多針負電暈放電的甲醛凈化試驗

黃惠芬，鄭躍勝，何桐桐

(福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108)

0 引言

室內空氣質量與人類健康息息相關，因此受到高度重視.以甲醛為代表的揮發(fā)性有機物是對人體健康威脅較大的一類室內空氣污染物[1].甲醛可能來源于各種裝修涂漆、劣質家具、墻紙等.長期生活在高濃度甲醛環(huán)境中會對人體產生危害，引起人的呼吸道水腫、皮膚過敏、頭暈惡心，甚至會引發(fā)癌癥[1].除日常通風外，目前甲醛凈化的手段主要包括吸附、臭氧凈化、負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、技術復雜、成本高昂等問題.與上述方法不同，電暈技術放電穩(wěn)定、處理流程短、能耗低、效率高，對甲醛、甲苯、二甲苯等揮發(fā)性有機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，國內外學者采用不同的電極結構，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-板結構直流電暈放電，處理質量濃度為85.714 mg·m-3的甲苯空氣流，甲苯凈化效率可達93%.李堅等[12]以鈦酸鋇和亞硝酸鐵為載體，研究電暈放電對甲醛氣體的凈化效率，結果表明，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，直流電暈能量密度更高，副產物產生量更少[13].Chen等[14]研究正極性電暈和負極性電暈的放電特性，發(fā)現在相等電壓下負電暈放電能夠產生更高數量級的電子數，電子碰撞的反應速率更快.負電暈放電用于空氣凈化中不但能達到較高的凈化效率，而且能產生大量有益于人體健康的負離子[9].目前，多針負電暈放電的研究多集中在放電等物理機制上，對空氣污染物的凈化機制的研究鮮有報道.

電極表面存在水膜時，在較大的電場強度下可轉化為霧化電暈放電，多用于廢水凈化和染料脫色等方面，但將其應用于空氣凈化的研究較少.郭治明等[15]采用線-板式電極結構，在大量液滴下進行霧化電暈放電，增強靜電凝并，得到更高的除塵效率.對于不同類型污染物和多尖端電極結構，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-網負極性電暈放電空氣凈化實驗平臺，利用其產生大面積的活性粒子，對室內空氣中的甲醛進行凈化.將不同針數的電極在不同輸入電壓下得到的3組凈化效率進行對比，并進一步研究電極干濕狀態(tài)對凈化結果的影響.

1 實驗設計

1.1 實驗裝置

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

實驗采用多針-網電極結構來產生負電暈放電.凈化實驗腔體尺寸為85 cm×58 cm×47 cm，腔體透明.實驗裝置包括負極性高壓直流電源、多針-網電極、固定式甲醛檢測儀、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、超聲霧化片等輔助設備.73030N型負極性高壓直流電源可實現電壓從0～-30 kV連續(xù)可調，為針電極提供負直流高壓.JA500-CH2O型固定式甲醛檢測儀可利用電化學原理檢測甲醛氣體的質量濃度，其測量范圍為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，噴霧孔數為740，孔徑為5 μm，可通過高頻振動產生水霧，浸濕電極.多針-網電極的針電極和網電極均為不銹鋼材質.其中，網電極接地.針電極的直徑為1 mm，針尖曲率半徑為0.05 mm，長度為5 mm.網電極的網孔直徑為3 mm，網孔中心間隔為5 mm，板厚為1 mm.高壓側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，紅點代表針尖，紅點數量即為針的數量，用n表示.針電極垂直地面放置，針-網電極間距用d表示.針-網空氣間隙下方置有超聲霧化裝置，裝置開啟時針尖掛有小水珠顆粒，電極為濕式狀態(tài).

1.2 凈化實驗

對于室內空氣中的甲醛含量，《室內空氣質量標準》規(guī)定甲醛質量濃度不得超過0.1 mg·m-3[16].實驗中的甲醛污染來源于甲醛溶液自然揮發(fā)產生的甲醛氣體，并設定初始甲醛質量濃度為1.224 mg·m-3.

實驗流程如下：1) 凈化空間通風，使腔體內甲醛質量濃度低于0.061 mg·m-3；2) 將2 mL質量分數36%的甲醛溶液靜置于腔體內，檢測到甲醛質量濃度高于2.449 mg·m-3時取出污染源；3) 開啟空氣循環(huán)扇，使甲醛均勻擴散，持續(xù)3 min后關閉，轉為自然擴散；4) 當甲醛質量濃度接近設定的初始值時，電極兩端施加負極性高壓進行電暈放電，并在質量濃度達到初始值時開始記錄甲醛的質量濃度變化.每次凈化實驗均在無氣流流動環(huán)境下進行，記錄時間為30 min，實驗結束后開啟高速軸流換氣，還原腔內空氣狀態(tài).

2 電暈放電安伏特性

2.1 實驗測量數據

對針-板電極施加直流高壓時，其電暈電流和輸入電壓為二次關系，滿足湯森關系，其半經驗公式[17]為：

I=CU(U-U0)

(1)

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

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

對于某些結構參數下的針-板電極，其電流與電壓的關系不嚴格服從二次關系，并不滿足式(1).因此有學者提出適用于點-面系統的經驗公式[18]，可表示為：

I=C(U-U0)m

(2)

式中：常數m約為1.5～2.0.

在凈化實驗前，分別測試當n為3、6、8時，針-網電極的電流值.實驗條件如下：溫度為(35.5±0.5)℃，相對濕度為(52±1)%，壓強為100 kPa.圖2是-4～-10 kV電壓范圍內的電暈放電安伏特性曲線.隨著電壓升高，電流呈指數規(guī)律增大.當電壓較低時，不同結構針-網電極的電流相近.6種電極的U0均在-4～-7 kV范圍內.當電壓相同時，高壓側電極n越多，電流越大，放電功率越高.d為1.5 cm時的針-網電極結構在放電階段和臨近擊穿時的電流遠低于d為1.0 cm時的電流.

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，電流對數lgI和lg(U-U0)呈線性關系.當U0給定時，應用式(3)，并利用最小二乘法對實驗測量數據進行線性擬合.利用總變異參數，即R2(也稱為決定系數)，來確定U0.R2的計算公式為：

(4)

表1為不同電極結構的給定U0值和相應的R2值、m值.對于n為3和6、d為1.5 cm的兩種電極，只有當電壓增加到-6 kV后才能檢測到微弱的電流.應用式(3)發(fā)現，當U0從-6 kV開始逐漸增大，R2隨之減小，故設定上述兩種電極的U0為-6 kV.對于另外4種電極，應用式(3)發(fā)現，在某個電壓下，R2可達到峰值，此時線性擬合結果最佳.圖3是擬合曲線和測量數據的對比，圖中實線為擬合結果.電極在n為3和6、d為1.5 cm時的R2值略低于其他電極結構，總體擬合結果良好.同時，計算發(fā)現擬合曲線的m值大于2，說明多針-網電極的電流更大，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的實驗測量數據和線性擬合曲線Fig.3 Experimental data and linear fitting curves of lg I

3 實驗結果

3.1 輸入電壓對多針電極凈化效率的影響

使用-7～-9 kV的電壓來研究多針電極的電壓對甲醛凈化效果的影響.當電壓低于-7 kV時，部分電極電流過低.當電壓過高時，容易造成間隙擊穿.因此，選擇電壓在-7～-9 kV范圍內.實驗條件如下：溫度為(35.5±0.5)℃，相對濕度為(52±1)%，壓強為100 kPa.

圖4 30 min內的甲醛凈化效率Fig.4 Purification efficiency for CH2O within 30 min

圖4是當電壓為-7 kV、d為1.0 cm時，對甲醛質量濃度為1.224 mg·m-3的空氣經電暈放電處理30 min的凈化效率變化曲線.在30 min時，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，8針電極的凈化效率已達到100%.在相同條件下，又進行電壓為-8和-9 kV、d為1.0 cm時，和電壓為-7～-9 kV、d為1.5 cm時的甲醛凈化試驗，并取出每組試驗在30 min時的凈化效率點或凈化效率達100%的時刻點.電極在3種不同電壓下的凈化效率如圖5所示.圖中標注的時刻表示甲醛質量濃度為0 mg·m-3的時刻，該時刻電暈放電系統對甲醛的凈化效率可達100%.當n和d保持不變時，隨著電壓升高，凈化效率逐漸提升.當n為8時，電壓越高，其凈化速率越快，最快僅需12 min就可使甲醛質量濃度降為0 mg·m-3.隨著n的增加，凈化效率也相應提高.對于3種不同針數的電極，d為1.0 cm時的凈化效率均大于d為1.5 cm時的值.n和電壓越大，電暈放電強度越大，活性粒子與氣體物質的反應越活躍，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8針電極凈化效率的影響

電極結構的干濕狀態(tài)可能會影響電暈放電對甲醛的凈化效率.由圖5可知，當n為8時，凈化效率最高，因此進一步研究干濕狀態(tài)對8針電極凈化效率的影響，并設定d為1.0 cm.實驗條件如下：溫度為(21.5±0.5)℃，相對濕度為(63±2)%，壓強為100 kPa.

干式和濕式狀態(tài)下的8針-網電極在-4～-10 kV電壓下的安伏特性曲線如圖6所示.當電壓為-8～-9 kV時，電極電暈放電穩(wěn)定，凈化效率較高.因此，設定電壓為-8.5 kV，進行甲醛凈化實驗.當電壓為-8.5 kV時，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內甲醛凈化效率變化曲線如圖7所示.在24 min時，干式狀態(tài)下的凈化效率達到100%；在30 min時，濕式狀態(tài)下甲醛質量濃度為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內的甲醛凈化效率Fig.7 Purification efficiency for CH2O within 30 min

4 凈化結果分析

多針-板式的放電結構能夠形成類似介質阻擋放電的放電形式，并產生低溫等離子體[18].本研究中的多針-網電極也屬于多針-板式結構[4,19]，其電暈放電凈化甲醛的原理包括兩個方面：一方面是氣體放電時產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鍵斷裂，發(fā)生電離；另一方面是大量的強氧化性活性基團(如含氧基團、羥基等)和臭氧等活性粒子對甲醛的氧化分解作用[13-14].負電暈放電產生電子雪崩后，電子崩頭部的高能電子更多，甲醛分子的分解反應主要集中在電離區(qū).

輸入電壓、電極結構等因素均能影響多針-網電極的甲醛凈化效率，可以從兩方面對凈化效率進行提升.一方面，可提高電極的電場強度.電場強度越大時，能量越高，電離氣體的能力越強，高能電子和活性基團越多，甲醛分子被分解的速度越快.電場強度與電壓成正比，與d成反比，當n相同時，提高電壓或選用較小的d能夠增加電場強度，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，說明運動的電子數較多，總的電流增大，電暈能量增強.因此n增加，電暈放電產生的活性粒子總數也激增，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.兩種方法的本質都是增加電暈放電產生的高能粒子數量，使高能電子和強氧化性活性基團數量提升.

利用Maxwell軟件進行數值分析，可以得到針尖電場強度的分布.圖8是當電壓為-8.5 kV、d為1.0 cm時，8針電極的單根針尖電場強度分布云圖.不同電極單根針的針尖電場強度(電壓為-8.5 kV)如表2所示.多針電極的針尖電場強度均低于單針電極，說明多針電極的不同針尖存在互相屏蔽，會削弱電場強度，因此凈化效率并不隨n增多而呈倍數增加.針的排列形狀為多個等邊三角形的組合，因此n不同對多針電極的針尖電場強度影響不大，當d為1.0 cm時，電場強度隨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因素是n增大引起的高能電子和活性粒子的增多，其對甲醛的凈化作用大于電場被削弱所導致的不利影響.

圖8 8針電極的單根針尖電場強度分布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強度最大值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，說明濕度也是影響多針-網電極凈化效果的一個因素.由于甲醛易溶于水，為避免大量水霧影響實驗結果，實驗利用調速開關控制水霧量，使電極部分僅有針尖上掛有少量水霧.對多針-網電極施加高壓，針尖水霧與空氣同時被電離，造成電暈放電產生的負離子數量增多.但是，仍會有部分甲醛溶解在水霧中.濕度的增加影響強氧化性基團與甲醛分子的反應速率，導致濕式電極對甲醛的凈化效率反而有所降低.

5 結語

本研究基于電暈放電理論，搭建甲醛凈化試驗系統，分析多針-網電極負極性電暈放電的甲醛凈化特性.研究表明，多針電暈放電對一定體積空間內高質量濃度的甲醛有較高的凈化效率.當電壓在-7 ～-9 kV范圍內時，電壓越高，d越小，針電極電場強度越大，甲醛凈化效率越高.同時，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削弱影響，但n增多會引起活性粒子數量增大，分解氧化甲醛分子的作用強于電場被削弱的影響.此外，甲醛分子易溶于水的特點減緩甲醛分解的速率.當電壓為-8.5 kV、d為1.0 cm時，濕式狀態(tài)下的8針電極電暈放電對甲醛的凈化效率低于干式狀態(tài).