电过滤材料中的流‑粒‑纤耦合：MPPS 颗粒高效捕集的新路径

法国 Poitiers 大学 Pprime 研究所团队电过滤材料实验研究解读

关键词
Electric media filter; Metallic grids; Collection efficiency; Filtration parameters; 静电除尘; 工业烟气治理

空气污染问题从工业革命伊始就伴随着现代工业化进程，即便到了超低排放、双碳目标成为行业主旋律的当下，颗粒物控制依然是工业烟气治理与室内空气净化的核心议题之一。尤其是亚微米级细颗粒与气溶胶，不仅决定着 PM2.5 的环境与健康风险，还直接牵连到呼吸道传染病（如 COVID‑19）经细小气溶胶传播的概率[1]。在静电除尘器（ESP）、袋式除尘和高效过滤器不断升级的背景下，“电过滤材料”（electric filter media）正在成为连接传统纤维过滤和静电捕集的新技术焦点。

在近期于日本京都召开的第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024）上，法国 Poitiers 大学 Pprime 研究所的 Mohamed Akram Sayoud 与 Noureddine Zouzou 团队带来了一项值得行业关注的实验研究，题为《Study of fluid-particle-fiber interactions within an electric filter media》。这项工作并非面向传统大尺度工业 ESP，而是在“微缩的电过滤单元”中，系统研究气流、颗粒、电场与金属纤维三者之间的耦合关系，尤其聚焦于过滤材料在“最易穿透粒径”（MPPS）区间的捕集机理与参数影响规律，对工业烟气治理、洁净厂房及高要求通风系统的电助滤设计具有较强的参考意义。

该研究的技术出发点非常清晰：传统纤维过滤依赖惯性碰撞、截留与扩散三种机械机理[4–5]，对大颗粒和超细粒子往往效率较高，但在 0.1–0.3 μm 左右的 MPPS 区间效率出现“谷值”，要弥补这一短板通常只能提高滤材密度或风速控制，代价就是压降明显上升、能耗与运行成本大幅增加[3,6]。因此，在保持适中风速和压降的前提下引入静电力，让电过滤材料通过库仑力与介电泳力参与捕集，成为近十年室内净化滤材、医用口罩及高效通风过滤升级的共同方向[2,7,9]。

为避免真实滤料中纤维直径、间距和荷电状态复杂多变带来的不确定性，Pprime 团队设计了一套“可控几何和可控电场”的金属网格电过滤装置。滤层由 7 层相互电气隔离的金属网格构成，相邻网格间距为 5 mm，每层网格纤维直径约 25 μm，网孔尺寸约 26 μm。通过将高压网与接地网交替布置，使每一层带高压的金属网格都被两层接地网格“夹持”，从而在层间形成分布相对均匀、可调极性和电压幅值的电场。这种结构与传统平板电极 ESP 不同，更接近“电强化滤材”的局部电场环境，为研究流‑粒‑纤耦合提供了一个可量化的实验平台。

在颗粒侧，研究选用干燥 NaCl 气溶胶，粒径分布控制在 5 nm–15 μm 之间，并刻意调整运行条件，使颗粒数分布峰值落在 MPPS 区间附近——实验测得的中位粒径约为 0.264 μm。在这一粒径范围内，惯性碰撞与扩散均不是主导机理，机械过滤效率偏低，更有利于突显电场作用的贡献。上游与下游颗粒数浓度通过光学气溶胶谱仪进行逐段测量，浓度范围覆盖 0.2–10 μm，使得研究人员能够清楚比较不同工况下的渗透率和过滤效率变化。

整套实验围绕两个核心问题展开：一是电场参数——电压幅值与极性——如何影响电过滤材料的捕集效率；二是气流参数，尤其是体积流量（即表观风速），如何与机械机理和电机理叠加，最终决定综合过滤性能。为此，团队设计了两个互为补充的试验“协议”（protocol），用以分离和比较机械机制与电机制的贡献。

第一个实验协议的目的，是单独评估“电捕集”在总过滤中的增益。具体做法是：先在无电压条件下测量过滤器下游颗粒浓度（相当于只有机械机理起作用），然后在不改变气流与颗粒条件的前提下施加电压，再次测量下游浓度。两者之比给出了电场开启前后渗透率的变化，由此定义“电效率”η_elec，即电机理对总捕集效率的贡献。这样避免了由于上游浓度波动造成的误差，更适合用来研究库仑力与介电泳力在不同电压、不同流量下的相对强弱。

第二个实验协议则遵循传统滤料评价方法：同时测量上游和下游颗粒数浓度，获得总过滤效率 η。通过在 V = 0 kV 条件下运行，可以得到纯机械捕集效率；随后在相同流量条件下逐步提高电压，考察综合效率如何随电场增强而变化。这一协议更接近行业中常规的效率–压降标定方式，有利于为未来的工程放大和产品设计提供数据基础。

从实验结果看，对于电压极性的敏感性，研究给出的结论颇具现实意义。在相同绝对值电压下，正极性和负极性对电效率的影响几乎一致，差异可忽略。这意味着在本研究条件下，颗粒自身电荷水平较低，介电泳力（由非均匀电场诱导的极化力）对捕集过程的贡献大于库仑力。这一点与近年来关于纳米颗粒与纤维介电泳捕集的数值模拟结果相吻合[6,10–11]，也给工业应用释放了一个信号：在许多细颗粒治理场景中，单纯通过改变极性并不能显著改善过滤性能，反而应优先优化电场强度与场型分布。

从电压幅值与风量的角度看，结果则高度符合工程直觉，却用定量数据给出了清晰的边界：随着电压由 0 提升至约 5 kV，电场强度明显提高，电捕集效率η_elec 持续上升；与此同时，在同一电压下，当流量从 0.2 L/min 提高到 1.4 L/min 时，η_elec 明显降低。这主要源于颗粒在滤层中的停留时间缩短，受电场力偏转并撞击到纤维的机会下降。换言之，在限定电压与结构条件下，存在一个“最佳区间”的表观风速，既能保证单位截面积的处理风量，又能保持足够高的电捕集效率，这一点对工业烟气治理和空调系统的风量分配具有直接参考价值。

更值得关注的是，研究团队通过协议 2 的数据，对“机械机理与电机理是否相互独立”这一长期存在于过滤理论中的假设进行了实验检验。先由 V = 0 的工况计算纯机械效率 η_mec（MPPS 区域通常低于 20%），再在高压下获得综合效率 η_total。若假定两种机理对颗粒捕集是统计独立的，则可以推导出一个理论上的“估算电效率”η_elec,estim，它仅仅基于 η_total 和 η_mec 计算得出。将这一估算曲线与协议 1 中直接测得的η_elec 做对比，结果显示两者高度吻合，误差很小。该结论支持了在一定条件下将机械捕集和电捕集分开建模的工程做法，使得滤材开发与 ESP–滤袋一体化设计可以在更简单的理论框架下推进[3,6,11]。

就绝对效率水平而言，这项研究再次从实验侧印证了电过滤材料在 MPPS 区域的潜力：在无电场、仅依靠机械机理的情况下，整体效率基本不超过 20%；但当电压提高到约 4.9 kV，且流量控制在 0.2 L/min 时，综合过滤效率可以轻松突破 96%。在工业领域，如果将类似电场配置移植到高效滤袋或电袋复合除尘系统中，在合适的比风速下完全有希望在保持较低压降的前提下，获得接近 HEPA 级别的亚微米颗粒去除率，对燃煤电站超低排放改造、危废焚烧烟气治理以及半导体厂房再循环过滤都是非常有价值的技术路线。

从行业视角看，这项工作有三个可直接转化为应用策略的启示：其一，在 MPPS 区间提升效率，单靠“加厚滤材、降风速”终究会在能耗与运维成本上遇到瓶颈，必须更多考虑静电力与纤维结构的协同设计；其二，在多数低荷电细颗粒场景中，介电泳捕集往往比库仑捕集更重要，极性选择不必过度纠结，关键在于合理的电场强度与几何构型；其三，机械与电机理在一定工况下可以视为统计独立，这为建立简化但实用的设计与选型模型提供了理论支撑，有助于加快电过滤材料在工业烟气治理、室内环境工程和高端空气过滤产品中的工程化落地。

目前，Poitiers 团队已经计划在现有研究基础上继续深入，重点将放在精确控制颗粒荷电状态，以及系统考察电过滤结构参数——如网格层数、层间距、网孔尺寸和金属纤维直径——对流‑粒‑纤耦合的综合影响。这些工作一旦与数值模拟和实际工况下的 ESP–滤材耦合装置试验结合，有望为下一代低压、低能耗、高效率的电过滤解决方案提供可直接工程化的设计图谱。

在“双碳”和超低排放大背景下，如何在有限的压降与能耗预算内，把 0.1–0.3 μm 这一最棘手粒径段“补起来”，正在成为电厂、钢铁、水泥以及先进制造业共同的技术命题。来自法国 Pprime 研究所的这项工作，为我们理解电过滤材料内部的流‑粒‑纤相互作用提供了更清晰的物理图景，也为工业静电除尘与过滤技术的下一步协同创新指明了方向。

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参考文献
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