基于EHD气泵的紧凑型静电除尘器：从固定净化到移动捕集

以大分大学与波兰科学院联合团队在第17届国际静电除尘会议（Kyoto 2024）研究为例

关键词
electrohydrodynamic (EHD), electrostatic precipitator (ESP), ionic wind, gas pump, particulate matter, PM2.5, 移动空气净化, 工业烟气治理

近年来，围绕PM2.5、花粉以及含有病毒气溶胶的工业与民用空气治理需求持续升温，“静电除尘器（ESP）+移动终端”开始成为行业讨论的新方向。传统静电除尘技术在燃煤电厂、水泥、钢铁等工业烟气治理中已经相当成熟，但在近源捕集日益重要的场景下——例如火灾初期烟气控制、森林花粉源头治理、室内含新冠病毒飞沫的快速捕集——传统“固定式+送风管路/风机”的思路显得笨重而滞后。围绕“如何将ESP做得足够轻、小、无需机械风机、还能随源移动”这个问题，日本大分大学联合波兰科学院等机构提出了一条颇具突破性的技术路线：利用电流体动力（Electrohydrodynamic，EHD）气泵机制，开发紧凑型、轻量化、无风机移动式静电除尘器。

该研究由日本大分大学（Oita University）理工学部的 Kiichirou Mochinaga、Seiji Kanazawa 团队牵头，联合波兰科学院流体机械研究所与格丁尼亚海事大学，成果发表于第17届国际静电除尘会议（International Conference on Electrostatic Precipitation, Kyoto 2024）。工作聚焦于一种基于“线电极–非平行板电极”结构的EHD气泵型紧凑ESP，核心思路是利用电晕放电产生的离子风替代机械风机，同时在同一电场中完成颗粒荷电与收集，实现真正意义上的单级、小尺寸、可移动ESP单元。

研究团队选用线–非平行板电极构型作为EHD气泵的物理基础：在直流高压作用下，细金属线电极产生正极性电晕放电，空间电荷分布在非平行板几何下形成非对称电场和电流密度分布，从而驱动空气形成具有方向性的EHD气流（即离子风）。与传统线–平板型静电除尘器相比，非平行板（板间夹角约10°）的设计让气流在电场区域内形成稳定的单向流动，既能将含尘气流“吸入”装置内部，又能在板极表面实现颗粒有效沉积。这样，ESP本身同时兼具“气泵+荷电器+收尘极”三种功能，实现彻底的无风机化。

在结构设计上，研究团队制作了单单元和三单元两类紧凑型ESP。单元结构宽约30 mm、长约250 mm，总重仅70 g：放电电极采用直径0.25 mm的钨丝，收尘极为覆铝箔的轻质轻木板（balsa wood），电极支撑和外壳则由ABS材料通过3D打印加工。线电极沿板极中心布置，线到板中心距离10 mm，板极倾角分别设计为0°、5°、10°三种，以比较不同几何在EHD气泵与除尘性能上的差异。为提升处理能力，团队还将三个10°倾角单元并列组合，形成“三单元ESP”，通过模块化方式提升有效面积与流量。

供电系统方面，实验室条件下采用自制直流高压电源进行放电特性及流场测量，而在模拟移动应用（例如在塑料温室内移动除尘）中，则采用3 V电池驱动的两级升压DC-DC模块输出约10 kV高压，实现真正意义上的轻量化、独立供电。所有实验均使用正极性电晕，这在小型离子风装置和空气净化器中较为常见，有利于获得稳定的辉光型电晕放电并抑制过强火花。

为验证EHD气泵能力与流场组织，研究团队对不同倾角单元进行了放电I–V特性和风速测试。结果表明，在单单元结构中，电晕起始电压约为6.5 kV，而三单元ESP略低，为6.0 kV左右；随电压升高，放电电流近似线性上升，说明辉光型电晕沿线电极分布均匀，可为EHD气流提供稳定驱动力。在出口下游3 cm处采用热线风速仪测量，最大风速超过1 m/s，其数量级与传统针–板型离子风装置相当，却无需布置额外风机或叶轮。在非平行板结构条件下，流向清晰指向ESP出口，而在平行板结构下，同一位置测得流向相反，进一步印证了非平行板几何在“定向抽吸”中的关键作用。

为了更直观地了解流场与颗粒运动特征，研究团队还利用粒子图像测速（PIV）技术，对带有Lycopodium孢子（模拟花粉，直径约30 μm）的流场进行了测量。虽然后者较实验用的香烟雾粒子大且重，导致测得速度明显偏小，但PIV矢量场依然清晰呈现了从入口侧流向单元内部与出口的单向流动，以及在装置附近形成的局部稳定环流。这一结果对工程应用有重要启示：即便在较小封闭空间中，一个无风机紧凑ESP单元，也可通过EHD气泵效应在周围形成自循环流场，将悬浮颗粒不断“拖入”收集区。

在颗粒物收集性能验证方面，团队重点关注烟雾（0.3–1 μm粒径）这一典型细颗粒区间。由于实验采用透明亚克力箱及可视化手段，不适合同时安装传统光散射粒子计数器，研究者采用激光透过率法评估收集效率：用He–Ne激光束穿透装置所在的亚克力箱，使用光电二极管测量随时间变化的透光强度，依据透射光吸光度变化反推出ESP对烟雾的去除率。通过将有ESP工作与不工作情况下的信号进行对比，统计得到随时间演变的颗粒物收集效率η。

实验表明，在约8 kV正电压条件下，线–非平行板构型的单单元ESP在几十秒量级内即可明显降低箱内烟雾浓度，而三单元组合装置在相同时间内的透光提升更为显著，体现出模块化拓展带来的处理能力提升。视频观测也给出了非常直观的现象：最初充满香烟雾的亚克力箱内呈现均匀乳白色，随着ESP往复移动运行，局部首先变得清晰，然后逐渐扩大为整体透明；单单元方案下仍可看到部分烟雾从窄狭板极区域“漏过”，而三单元并列后，来自中间单元未被捕集的颗粒，很大一部分被两侧单元的EHD气流二次“拦截”，整体泄漏率明显降低。研究也指出，板极有效宽度仅约30 mm，在追求极致紧凑的前提下，捕集效率势必与处理横截面积之间存在折中，这也是未来工程化设计时需要重点权衡的参数。

在更接近应用场景的测试中，团队将单单元ESP放入约1 m高的塑料小温室内，通过燃烧香枝制造高浓度烟雾，然后以60 s为周期推动ESP单元在温室内往返移动，同时施加10 kV直流高压。对比“无高压”工况，开启ESP后温室内烟雾浓度在16 min左右已明显降低，观察上已经可以清晰见到装置轮廓。收尘板上可以看到焦油状棕色沉积，轻拭即可清除，说明在小空间内长期运行时，需要考虑简单易行的维护与清洗设计。

从行业视角看，这项工作虽然目前仍停留在小空间试验与实验室样机阶段，但其核心概念对工业烟气治理及室内空气净化具有多重启示：其一，电流体动力（EHD）气泵与静电除尘一体化，为“无风机、小型化”ESP提供了工程路径，减少了风机噪声、维护与能耗；其二，非平行板几何结构不仅是学术上的电场优化，更是实现定向离子风、提升有效捕集截面的关键工艺变量；其三，单元模块化与移动化设计，为未来将ESP集成到机器人、无人机、电动车甚至矿井救援装备上，构建“移动近源捕集系统”提供了原型样机与实验数据支撑。在大型燃煤电厂、水泥窑尾等高烟气量场景中，这类装置短期内并不能替代现有大型静电除尘器或袋式除尘器，但它在局部高危区域、易燃易爆空间、封闭车间或移动污染源附近的“精细补集”和“紧急应急净化”方面，已经展现出独特的技术优势和应用潜力。

研究团队在总结中指出，目前最佳结构参数为板极倾角约10°的线–非平行板构型，能够在30 mm宽、250 mm长、70 g质量这一十分紧凑的体积与重量下，获得有效的EHD气泵与除尘能力；装置在移动状态下的除尘效率明显优于固定状态，这与实时“扫掠”空间、降低局部滞留浓度密切相关。未来若进一步提升工作电压、扩大板极面积并进行多单元一体化设计，有望实现更大体积的气体处理，同时结合粒子传感器实现按需启停与智能调度，从而朝着实际工程应用与产品化迈进。

可以预见，在“超近源捕集”“移动式大气颗粒物治理”“便携应急烟气净化”等新兴方向不断涌现的背景下，以EHD气泵为核心的紧凑型静电除尘器，有机会成为传统工业ESP与民用空气净化器之间的一块重要技术拼图，值得国内烟气治理行业、环保装备企业以及机器人/无人机厂商持续关注。

参考文献
[1] Mochinaga K, Furuki T, Tachibana K, Ichiki R, Kanazawa S, Tański M, Kocik M, Mizeraczyk J. Development of Compact Electrostatic Precipitator using EHD Gas Pump Mechanism. Proceedings of 17th International Conference on Electrostatic Precipitation, Kyoto; 2024.
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