郭军团，曾毅夫，叶明强，周益辉，何 淼，高 博

（凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100）

荷电水雾技术对城市PM2.5的治理

郭军团，曾毅夫，叶明强，周益辉，何 淼，高 博

（凯天环保科技股份有限公司，长沙 410100）

综述了荷电水雾技术的荷电方式、对PM2.5的治理机理以及影响因素，分析了荷电水雾目前的应用现状，指出利用荷电水雾治理PM2.5颗粒物的关键点，及对城市PM2.5治理的意义。

雾霾；荷电水雾；细颗粒物

引言

近年来，我国城市雾霾天气越来越严重，对公众健康和生活造成了严重影响，PM2.5含量过高是导致雾霾天气的主要原因。PM2.5是指大气中空气动力学直径小于或等于2.5μm的颗粒物，其主要来源为燃煤、机动车排放、建筑尘、扬尘、生物质燃烧、二次硫酸盐和硝酸盐及有机物。PM2.5能长期悬浮于大气环境中，具有很大的比表面积，易于富集多环芳香烃、苯类、病毒和细菌等有毒有害物质；PM2.5又称为可入肺颗粒物，能够进入人体肺泡甚至血液循环系统，一旦在人体呼吸系统沉积将会造成严重危害。

目前对于室外大空间的细颗粒物的去除是环境保护领域的难点，尚缺乏可靠的技术方案，而荷电水雾技术为室外环境降尘方案提供了新思路[1]。荷电水雾的液滴平均粒径细小、尺寸分布均匀、粒径谱较窄、颗粒不易聚集并导向控制，液滴在荷电后可增强液滴与颗粒之间的镜像力和库仑力，提高对细颗粒物的吸附效率。通过研究荷电水雾降尘规律，对改善和开发新型水雾降尘系统、抑制城市环境空气粉尘污染和改善空气质量具有重要的应用价值和意义。

1 荷电水雾技术的研究现状

荷电水雾降尘属于后处理技术的研究范畴，研究工作开展得相对较晚，且主要集中在工业生产、消防等领域，目前的研究主要在单液滴的吸附特性和工业领域的降尘效果方面。

L.F.Gaunt[2]等采用荷电水雾对室内颗粒物的治理效果进行了实验研究，结果表明荷电水雾可以明显降低颗粒物的浓度，有效改善室内空气质量。

Jaworek[3]课题组进行了多项关于荷电液滴捕集细颗粒物的实验研究，发现水雾荷电能明显提高细颗粒物的脱除率，尤其是液滴和颗粒带异性电荷时能显著提高对细颗粒物的脱除效果，研究结果显示荷电水雾对1μm以下细颗粒物的去除效率可达80%～90%。

在工业领域，众多学者分别从理论和实验的角度对喷雾降尘效果进行了分析和总结：含尘气流绕过雾滴时，尘粒由于惯性会从绕流的气流中偏离而与雾滴相撞从而被捕捉，其被捕捉的机率与雾滴直径有关。当雾滴直径与尘粒直径相近时，雾滴更易捕捉到尘粒。2010年，李庆、孙晓荣[4]等对雾化电晕放电进行了实验研究，证实将雾化电晕放电应用于降尘领域来提高微细

粉尘的捕集效率是可行的。

以上研究表明：基于荷电水雾的特性，关于荷电水雾的理论与工业应用研究已经开展，相关学者从不同角度对荷电水雾去除细颗粒物的效率进行了研究，对下一步的工作具有重要指导意义。因此，在实际产品开发中，应用荷电水雾技术去除PM2.5颗粒物的研究也有现实意义。

2 荷电水雾的相关理论

2.1 荷电水雾的荷电方式

水雾带电通常有两种类型：1）由液滴本身的作用（流动、分裂、运动以及蒸发等现象）而导致的自然生成的电荷；2）通过外力（电源、离子源等能量）对其充电。使液滴荷电的机理主要以第2种方式为主，但实际上液滴最终的荷电量是多种机制共同作用的产物。

通过上述研究可得出，使水雾荷电的实用方式有3种：即电晕荷电、接触荷电和感应荷电。

（1）电晕荷电

在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电现象。当尖端电极带电以后，通过尖端放电在电极周围形成很强且非均匀的电场，使附近的空气发生电离，形成大量的离子，这些离子在电场的排斥作用下与雾化的液滴相互碰撞，从而使得液滴荷电，因此电晕荷电会使液滴带上与电极极性相同的电荷。

（2）接触荷电

接触荷电是在液体中或喷头上直接连接高压导线，使液体和地极之间形成电势差，产生强电场，电荷在液体上积累，使雾滴也带上电荷（如图1所示）。此方式所需的电压较高，一般以2万伏左右最适宜。

图1 接触荷电原理图

（3）感应荷电

感应荷电方法是在喷嘴周围设置一环形电极并施以足够高的电压，使喷嘴与液面的接触处形成很厚的偶电层，当液体受到压力而喷出时，液滴就携带着距喷嘴壁近层的偶层电荷喷出，因此液滴带有与电极相反的电荷。图2表示了水雾感应荷电的基本原理。

图2 感应荷电原理图

根据荷电原理以及荷电效果对比以上三种荷电方式，接触荷电的荷电效果最好，但需要保证较好的绝缘性；电晕荷电的荷电效果次之，但高压绝缘性好；感应荷电的荷电效果最差，所需的荷电电压较低。

2.2 荷电水雾除尘机理

常规喷雾降尘机理主要包括：重力沉降、惯性碰撞、惰性凝结和扩散捕集[1]，如图3所示：

图3 常规降尘机理

常规喷雾除尘对于5μm以下的细颗粒物，尤其是2μm以下的高危害性颗粒物，其脱除效果欠佳。荷电水雾降尘技术为此提供了新思路，但其降尘机理更为复杂。除上述机制外，还有自团聚沉降、空间荷电沉降、静电液滴洗涤、荷电液滴沉降、荷电液滴吸附等降尘技术。

（1）水雾增湿团聚机理

当采用液滴吸附含尘气流中的细颗粒物时，细颗粒物在惯性碰撞作用、拦截作用、凝聚作用以及扩散作用下被液滴所吸附，而相应的吸附效率与雾滴以及细颗粒物的自身物性以及受力情况有关。而在高温条件下，液滴会不断蒸发，使得空气快速达到饱和水蒸汽状态。杨林军[5]等人对湿饱和空气环境中PM2.5团聚成长后沉降的过程进行研究，得出在湿饱和空气环境中细颗粒物增大的机制是：PM2.5在高温蒸汽的作用下发生凝结现象，使得自身粒径不断增大，质量提升，并由于扩散以及热泳力的作用，使得自身不断迁移并进一步相互发生聚并，最终达到一定程度的团聚后发生沉降。耿建新[6]等人研究了液滴对微细颗粒物的聚并现象，研究得出细颗粒物被液滴润湿后自身质量和粒径逐渐提升，与液滴发生碰撞吸附，由此使得细水雾能够对微细颗粒物造成一

定的吸附效果。同时喷射出的液滴会对环境造成一定的影响，使得整个范围内的温度有一定的降低，产生一定的不均匀性，低温区内细颗粒物的布朗运动减弱，而高温区内的布朗运动加剧，导致高低温区产生一定的速度差，大大提升了不同颗粒物之间彼此发生撞击的几率，使细颗粒物的团聚效果更为明显。当采用荷电水雾除尘技术时，在常温状态下，由于水雾浸润团聚的作用，能在很大程度上加强微细颗粒物的沉降，提升吸附效率。

（2）荷电细颗粒物团聚机理

当细颗粒物荷电后，不论是带异性电荷还是同性电荷，均会由于电荷之间的相互作用，细颗粒物自身会发生一定的团聚现象。王连泽[7]等人让细颗粒物分别带上异性的电荷，当带异性电荷的细颗粒物发生混合后，细颗粒物自身的收集效率得到了一定的提升。周建刚[8]等人对荷上相同电荷的细颗粒物的团聚作用进行分析，通常认为荷相同电荷的细颗粒物由于相互间存在静电排斥力而使得颗粒物难以团聚，但产生这一现象的条件是颗粒物是球体并且呈单分散分布，然而颗粒物通常都是以多分散分布存在的，并且颗粒物的形状很少能呈球形，多是以异形存在。在颗粒物荷上同种的电荷，每个颗粒物自身的荷电情况均不一样，颗粒物自身的表面电荷密度的分布各异，这两者的差异性会使同性的颗粒物产生一定的团聚作用。当由荷电而生成的镜像作用大于由相同电荷而产生的排斥作用时，会使得颗粒的团聚效果更为显著。由此可见，只要颗粒物荷上电荷，那么不管这个电荷是同性还是异性，细颗粒物相互间的吸附效果均能获得提升，由此加强沉积效率。

（3）荷电水雾吸附机理

液滴荷电以后，细水雾与带电粉尘之间的库仑力、与不带电尘粒的镜象力促进两者之间的碰撞沉降，对细颗粒物的脱除作用尤为明显。同时，细水雾荷电以后，液体的表面张力和黏滞阻力减小，带电液滴在高压静电场的作用下容易发生二次雾化，粒径分布更加均匀，弥散程度加大；带电液滴在同种电荷之间斥力作用下不易聚集，在空间中的分布密度增大，覆盖区域更广，两者的共同作用增加了荷电液滴对细颗粒物的吸附能力，提高了降尘效率。

3 荷电水雾除尘的影响因素

影响荷电水雾除尘效率的主要因素为含尘气流的速度、荷电液滴的粒径、喷雾流量、液滴荷电特性等。

（1）含尘气体流速

含尘气体的流速直接影响了处理效率，吴琨[9]等人在荷电水雾除尘技术的基础上，研究得出，随着含尘气流速度的提升，除尘效率有一定的增强。气流速度的提升能够使得细颗粒物和液滴之间更易发生撞击，从而起到加强液滴和细颗粒物的团聚效果，但过大的风速会使液滴和细颗粒物得不到充分的作用时间，同时容易造成二次扬尘。袁颖[10]等人通过实验手段分析了荷电水雾除尘效率的影响因素，针对微细颗粒物的捕集，当采用荷电水雾除尘时，在低风速下可以获得更高的除尘效率。可见，荷电液滴吸附细颗粒物的过程由于气流的参与，其作用机制更为复杂。

（2）荷电液滴的粒径

通常认为，当液滴与细颗粒物尺寸越接近，越能有效吸附气流中的细颗粒物。而实际中，与细颗粒物尺寸相近的液滴在空气中很容易直接蒸发，起不到捕集细颗粒物的效果，如果液滴非常小，当液滴吸附细颗粒物后其自身的尺度仍然在微细颗粒物的范畴，同样难以直接沉降，因此适当的液滴尺寸能够使沉积效率达到最大化。陈卓楷[11]等人针对超声雾化进行了实验研究，认为传统的水除尘难以消除吸入性细颗粒物的主要原因是液滴自身的尺寸过大（为200～600μm）。吴琨[9]等人通过研究发现，小尺度的液滴能够更好地吸附微细颗粒物。而当液滴荷电之后，由于同性相斥的作用，液滴间由于静电力而互相排斥，因此更不易发生团聚作用，而荷电能使小粒径液滴的占比增多，液滴的尺寸分布会更加均匀。王贞涛[12]等人针对多种雾化形式对荷电液滴的喷雾特性进行研究，认为荷电削弱了液滴自身表面张力的作用，增加了液滴的不稳定性，使大粒径的液滴进一步发生破碎，在气流中发生二次雾化作用，大大增加了小液滴的数量。闻建龙[13]等人比较了荷电以及非荷电情况下液滴的雾化特性，得出荷电情况下液滴的尺寸比非荷电状态降低一倍多。荷电后喷射液滴的角度增大，雾化均匀性更高。由此可知，荷电能够加强液滴的雾化特性，进一步达到改善吸附特性的效果。

（3）喷雾流量

喷雾流量是荷电水雾除尘技术中的重要参数，不同流量下，喷雾液滴的数量、分布密度以及雾化程度均有所不同。荷电水雾除尘技术的应用中，不仅需要考虑如何提升除尘效率，还要考虑相关因素的影响。如采用的喷雾流量太大，会加剧诸如腐蚀等其它不良效果，并且湿度过大

的细颗粒物会黏附在除尘设备的表面，增加清理细颗粒物的难度。张小艳[14]等人研究了不同喷雾流量下的雾化特性，在一定的范围内，随着喷射流量的增大，液滴的数量显著增多，然而当流量达到一定范围时，再提升流量效果就变得不太明显，而且会导致大粒径的液滴数量增多。袁颖[10]等人的研究指出，增大喷雾液滴数量能显著提升荷电水雾除尘的吸附效率。可见，在保证小液滴比例不减小的条件下，应尽可能地增加喷雾流量。

（4）液滴荷电特性

在采用不同荷电方式荷电时，往往采用荷质比来表征液滴自身的荷电量。对于喷射出的液滴，每一个液滴的尺寸、荷电量均不同，并且当液滴沿着流场行进时，其自身的各项参数也会不断发生变化，因此针对喷雾的研究，只有液滴群的平均荷质比才是有价值的。而液滴群所能获得的平均荷电量取决于多种因素对其的共同作用。

基于以上分析，不难发现水雾荷电能显著提高细颗粒物的脱除效率。荷电液滴吸附细颗粒物的机理较为复杂，各个影响因素在除尘过程中相互制约。

4 荷电水雾除尘的应用

通过以上研究发现，荷电水雾技术应用于治理PM2.5的设备上时，需要用到高压静电发生器、喷头、电极环等设备，其大致的系统布置如图4所示。

图4 荷电水雾系统布置图

5 关键点

（1）喷嘴的选择

雾化装置中喷嘴的选择，必须要考虑工作环境、性能要求及维修成本等因素。对于荷电水雾降尘系统，理想的喷嘴既能产生粒径分布较为均匀的液滴，又不易堵塞。工业和实验室最常用的主要是压力喷嘴和旋流雾化喷嘴。喷嘴的选择对于实际应用非常重要，其雾化质量直接影响降尘装置的性能指标。

（2）荷电装置的设计

水的电导率较好，液滴荷电相对容易，故采用环状电极感应荷电方式。因正离子的荷电几率低于负离子，故高压静电发生器为电极环提供负高压。

（3）绝缘

水雾荷电技术由于需要高电压用于产生电场，因此需要考虑绝缘，防止发生触电事故。据相关资料研究，所需要的高压静电电压为12kV。

（4）荷电量

水雾荷电量的多少，直接影响除尘的效果。在设备或实验中，对水雾的荷电量的控制较难，目前尚未有准确的设置参数，在后续的技术应用中，应着重实验研究。

6 总结

综上所述，在现今空气污染严重，雾霾等问题受到普遍关注的环境下，单纯的水雾除尘技术已不能满足对微细粉尘的治理，而通过对荷电水雾技术的研究结果表明，荷电水雾相比于非荷电水雾其除尘性能更强，而且对于PM2.5的治理具有更好的效果。荷电水雾技术的应用将会得到更大范围的推广。

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City PM2.5Controlled by Charged Water-Mist Technology

GUO Jun-tuan, ZENG Yi-fu, YE Ming-qiang, ZHOU Yi-hui HE Miao, GAO Bo

X701

A

1006-5377（2015）12-0024-04