黃惠芬，鄭躍勝，何桐桐

(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引言

室內(nèi)空氣質(zhì)量與人類健康息息相關(guān)，因此受到高度重視.以甲醛為代表的揮發(fā)性有機(jī)物是對(duì)人體健康威脅較大的一類室內(nèi)空氣污染物[1].甲醛可能來(lái)源于各種裝修涂漆、劣質(zhì)家具、墻紙等.長(zhǎng)期生活在高濃度甲醛環(huán)境中會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，引起人的呼吸道水腫、皮膚過敏、頭暈惡心，甚至?xí)l(fā)癌癥[1].除日常通風(fēng)外，目前甲醛凈化的手段主要包括吸附、臭氧凈化、負(fù)離子凈化和光催化氧化等[2-3].其中部分方法存在二次污染、技術(shù)復(fù)雜、成本高昂等問題.與上述方法不同，電暈技術(shù)放電穩(wěn)定、處理流程短、能耗低、效率高，對(duì)甲醛、甲苯、二甲苯等揮發(fā)性有機(jī)物有較好的去除效果[4-5].

電暈放電是高電壓下的一種極不均勻的放電形式，通常發(fā)生在曲率半徑極小的尖端.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同的電極結(jié)構(gòu)，利用電暈放電開展大量的空氣凈化研究[6-10].Mista等[11]利用線-板結(jié)構(gòu)直流電暈放電，處理質(zhì)量濃度為85.714 mg·m-3的甲苯空氣流，甲苯凈化效率可達(dá)93%.李堅(jiān)等[12]以鈦酸鋇和亞硝酸鐵為載體，研究電暈放電對(duì)甲醛氣體的凈化效率，結(jié)果表明，提高電壓和減小氣流流速均有利于凈化效率的提高.

在電暈放電凈化技術(shù)方面，通常利用脈沖電暈和直流電暈的放電形式.研究發(fā)現(xiàn)，直流電暈?zāi)芰棵芏雀?，副產(chǎn)物產(chǎn)生量更少[13].Chen等[14]研究正極性電暈和負(fù)極性電暈的放電特性，發(fā)現(xiàn)在相等電壓下負(fù)電暈放電能夠產(chǎn)生更高數(shù)量級(jí)的電子數(shù)，電子碰撞的反應(yīng)速率更快.負(fù)電暈放電用于空氣凈化中不但能達(dá)到較高的凈化效率，而且能產(chǎn)生大量有益于人體健康的負(fù)離子[9].目前，多針負(fù)電暈放電的研究多集中在放電等物理機(jī)制上，對(duì)空氣污染物的凈化機(jī)制的研究鮮有報(bào)道.

電極表面存在水膜時(shí)，在較大的電場(chǎng)強(qiáng)度下可轉(zhuǎn)化為霧化電暈放電，多用于廢水凈化和染料脫色等方面，但將其應(yīng)用于空氣凈化的研究較少.郭治明等[15]采用線-板式電極結(jié)構(gòu)，在大量液滴下進(jìn)行霧化電暈放電，增強(qiáng)靜電凝并，得到更高的除塵效率.對(duì)于不同類型污染物和多尖端電極結(jié)構(gòu)，濕式電極電暈放電是否都具有更高的凈化效率仍有待研究.

本研究搭建多針-網(wǎng)負(fù)極性電暈放電空氣凈化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用其產(chǎn)生大面積的活性粒子，對(duì)室內(nèi)空氣中的甲醛進(jìn)行凈化.將不同針數(shù)的電極在不同輸入電壓下得到的3組凈化效率進(jìn)行對(duì)比，并進(jìn)一步研究電極干濕狀態(tài)對(duì)凈化結(jié)果的影響.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 高壓針電極排列Fig.1 Arrangement of needle electrodes on high potential side

實(shí)驗(yàn)采用多針-網(wǎng)電極結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生負(fù)電暈放電.凈化實(shí)驗(yàn)腔體尺寸為85 cm×58 cm×47 cm，腔體透明.實(shí)驗(yàn)裝置包括負(fù)極性高壓直流電源、多針-網(wǎng)電極、固定式甲醛檢測(cè)儀、空氣循環(huán)扇等儀器.此外，還包括微安電流表、軸流換氣扇、溫濕度計(jì)、超聲霧化片等輔助設(shè)備.73030N型負(fù)極性高壓直流電源可實(shí)現(xiàn)電壓從0～-30 kV連續(xù)可調(diào)，為針電極提供負(fù)直流高壓.JA500-CH2O型固定式甲醛檢測(cè)儀可利用電化學(xué)原理檢測(cè)甲醛氣體的質(zhì)量濃度，其測(cè)量范圍為0～12.245 mg·m-3，分辨率為0.012 mg·m-3.超聲霧化片的頻率為108 kHz，噴霧孔數(shù)為740，孔徑為5 μm，可通過高頻振動(dòng)產(chǎn)生水霧，浸濕電極.多針-網(wǎng)電極的針電極和網(wǎng)電極均為不銹鋼材質(zhì).其中，網(wǎng)電極接地.針電極的直徑為1 mm，針尖曲率半徑為0.05 mm，長(zhǎng)度為5 mm.網(wǎng)電極的網(wǎng)孔直徑為3 mm，網(wǎng)孔中心間隔為5 mm，板厚為1 mm.高壓側(cè)電極的針焊于圓形不銹鋼均壓片上.3種多針電極的針尖排列如圖1所示，紅點(diǎn)代表針尖，紅點(diǎn)數(shù)量即為針的數(shù)量，用n表示.針電極垂直地面放置，針-網(wǎng)電極間距用d表示.針-網(wǎng)空氣間隙下方置有超聲霧化裝置，裝置開啟時(shí)針尖掛有小水珠顆粒，電極為濕式狀態(tài).

1.2 凈化實(shí)驗(yàn)

對(duì)于室內(nèi)空氣中的甲醛含量，《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定甲醛質(zhì)量濃度不得超過0.1 mg·m-3[16].實(shí)驗(yàn)中的甲醛污染來(lái)源于甲醛溶液自然揮發(fā)產(chǎn)生的甲醛氣體，并設(shè)定初始甲醛質(zhì)量濃度為1.224 mg·m-3.

實(shí)驗(yàn)流程如下：1) 凈化空間通風(fēng)，使腔體內(nèi)甲醛質(zhì)量濃度低于0.061 mg·m-3；2) 將2 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)36%的甲醛溶液靜置于腔體內(nèi)，檢測(cè)到甲醛質(zhì)量濃度高于2.449 mg·m-3時(shí)取出污染源；3) 開啟空氣循環(huán)扇，使甲醛均勻擴(kuò)散，持續(xù)3 min后關(guān)閉，轉(zhuǎn)為自然擴(kuò)散；4) 當(dāng)甲醛質(zhì)量濃度接近設(shè)定的初始值時(shí)，電極兩端施加負(fù)極性高壓進(jìn)行電暈放電，并在質(zhì)量濃度達(dá)到初始值時(shí)開始記錄甲醛的質(zhì)量濃度變化.每次凈化實(shí)驗(yàn)均在無(wú)氣流流動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行，記錄時(shí)間為30 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后開啟高速軸流換氣，還原腔內(nèi)空氣狀態(tài).

2 電暈放電安伏特性

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

對(duì)針-板電極施加直流高壓時(shí)，其電暈電流和輸入電壓為二次關(guān)系，滿足湯森關(guān)系，其半經(jīng)驗(yàn)公式[17]為：

I=CU(U-U0)

(1)

式中：I為放電平均電流，單位為μA；U為高壓側(cè)輸入電壓，單位為kV；U0為電暈起始電壓，單位為kV；C為關(guān)系系數(shù).

圖2 針-網(wǎng)電極電暈放電的安伏特性Fig.2 Ampere-volt characteristic of multi-needle corona discharge

對(duì)于某些結(jié)構(gòu)參數(shù)下的針-板電極，其電流與電壓的關(guān)系不嚴(yán)格服從二次關(guān)系，并不滿足式(1).因此有學(xué)者提出適用于點(diǎn)-面系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式[18]，可表示為：

I=C(U-U0)m

(2)

式中：常數(shù)m約為1.5～2.0.

在凈化實(shí)驗(yàn)前，分別測(cè)試當(dāng)n為3、6、8時(shí)，針-網(wǎng)電極的電流值.實(shí)驗(yàn)條件如下：溫度為(35.5±0.5)℃，相對(duì)濕度為(52±1)%，壓強(qiáng)為100 kPa.圖2是-4～-10 kV電壓范圍內(nèi)的電暈放電安伏特性曲線.隨著電壓升高，電流呈指數(shù)規(guī)律增大.當(dāng)電壓較低時(shí)，不同結(jié)構(gòu)針-網(wǎng)電極的電流相近.6種電極的U0均在-4～-7 kV范圍內(nèi).當(dāng)電壓相同時(shí)，高壓側(cè)電極n越多，電流越大，放電功率越高.d為1.5 cm時(shí)的針-網(wǎng)電極結(jié)構(gòu)在放電階段和臨近擊穿時(shí)的電流遠(yuǎn)低于d為1.0 cm時(shí)的電流.

2.2 線性擬合分析

式(2)可以改寫為：

lgI=lgC+mlg(U-U0)

(3)

由此可知，電流對(duì)數(shù)lgI和lg(U-U0)呈線性關(guān)系.當(dāng)U0給定時(shí)，應(yīng)用式(3)，并利用最小二乘法對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合.利用總變異參數(shù)，即R2(也稱為決定系數(shù))，來(lái)確定U0.R2的計(jì)算公式為：

(4)

表1為不同電極結(jié)構(gòu)的給定U0值和相應(yīng)的R2值、m值.對(duì)于n為3和6、d為1.5 cm的兩種電極，只有當(dāng)電壓增加到-6 kV后才能檢測(cè)到微弱的電流.應(yīng)用式(3)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)U0從-6 kV開始逐漸增大，R2隨之減小，故設(shè)定上述兩種電極的U0為-6 kV.對(duì)于另外4種電極，應(yīng)用式(3)發(fā)現(xiàn)，在某個(gè)電壓下，R2可達(dá)到峰值，此時(shí)線性擬合結(jié)果最佳.圖3是擬合曲線和測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，圖中實(shí)線為擬合結(jié)果.電極在n為3和6、d為1.5 cm時(shí)的R2值略低于其他電極結(jié)構(gòu)，總體擬合結(jié)果良好.同時(shí)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)擬合曲線的m值大于2，說(shuō)明多針-網(wǎng)電極的電流更大，放電功率更高，式(2)中的m取值范圍更廣.

表1 不同電極的U0、R2和m值Tab.1 Values of U0,R2 and m of different electrodes

圖3 lg I的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和線性擬合曲線Fig.3 Experimental data and linear fitting curves of lg I

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 輸入電壓對(duì)多針電極凈化效率的影響

使用-7～-9 kV的電壓來(lái)研究多針電極的電壓對(duì)甲醛凈化效果的影響.當(dāng)電壓低于-7 kV時(shí)，部分電極電流過低.當(dāng)電壓過高時(shí)，容易造成間隙擊穿.因此，選擇電壓在-7～-9 kV范圍內(nèi).實(shí)驗(yàn)條件如下：溫度為(35.5±0.5)℃，相對(duì)濕度為(52±1)%，壓強(qiáng)為100 kPa.

圖4 30 min內(nèi)的甲醛凈化效率Fig.4 Purification efficiency for CH2O within 30 min

圖4是當(dāng)電壓為-7 kV、d為1.0 cm時(shí)，對(duì)甲醛質(zhì)量濃度為1.224 mg·m-3的空氣經(jīng)電暈放電處理30 min的凈化效率變化曲線.在30 min時(shí)，3針電極的凈化效率為35%，6針電極的凈化效率為48%；在19.5 min時(shí)，8針電極的凈化效率已達(dá)到100%.在相同條件下，又進(jìn)行電壓為-8和-9 kV、d為1.0 cm時(shí)，和電壓為-7～-9 kV、d為1.5 cm時(shí)的甲醛凈化試驗(yàn)，并取出每組試驗(yàn)在30 min時(shí)的凈化效率點(diǎn)或凈化效率達(dá)100%的時(shí)刻點(diǎn).電極在3種不同電壓下的凈化效率如圖5所示.圖中標(biāo)注的時(shí)刻表示甲醛質(zhì)量濃度為0 mg·m-3的時(shí)刻，該時(shí)刻電暈放電系統(tǒng)對(duì)甲醛的凈化效率可達(dá)100%.當(dāng)n和d保持不變時(shí)，隨著電壓升高，凈化效率逐漸提升.當(dāng)n為8時(shí)，電壓越高，其凈化速率越快，最快僅需12 min就可使甲醛質(zhì)量濃度降為0 mg·m-3.隨著n的增加，凈化效率也相應(yīng)提高.對(duì)于3種不同針數(shù)的電極，d為1.0 cm時(shí)的凈化效率均大于d為1.5 cm時(shí)的值.n和電壓越大，電暈放電強(qiáng)度越大，活性粒子與氣體物質(zhì)的反應(yīng)越活躍，因此增加n和電壓能更有效地提升甲醛的凈化效率.

圖5 不同電壓下的甲醛凈化效率Fig.5 Purification efficiency for CH2O at different applied voltages

3.2 電極干濕狀態(tài)對(duì)8針電極凈化效率的影響

電極結(jié)構(gòu)的干濕狀態(tài)可能會(huì)影響電暈放電對(duì)甲醛的凈化效率.由圖5可知，當(dāng)n為8時(shí)，凈化效率最高，因此進(jìn)一步研究干濕狀態(tài)對(duì)8針電極凈化效率的影響，并設(shè)定d為1.0 cm.實(shí)驗(yàn)條件如下：溫度為(21.5±0.5)℃，相對(duì)濕度為(63±2)%，壓強(qiáng)為100 kPa.

干式和濕式狀態(tài)下的8針-網(wǎng)電極在-4～-10 kV電壓下的安伏特性曲線如圖6所示.當(dāng)電壓為-8～-9 kV時(shí)，電極電暈放電穩(wěn)定，凈化效率較高.因此，設(shè)定電壓為-8.5 kV，進(jìn)行甲醛凈化實(shí)驗(yàn).當(dāng)電壓為-8.5 kV時(shí)，干式狀態(tài)下的電流為87.2 μA，濕式狀態(tài)下的電流為80.7 μA.30 min內(nèi)甲醛凈化效率變化曲線如圖7所示.在24 min時(shí)，干式狀態(tài)下的凈化效率達(dá)到100%；在30 min時(shí)，濕式狀態(tài)下甲醛質(zhì)量濃度為0.122 mg·m-3，凈化效率約為90%.濕式狀態(tài)下的凈化速率略低于干式狀態(tài)下的凈化速率.

圖6 8針-網(wǎng)電極電暈放電的安伏特性Fig.6 Ampere-volt characteristic of 8-needle corona discharge

圖7 30 min內(nèi)的甲醛凈化效率Fig.7 Purification efficiency for CH2O within 30 min

4 凈化結(jié)果分析

多針-板式的放電結(jié)構(gòu)能夠形成類似介質(zhì)阻擋放電的放電形式，并產(chǎn)生低溫等離子體[18].本研究中的多針-網(wǎng)電極也屬于多針-板式結(jié)構(gòu)[4,19]，其電暈放電凈化甲醛的原理包括兩個(gè)方面：一方面是氣體放電時(shí)產(chǎn)生的高能電子與甲醛分子的非彈性碰撞，使得甲醛分子的化學(xué)鍵斷裂，發(fā)生電離；另一方面是大量的強(qiáng)氧化性活性基團(tuán)(如含氧基團(tuán)、羥基等)和臭氧等活性粒子對(duì)甲醛的氧化分解作用[13-14].負(fù)電暈放電產(chǎn)生電子雪崩后，電子崩頭部的高能電子更多，甲醛分子的分解反應(yīng)主要集中在電離區(qū).

輸入電壓、電極結(jié)構(gòu)等因素均能影響多針-網(wǎng)電極的甲醛凈化效率，可以從兩方面對(duì)凈化效率進(jìn)行提升.一方面，可提高電極的電場(chǎng)強(qiáng)度.電場(chǎng)強(qiáng)度越大時(shí)，能量越高，電離氣體的能力越強(qiáng)，高能電子和活性基團(tuán)越多，甲醛分子被分解的速度越快.電場(chǎng)強(qiáng)度與電壓成正比，與d成反比，當(dāng)n相同時(shí)，提高電壓或選用較小的d能夠增加電場(chǎng)強(qiáng)度，從而提升甲醛凈化效率.另一方面，可采用多針電極.表1中6種電極的m值大于2，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)的電子數(shù)較多，總的電流增大，電暈?zāi)芰吭鰪?qiáng).因此n增加，電暈放電產(chǎn)生的活性粒子總數(shù)也激增，活性粒子碰撞和氧化甲醛分子的概率大大增加，從而提升甲醛凈化效率.兩種方法的本質(zhì)都是增加電暈放電產(chǎn)生的高能粒子數(shù)量，使高能電子和強(qiáng)氧化性活性基團(tuán)數(shù)量提升.

利用Maxwell軟件進(jìn)行數(shù)值分析，可以得到針尖電場(chǎng)強(qiáng)度的分布.圖8是當(dāng)電壓為-8.5 kV、d為1.0 cm時(shí)，8針電極的單根針尖電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖.不同電極單根針的針尖電場(chǎng)強(qiáng)度(電壓為-8.5 kV)如表2所示.多針電極的針尖電場(chǎng)強(qiáng)度均低于單針電極，說(shuō)明多針電極的不同針尖存在互相屏蔽，會(huì)削弱電場(chǎng)強(qiáng)度，因此凈化效率并不隨n增多而呈倍數(shù)增加.針的排列形狀為多個(gè)等邊三角形的組合，因此n不同對(duì)多針電極的針尖電場(chǎng)強(qiáng)度影響不大，當(dāng)d為1.0 cm時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度隨n增大略有增加，均在-30 kV·mm-1左右.因此，多針電極凈化效率提高的主導(dǎo)因素是n增大引起的高能電子和活性粒子的增多，其對(duì)甲醛的凈化作用大于電場(chǎng)被削弱所導(dǎo)致的不利影響.

圖8 8針電極的單根針尖電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.8 Distribution of the electric field intensity on single needle tip of 8-needle electrode

表2 不同電極單根針的針尖電場(chǎng)強(qiáng)度最大值Tab.2 Maximum electric field intensity of single needle tip with different electrodes

由圖7可知，電極加濕后的甲醛凈化效率降低，說(shuō)明濕度也是影響多針-網(wǎng)電極凈化效果的一個(gè)因素.由于甲醛易溶于水，為避免大量水霧影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)利用調(diào)速開關(guān)控制水霧量，使電極部分僅有針尖上掛有少量水霧.對(duì)多針-網(wǎng)電極施加高壓，針尖水霧與空氣同時(shí)被電離，造成電暈放電產(chǎn)生的負(fù)離子數(shù)量增多.但是，仍會(huì)有部分甲醛溶解在水霧中.濕度的增加影響強(qiáng)氧化性基團(tuán)與甲醛分子的反應(yīng)速率，導(dǎo)致濕式電極對(duì)甲醛的凈化效率反而有所降低.

5 結(jié)語(yǔ)

本研究基于電暈放電理論，搭建甲醛凈化試驗(yàn)系統(tǒng)，分析多針-網(wǎng)電極負(fù)極性電暈放電的甲醛凈化特性.研究表明，多針電暈放電對(duì)一定體積空間內(nèi)高質(zhì)量濃度的甲醛有較高的凈化效率.當(dāng)電壓在-7 ～-9 kV范圍內(nèi)時(shí)，電壓越高，d越小，針電極電場(chǎng)強(qiáng)度越大，甲醛凈化效率越高.同時(shí)，n越多凈化效率越高.多邊形排列的多針電極針尖之間有一定程度的電場(chǎng)削弱影響，但n增多會(huì)引起活性粒子數(shù)量增大，分解氧化甲醛分子的作用強(qiáng)于電場(chǎng)被削弱的影響.此外，甲醛分子易溶于水的特點(diǎn)減緩甲醛分解的速率.當(dāng)電壓為-8.5 kV、d為1.0 cm時(shí)，濕式狀態(tài)下的8針電極電暈放電對(duì)甲醛的凈化效率低于干式狀態(tài).