“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境(BERL)课题组在JCR Q1期刊《ACS ES&T Engineering》（影响因子IF：7.5）上发表了最新研究成果，具有超疏水涂层的静电过滤器实现了亚微米颗粒的高效过滤

一、 题目：具有超疏水涂层的静电过滤器高效过滤亚微米颗粒物

Electrostatic Precipitator with a Superhydrophobic Coating for Efficient Filtration of Submicron Particles

二、 作者

Chenhua Wang^a（王晨华）, Chengzheng Yan^b（闫辰政）, Junjie Liu^a（刘俊杰、通讯作者）, Zhiyang Zhang^b （张挚洋）, Xu Han^b（韩煦、通讯作者）

^a“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室，天津大学环境科学与工程学院

^b 天津大学化工学院

 

三、 研究亮点

•提出了一种具有超疏水涂层的静电过滤器；

•具有超疏水涂层的静电过滤器对0.3-0.5μm颗粒的过滤效率为96.5%；

•清洗后，具有超疏水涂层的静电过滤器对0.3-0.5μm颗粒的过滤效率可以恢复到初始效率的99.8%

 

四、 研究背景

当前，颗粒物（PM）污染已被证实与呼吸系统疾病、心血管疾病以及人口死亡率的升高密切相关。由于PM能够通过建筑围护结构渗透或借助通风系统进入室内，其对人体健康构成了长期且广泛的威胁。考虑到人们日常生活中大部分时间都在室内环境中度过，降低室内PM暴露水平对于保障公众健康具有重要意义。因此，迫切需要开发高效的PM去除技术，以有效降低室内空气中的颗粒物浓度。

为降低室内颗粒物（PM）对人体健康的影响，高效颗粒空气过滤器（HEPA）被广泛应用于减少室内PM暴露风险。然而，大多数HEPA过滤器存在较高的气流阻力，这不仅增加了系统的能耗和运行噪声，还可能影响空气流通效率。随着使用时间的延长，过滤器中颗粒物的积聚会进一步增加压降，迫使用户定期更换滤芯，从而增加了使用成本。对于家庭、学校和办公室等日常应用场景而言，这种方式在经济性和维护便捷性方面存在明显不足。因此，开发高效、节能、经济且用户友好的颗粒物去除技术，已成为一项迫切而必要的研究任务。静电除尘器（ESP）凭借其低气流压降、可清洗性和重复使用性，在建筑环境中展现出良好的成本效益和低维护需求，具有广阔的应用前景。然而，传统ESP在过滤亚微米颗粒物方面效率较低，限制了其在高精度空气净化中的应用。此外，随着颗粒物在收集电极上的不断积聚，易出现颗粒反弹与电击穿现象，不仅削弱了收集效率，还可能引发安全隐患，成为制约ESP性能提升的关键瓶颈。

为了有效解决静电击穿问题并进一步提升静电除尘器（ESP）的颗粒物（PM）过滤效率，采用绝缘材料作为收集电极并缩小极板间距以提高击穿电压的方法已被广泛研究与应用。尽管减小收集电极间距能够显著增强PM的捕集效率，但在清洗后，其过滤性能常难以完全恢复。此外，由于水的表面张力作用，短间距电极在清洗后表面干燥所需时间较长，限制了其快速恢复运行的能力。考虑到ESP具有可清洗和可重复使用的显著优势，在其推广应用于建筑通风系统等长期运行场景之前，亟需开发适用于短间距结构的高效清洁方案，以保障其长期稳定运行和维护便捷性。

本研究提出了一种结合超疏水涂层的新型静电除尘器（ESP）设计，旨在提升ESP对颗粒物（PM）的过滤效率，并实现对收集电极表面沉积颗粒物的有效清洁。研究系统地评估了该装置的初始除尘性能、清洗后的性能恢复情况以及在多次重复使用过程中的稳定性。结果表明，该方法不仅显著提高了PM去除效率，还赋予ESP良好的可清洗性与重复使用能力，为通风系统中ESP技术的优化提供了新的解决思路。

 

图1 具有超疏水涂层的静电过滤器

五、主要成果

1、涂层的润湿性

图2a展示了不同填料的涂层表面水接触角（CA）和滚动角（SA）。当添加BN填料后， PVDF/BN涂层的CA和SA分别为86.0°± 4.1°和38.7°± 3.7°。在引入H-SiO₂填料后，制备了疏水性PVDF/H-SiO₂涂层，其CA和SA分别为138.9°±2.4°和12.1±2.5°。当引入H-BN@SiO₂填料时，制备了PVDF/H-BN@SiO₂的超疏水涂层，水的CA和SA分别为151.8°±1.6°和5.0°± 2.0°。当同时引入H-BN@SiO₂和H-SiO₂填料时，水在PVDF/H-BN@SiO₂/H-SiO₂涂层上的CA提高至158.0°±1.1°，SA降低至2.1°±0.5°。

 

图2. (a) 水在涂层上的接触角和滚动角，（b）水在涂层上接触角的图像

2、涂层的形貌及润湿机理

为了更深入地了解涂层表面形貌与润湿性之间的关系，图3展示了PVDF/H-SiO₂、PVDF/H-BN@SiO₂和PVDF/H-BN@SiO₂/H-SiO₂涂层的表面形貌。如图3a所示，PVDF/H-SiO₂涂层的表面粗糙结构为纳米结构，通常具有疏水性。此外，H-BN@SiO₂填料在PVDF/H-BN@SiO₂涂层表面呈现为微/纳米结构，显著增加了涂层的粗糙度（图3b）。当H-BN@SiO₂微/纳米结构填料和H-SiO₂纳米结构填料同时加入时，微/纳米结构由H-BN@SiO₂提供，H-SiO₂填料的纳米结构则用于进一步增加涂层的粗糙度（图3c）。因此，在PVDF/H-BN@SiO₂/H-SiO₂涂层的表面形成了微/纳/纳米分级结构，进一步提高了水的接触角。

 

图3 涂层表面形貌：(a) PVDF/H-SiO₂, (b) PVDF/H-BN@SiO₂, and (c) PVDF/H-BN@SiO₂/H-SiO₂.

 

3、涂层耐久性能

图4展示了PVDF/H-BN@SiO₂/H-SiO₂涂层的耐久性能。图4a显示，随着水冲击时间的增加，CA下降，SA增加。涂层在20分钟后仍保持疏水性（CA = 150.7°，SA = 12.8°）。研究结果表明，具有微/纳/纳米结构的超疏水涂层具有优异的耐冲击性能。图4b显示，随着磨损周期的增加，CA逐渐下降，SA逐渐增大。涂层在150次磨损周期后仍能保持超疏水性（CA = 154.3°，SA = 6.3°）。这表明H-BN@SiO₂微/纳米填料有助于提高涂层的耐磨性，从而保护了保持超疏水性所需的粗糙结构。图4c展示了PVDF/H-BN@SiO2/H-SiO₂涂层在不同溶液中浸泡后的CA和SA，结果表明，经过1小时浸泡后，水的CA和SA均保持在150°以上和10°以下。产生这一现象的原因是，粗糙结构与液体之间存在一层空气层，从而有效防止了腐蚀性液体的侵蚀（图4d）。

 

图4. （a）水冲击后涂层表面水的CA和滑SA，（b）砂纸磨损周期后涂层表面水的CA和SA，（c）涂层在不同溶液中浸泡后的CA和SA，（d）涂层在腐蚀性液体中的照片和润湿机理图。

4、具有超疏水涂层的静电过滤器的颗粒物过滤效率

图5a显示了放电极电压对PM过滤效率的影响，表明PM过滤效率随着放电极电压的增加而增加。当施加电压为6 kV，收集电极间隙为2 mm时，随着放电极电压从8 kV增加到12 kV，0.3-0.5μm、0.5-0.0μm和1.0-3.0μm颗粒的过滤效率从87.3%、89.6%和91.9%增加到95.2%、96.4%和97.6%。原因是负离子浓度随着放电极电压的增加而增加。当放电极电压为10 kV，收集极电压从6 kV增加到8 kV时，0.3-0.5μm、0.5-1.0μm和1.0-3.0μm颗粒的过滤效率分别提高到96.5%、98.3%和98.9%（图5b）。

 

图5不同参数对具有超疏水涂层的静电过滤器颗粒物过滤效率的影响（a） 放电极电压的影响（b）收集极电压的影响

5、具有超疏水涂层和没有涂层的静电过滤器清洁性和可重复使用性

灰尘沉积在收集电极上会影响ESP的颗粒物去除性能。因此，通过模拟灰尘沉积和随后的清洁过程，来确定超疏水涂层作为功能性表面的可行性。此外，我们通过相同的容尘方法和清洁过程，比较了没有涂层的ESP（裸露铝板）的初始、容尘和清洗后的性能（图6a）。具有超疏水涂层和没有涂层的ESP的初始颗粒物去除效率分别为96.5%和51.5%，这一差异归因于最大击穿电压的不同。在灰尘沉积在收集电极表面后，颗粒物作为绝缘屏障，减少了收尘电极之间的静电力（图7a和d）。随着沉积的颗粒物逐渐增加，颗粒的迁移速度减慢，从而降低了过滤效率。因此，定期清洁对于维持ESP的高去除效率至关重要。

 

图6. 具有超疏水涂层和没有涂层的ESP的PM过滤效率。

此外，当集尘电极表面上沉积的颗粒物被冲走时，ESP的颗粒物去除效率得到提高（图6a）。具有超疏水涂层的ESP对0.3-0.5μm颗粒的过滤效率可以恢复到初始效率的99.8%，而没有涂层的ESP的效率恢复率为63.6%。当通过喷壶清洗具有超疏水涂层的收集极表面时，水滴落到收集电极表面后，灰尘被滚落，收集极表面变得干净（图7b和e）。相比之下，没有超疏水涂层的电极表面明显仍有灰尘沉积，并且无法彻底清洁（图7c和f），从而降低了清洁效率。进一步的，通过采用喷壶清洗的方法对比了具有超疏水涂层和没有涂层的收集极的清洁效率，视频1显示当通过喷壶清洗具有超疏水涂层的收集极表面时，水滴落到收集电极表面后，灰尘被滚落，收集极表面变得干净。视频2显示了没有涂层的电极表面在喷壶清洗后表面明显仍有灰尘沉积，在六次循环实验后，具有超疏水涂层的ESP的去除效率没有实质性下降（图6b）。总的来说，超疏水涂层可以应用于ESP的收集电极，在实际可清洁性方面具有优势。

 

图7（a）收集电极上PM沉积示意图，（b）具有超疏水涂层的收集电极清洁过程示意图，（c）没有涂层（裸铝板）收集电极清洁过程示意图，（d）收集电极上PM积累的照片，（e）涂有超疏水涂层的收集电极清洁过程的照片，（f）未涂层（裸铝板）收集电极清洁过程的照片

 

视频1 Spray cleaning method to clean ESP with coating

视频2 Spray cleaning method to clean ESP without coating

本文引用格式：C. H. Wang, C. Z. Yan, J. J. Liu, Z. Y. Zhang, X. H, Electrostatic Precipitator with a Superhydrophobic Coating for Efficient Filtration of Submicron Particles, ACS ES&T Engineering. DOI: 10.1021/acsestengg.4c00862

 

稿件编辑：王晨华

审核人：刘俊杰

田媛

于欣宇