180 h后较高驻极温度条件下得到的驻极滤袋表面静电势均已衰减殆尽,而较低驻极温度条件下得到的驻极滤袋表面仍有部分残存电势.以上实验结果表明驻极温度虽然对滤袋非核心驻极区域表面静电势提升效果明显,但对于其表面静电势稳定性有一定的负面作用,这主要是因为在较高驻极温度条件下,已经被介质表面陷阱所捕获的电荷可能会通过热激发而产生脱陷.根据普尔-弗兰凯尔效应[20]在电荷脱陷过程中的影响作用, 表面陷阱电荷的脱陷概率Pde可如式(2)所示.由式(2)可以看出,随着介质温度(驻极温度)的升高,其表面陷阱电荷的脱陷概率增大,即较高驻极温度条件下,滤袋表面电荷稳定性较差.
(2) |
2.4 滤袋材质图 9给出了相同驻极条件下,7种典型滤袋初始表面静电势及其随时间衰减的变化关系.
图 9(Fig. 9)
图 9 不同材质驻极滤袋表面静电势随时间衰减关系Fig.9 Surface electrostatic potential decay of different bag filters with time |
由图 9可以看出,各种滤袋驻极处理后初始表面静电势排序:涤纶>芳纶>P84>亚克力>PPS>玻纤>PTFE;放置1 d后表面静电势衰减幅度:芳纶>亚克力>涤纶>P84>PPS>玻纤>PTFE;放置7 d后,表面静电势衰减幅度:PPS>玻纤>PTFE,其余4种滤袋表面静电势已完全衰减.以上实验结果表明经过相同驻极条件处理后,虽然PTFE滤袋初始表面静电势较低,但其表面静电势衰减幅度最小,电荷留存能力最好,更能适用于工业实际应用.从分子结构角度来看,氟是自然界中最活泼的元素之一,氟碳化合物是已知化合物中原子基团连接最坚固的一种,PTFE具有的C—F键合能UC—F高达393 kJ/mol,这是对捕获电荷表现出高稳定性的结构根源[11].通常来说,驻极体的原材料需要具备优异的介电性能,如较高的比电阻和介电常数、低吸湿性.滤袋自身的一些基本参数对其驻极后表面初始静电势及其衰减特性的影响十分复杂,是多因素耦合作用的共同结果,如表 1所示,滤袋初始表面静电势会随着厚度的增加而提高[21].此外,介质材料相对介电常数越小,体电阻率越小,体电导率越大,其表面静电势衰减也越快,这是由于较大的体电导率将在介质体内引发更大的传导电流密度和更快的电荷输运过程[10].
2.5 过滤特性图 10给出了电晕驻极处理针刺毡滤袋放置不同时间后捕集效率的变化关系.
图 10(Fig. 10)
图 10 电晕驻极滤袋捕集效率Fig.10 Collection efficiency of bag filters charged by corona electret |
由图 10可以看出,电晕驻极处理可以显著提高针刺毡滤袋的捕集效率,滤袋驻极处理后对颗粒物测试全粒径尺寸计数捕集效率均已高于95%,特别是对于亚微米颗粒物捕集效率提升效果尤其明显,例如对于0.3及0.5 μm粒径颗粒物,效率提升幅度高达28.79%及18.14%.根据驻极体电荷的来源和性质,驻极体材料中的电荷可分为空间电荷和极化电荷两类.采用电晕驻极使材料携带空间电荷为主,其主要是从介质外面经施加的电场推斥,沉积到介质表面或注入到介质表层一定深度,被介质表面或内部的各种陷阱捕获的带电粒子(如电子、离子等).由于极化处理后纤维周围空间电荷形成了静电场在气体过滤中产生了静电吸附作用,能直接吸引气体中带异性电荷的颗粒物,或者诱导中性颗粒物产生极性(偶极子)而被捕获,两者之间的极化力大大增强了静电捕集效率[22].
对于驻极体纤维滤料的静电衰减机理主要可总结为两种解释:静电中和作用和静电屏蔽作用.纤维材料与空气进行电荷交换或中和,带电颗粒物沉积到纤维表面也会中和纤维上的静电荷.由图 10还可以看出,针刺毡驻极滤袋放置24 h后,其捕集效率随着表面静电势衰减而降低,例如对于0.3,0.5,1.0及2.5 μm粒径颗粒物,捕集效率分别降低了2.83%,1.17%,0.37%及0.13%;由于滤袋本身对于较大粒径颗粒物机械捕集效率已接近100%,故静电吸附作用的衰减对于5.0及10.0 μm粒径颗粒物的总捕集效率未见明显降低.由图 4,图 6,图 8及图 9可知,驻极针刺毡滤袋放置180 h后,其表面静电势衰减殆尽,故其捕集效率与未驻极滤袋已基本相同.由表 2可以看出,驻极处理后针刺毡滤袋压差、透气度及厚度几乎保持不变.因此,电晕驻极处理可在提高针刺毡滤袋捕集效率的同时而不对压差特性产生负面影响.
表 2(Table 2)
表 2 驻极处理对于滤袋阻力特性的影响Table 2 Effect of electret treatment on the pressure drop of bag filters
| 表 2 驻极处理对于滤袋阻力特性的影响 Table 2 Effect of electret treatment on the pressure drop of bag filters |
3 结论1) 驻极核心区域初始表面静电势随着驻极电压的升高而增大,当达到饱和荷电后逐渐减小直至电晕放电装置达到击穿电压时达到最小值;中间区域初始表面静电势随着驻极电压的升高而增大,达到饱和荷电后趋于保持稳定;边缘区域初始表面静电势随着驻极电压的升高而持续增大.驻极滤袋初始表面静电势越高则电势衰减速度越快.
2) 驻极核心区域初始表面静电势随着驻极时间的延长而增大,但增长幅度较小,其对于非核心区域初始表面静电势几乎没有影响.延长驻极时间能使表面电荷注入介质内部形成永久电荷,使得表面静电势衰减速度降低.
3) 驻极温度对滤袋非核心驻极区域表面静电势提升效果更加明显,但较高驻极温度使得表面电荷发生热激发脱落,导致表面静电势衰减速度加快.
4) 聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、芳纶纤维、涤纶纤维、玻璃纤维及亚克力纤维7种典型袋式除尘器用滤袋经过驻极处理后,聚四氟乙烯表现出最优异的抗静电衰减能力,更适用于严苛的工业烟尘控制领域.
5) 电晕驻极处理可在显著提高针刺毡滤袋捕集效率的同时而不对压差特性产生负面影响.其对于0.3及0.5 μm颗粒物捕集效率提升效果尤其明显,提升幅度高达28.79%及18.14%.
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