靜電荷電和極化協(xié)同增強(qiáng)的新型過濾纖維
作者：2015級本科生 夏凡軒 建筑學(xué)院 建筑技術(shù)科學(xué)系
指導(dǎo)老師：莫金漢 建筑學(xué)院 建筑技術(shù)科學(xué)系
關(guān)鍵詞：靜電極化、顆粒物、纖維、高效、節(jié)能
摘要
面對我國目前嚴(yán)峻的顆粒物污染形勢，本項(xiàng)目致力于研制一種靜電荷電和極化協(xié)同增強(qiáng)的新型空氣過濾纖維，并制成過濾裝置，使對0.3µm顆粒物原本過濾效率只有3%的粗效濾網(wǎng)變成效率90%以上的亞高效過濾器。本裝置可直接安裝于風(fēng)機(jī)盤管末端被其帶動(dòng)，鑒于風(fēng)機(jī)盤管在我國建筑中的廣泛使用，該裝置一經(jīng)推廣，可為上億平米建筑面積提供無動(dòng)力空氣凈化，營造健康、綠色、節(jié)能的生活方式。
一、背景
1.1我國顆粒物污染形勢嚴(yán)峻
2017年北京PM2.5年平均濃度雖降至58µg/m3，仍遠(yuǎn)高于WHO推薦的標(biāo)準(zhǔn)限值（年平均15µg/m3）。
圖1我國PM2.5濃度分布（2017年12月23日）
微生物污染也會粘附在顆粒物上進(jìn)行傳播。微生物污染對人體健康的威脅更致命。
1.2中國建筑風(fēng)機(jī)能耗大
我國公共建筑通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)能耗約占公建總能耗的20%-30%，目前中國的公建面積保有量超25億m2，年風(fēng)機(jī)能耗近0.7億噸標(biāo)煤，超過三峽水電站一年的發(fā)電量。我國公建面積每年新增超5000萬m2，故風(fēng)機(jī)能耗還會持續(xù)增長。
1.3研究目的
本項(xiàng)目擬開發(fā)一種用于靜電荷電和極化協(xié)同增強(qiáng)的新型過濾纖維，制作一個(gè)使用該纖維的過濾裝置。預(yù)期對細(xì)顆粒物有90%以上的過濾效率；阻力低至12Pa以下，可直接放于風(fēng)機(jī)盤管末端實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力空氣凈化。
二、原理
2.1靜電荷電和極化協(xié)同增強(qiáng)過濾機(jī)理
裝置先將來流空氣中的顆粒物經(jīng)靜電放電帶上電荷，同時(shí)將濾網(wǎng)極化使其表面產(chǎn)生極化電荷，在靜電作用下，顆粒物就會被濾網(wǎng)捕獲。
圖2纖維經(jīng)極化后捕獲顆粒物過程
2.2纖維負(fù)載高介電常數(shù)顆粒后的過濾機(jī)理
本項(xiàng)目研制的新型纖維是在原有粗效濾網(wǎng)纖維的基礎(chǔ)上負(fù)載高介電常數(shù)的鈦酸鋇顆粒，使纖維在極化時(shí)對電場的感應(yīng)程度增強(qiáng)，表面電荷密度增加，產(chǎn)生的有效電場范圍擴(kuò)大。顆粒物更易被這種纖維捕獲，在低阻力的前提下提高效率，使原有的粗效濾網(wǎng)變成亞高效濾網(wǎng)。
圖3負(fù)載高介電常數(shù)顆粒后纖維經(jīng)極化捕獲顆粒
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1高速攝像下單根纖維對顆粒物的作用
對單根纖維顆粒物沉積過程進(jìn)行403fps的高幀數(shù)顯微拍攝：不加電場時(shí)，觀察不到纖維有明顯攔截作用；加5KV的電場時(shí)，顆粒物會加速甚至轉(zhuǎn)向被“吸附”到纖維上，就算流過也會被反向“吸引”到纖維上，在僅有一根纖維的情況下展示了很好的過濾效果。
圖4.負(fù)載高介電常數(shù)鈦酸鋇的纖維捕獲顆粒物的顯微過程
（a）不加電場（b）加5KV電場
3.2新型濾網(wǎng)和樣機(jī)制作
圖5負(fù)載鈦酸鋇的新型濾網(wǎng)制備過程
將聚氨酯粗效濾網(wǎng)作為基材，并將鈦酸鋇粉末與粘合劑按照一定的比例混合加水?dāng)噭?，倒在濾網(wǎng)上進(jìn)行壓制，經(jīng)80度烘干即可得到負(fù)載鈦酸鋇顆粒的新型濾網(wǎng)。
圖6.樣機(jī)制作
3.3性能測試
在相同的10kV放電，20kV極化的情況下，搭載了高介電常數(shù)鈦酸鋇的新型濾網(wǎng)相比于原本的聚氨酯粗效濾網(wǎng)，效率由80%提升到90%以上，且有提升的空間；阻力很低，約為5Pa，能實(shí)現(xiàn)低阻高效過濾的目標(biāo)。
圖7加載鈦酸鋇顆粒前后濾網(wǎng)效率對比
新型濾網(wǎng)的效率能長期維持在很高的水平。當(dāng)效率稍有下降時(shí)，對濾網(wǎng)進(jìn)行簡單的水洗，就能使效率恢復(fù)到原來的水平，且能維持同樣長的時(shí)間。表明這種濾網(wǎng)有很好的可再生性、節(jié)能環(huán)保。
圖8新型濾網(wǎng)長期效率測試結(jié)果
四、經(jīng)濟(jì)性分析和應(yīng)用前景
經(jīng)濟(jì)性上，靜電荷電和極化協(xié)同增強(qiáng)的新型空氣過濾纖維造價(jià)低，價(jià)格約25元/平方米，遠(yuǎn)低于300元/平方米的高效過濾器；可再生性好，簡單水洗后可維持效率不變重復(fù)使用；裝置的放電模塊和極化模塊均為銅針和銅板，價(jià)格約50元；運(yùn)行時(shí)功率極低，實(shí)測為10W，長期運(yùn)行電耗低。
