“室内空气环境质量控制”天津市重点实验室建造环境（BERL）课题组在中科院一区Top期刊《Building Simulation》（影响因子IF：5.9）上发表了最新研究成果，基于超疏水表面设计的静电过滤器，实现颗粒物捕集性能的高效恢复。

1. 题目

基于超疏水表面设计的静电过滤器实现颗粒物捕集性能的高效恢复

A novel electrostatic precipitator with superhydrophobic coating for enhanced particulate removal efficiency restoration

该研究获得“十四五”国家重点研发计划 “大气专项”项目（NO. 2022YFC3702803）资助。

2.作者

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

3.研究亮点

•提出了一种基于超疏水表面设计的静电过滤器；

•基于超疏水表面设计的静电过滤器对0.3-0.5μm颗粒的捕集效率为92.5%；

•清洗后，基于超疏水表面设计的静电过滤器对0.3-0.5μm颗粒的捕集效率可以恢复到初始效率的99.7%。

4.研究背景

静电过滤器（ESPs）具有低阻、可清洗性和重复使用性，不仅具有可持续循环利用的低碳属性，同时使其在建筑物中具有成本效益和低维护选择。然而，传统ESP对亚微米颗粒物（PM）的捕集效率较低。此外，ESP的集尘极在PM积聚后可能会经历颗粒排斥和电击穿，导致捕集效率降低并构成安全隐患。为了有效解决静电击穿并进一步提高ESP的捕集效率，集尘极表面涂覆绝缘材料提高击穿电压并缩小极板间距的方法已被广泛应用。尽管减小集尘极间距可以显著提高ESP的捕集效率，但在清洁后，PM捕集效率往往无法完全恢复。此外，在清洗短间距的集尘极后，由于水的表面张力，集尘极表面需要较长时间才能完全干燥并继续使用。考虑到ESP的可清洗性和重复使用性是其显著优势之一，在将ESP长期应用于室内空气净化之前，开发新的解决方案以实现短间距的ESP有效清洁显得尤为重要。

在本研究中，提出了一种基于超疏水表面设计的静电过滤器，以有效地清洁沉积在集尘极表面的PM。考虑了其初始性能、清洗后性能和重复使用性提出了一种新的ESP技术，可以实现良好的可清洗性和重复使用性。

5.主要成果

5.1超疏水涂层的制备方法

如图1所示，将制备的疏水性H-SiO₂填料与PVDF均匀混合后，采用喷涂方法制备出均匀的超疏水涂层。

图1 超疏水涂层合成流程示意图

5.2涂层润湿性

图2a展示了水滴在PVDF/H–SiO₂(1.0)涂层表面上的垂直运动情况。水滴能够完全从表面被弹起，且未在表面留下黏附痕迹，表明PVDF/H–SiO₂(1.0)涂层表面与水滴之间的动态相互作用较弱（视频1）。相比之下，水滴无法从PVDF涂层表面弹起（视频2）。在不同填料含量的涂层水接触角（WCA）和滚动角（WSA）测试中（图2c），PVDF涂层表现出较低的WCA（87.6°）和较高的WSA（31.1°）。随着H–SiO₂填料含量的增加，涂层的WCA先升高后下降，而WSA则先降低后升高。当H–SiO₂与PVDF比为1:1时，涂层的WCA和WSA分别达到最大值152.4°和最小值5.6°。这是因为PVDF/H–SiO₂(1.0)涂层表面形成了具有典型超疏水特征的纳米结构。而当H–SiO₂填料含量过高时，由于填料团聚，导致WCA下降。

图2.（a）PVDF/H–SiO₂(1)涂层表面水滴垂直运动的图像；（b）pH = 1、pH = 13 和 2 M NaCl 溶液在PVDF/H–SiO₂(1)涂层表面的图像；（c）不同填料含量涂层表面的WCA和WSA；（d）涂层在 pH 1、pH 13、2 M NaCl 溶液浸泡1小时后，以及在95°C和5°C水中处理1小时后的WCA和WSA；（e）涂层经过砂纸摩擦循环后的WCA和WSA；（f）涂层经水流冲刷后的WCA和WSA。

涂层的化学稳定性、耐磨性和抗冲击性对于其实际应用至关重要。图2b和2d展示了PVDF/H–SiO₂(1.0)涂层在pH 1、pH 13、2 M NaCl溶液、95°C热水和5°C冷水浸泡1小时后的WCA和WSA变化情况。尽管疏水性略有下降，涂层表面的WCA仍保持在150°以上，WSA仍低于10°，这归因于粗糙结构与液体之间存在的空气层，有效阻止了腐蚀性液体的侵入。此外，图2e表明，随着摩擦循环次数的增加，WCA逐渐下降而WSA上升。图2f显示，随着水流冲刷时间的延长，WCA降低而WSA升高。上述结果表明，PVDF/H–SiO₂(1.0)涂层具有优异的化学稳定性、耐磨性和抗冲击性能。

视频1. PVDF/H–SiO₂(1)涂层表面水滴垂直运动

视频2. PVDF涂层表面水滴垂直运动

5.3颗粒物捕集效率

本研究选用PVDF/H–SiO₂(1.0)涂层用作集尘极表面，因为其具有最大的WCA。如图3所示，采用PVDF/H–SiO₂涂层的集尘极对0.3–3.0 μm颗粒的捕集效率随电压的增加而提高。当电压从1 kV升高至6 kV时，0.3–0.5 μm、0.5–1.0 μm和1.0–3.0 μm颗粒的捕集效率分别由42.6%、45.2%和54.8%提升至92.5%、95.8%和96.4%。

图3基于超疏水表面设计的静电过滤器对PM捕集效率

5.4清洁性和重复使用性

集尘极表面沉积的PM会影响ESP的颗粒物捕集效率，因此需要通过清洗来恢复其性能。基于此，比较了不同集尘极的可清洗性与重复使用性。如图4所示，集尘极表面负载颗粒物后，涂覆PVDF涂层、PVDF/H–SiO₂涂层及没有涂层的集尘极，其颗粒物捕集效率均出现不同程度的下降。颗粒物负载后捕集效率下降的原因在于：沉积在集尘极表面的颗粒物形成了一层绝缘层，降低了集尘极之间的电场强度（图5a）。因此，定期清洗对于维持ESP的高效捕集性能是非常必要的。

图4. 具有不同集尘极ESP的颗粒物捕集效率

此外，当集尘极表面沉积的颗粒物被清洗去除后，其颗粒物捕集效率得到了提升（图4）。清洗后，涂覆PVDF/H–SiO₂(1.0)涂层的集尘极对0.3–0.5 μm颗粒物的捕集效率可恢复至初始效率的99.7%；如图5b所示，水滴落在涂有PVDF/H–SiO₂(1.0)涂层的集尘极表面时可将颗粒物卷起并清除干净（视频3）。相比之下，对于PVDF涂层或没有涂层的集尘极，颗粒物残留在集尘极表面，无法被彻底清除（视频4和5）。总的来说，超疏水涂层可以应用于ESP的集尘极，在实际可清洁性方面具有优势。

图5：（a）颗粒物在集尘极上沉积的示意图和实物照片；（b）基于超疏水表面设计的集尘极清洗过程的示意图和实物照片；（c）带有PVDF涂层的集尘极清洗过程的示意图和实物照片；（d）没有涂层（裸铝板）集尘电极清洗过程的示意图和实物照片。

视频3. 基于超疏水表面设计的集尘极

视频4. 具有PVDF涂层的集尘极

视频5. 没有涂层（裸铝板）的集尘极

6.结论

本研究开发了一种基于超疏水表面设计的静电过滤器，其对0.3–0.5 μm颗粒物的捕集效率为92.5%。经过清洗后，该效率可恢复至初始值的99.7%，展现出良好的可再生性能。

本文引用格式：C. H. Wang, C. Z. Yan, Z. Y. Zhang, J. J. Liu, X. Han, (2025). A novel electrostatic precipitator with superhydrophobic coating for enhanced particulate removal efficiency restoration, Building Simulation. https://doi.org/10.1007/s12273-025-1299-6

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稿件编辑：王晨华

稿件审核：刘俊杰、田媛