碳刷盘电极电除尘器：低臭氧下纳米颗粒与空气病毒高效捕集

Kanagawa Institute of Technology 与 Tokyo City University 联合研究，揭示碳刷盘电极间刷数对ESP捕集性能与臭氧生成的影响

关键词
electrostatic precipitator (ESP), nano particle, virus, ozone concentration, 烟气治理, 颗粒物控制

随着公众对室内外空气质量与传染性气溶胶的关注日益增加，电除尘器（electrostatic precipitator, ESP）在烟气治理和洁净空气场景中的应用变得尤为重要。来自神奈川工科大学与东京城市大学的中西仁（Akinori Zukeran）等研究团队，对一种采用碳刷盘电极的两段式ESP进行了系统试验，旨在在尽量降低臭氧浓度的同时提高对纳米颗粒（nano particle）与空气病毒的捕集效率[1]。研究重点是比较盘边碳刷数量（5、10、15、20根及连续排列）对放电均匀性、臭氧生成与颗粒/病毒去除性能的影响。实验在气速0.3 与0.6 m/s 条件下进行，预离子区（precharger）为碳刷盘与接地圆筒，刷尖与接地间隙22.5 mm，预离子区施加正高压（实验中最高约14 kV，可通过较低电压维持臭氧在0.01–0.03 ppm），收集区为间距10 mm 的平板集电器并施加+9 kV；粒径通过SMPS（6–214 nm）与光散射粒计（300–10000 nm）测量，病毒以Qβ噬菌体气溶胶形式采样并用平板法定量[1]。结果表明：1）臭氧浓度随施加电压与放电电流上升而上升，约8.0 kV 对应0.01 ppm，约10.5 kV 对应0.03 ppm；2）颗粒捕集效率随臭氧浓度（即放电强度）增加而提升，在0.01 ppm 条件下总体可达80%–>90%，而在0.03 ppm 可升至>97%；当碳纤维连续排列时，对于约34 nm 以上颗粒，捕集效率可>99%（0.03 ppm）；3）随着碳刷数量增加，放电光学亮度趋于均匀，板间电场与诱导电荷分布更均匀，从而显著提高对纳米和微米级颗粒的去除；4）对空气病毒的实验显示，在低臭氧（≈0.01 ppm）条件下病毒浓度下降约一量级，捕集效率达约97.0%，在0.03 ppm 可达99.6%，表明ESP在合理控制臭氧生成的前提下具备显著的病毒捕集与灭活潜力[1]。对于我国重点行业如浆纸、钢铁、水泥与化工领域，此类优化型ESP可直接服务于烟气治理与颗粒物控制，帮助企业实现排放达标、降低二次污染风险并兼顾能耗与运维成本。工业现场应用中，碳刷与极板结构若配合艾尼科（Enelco）在极板几何、极线配置与电场优化方面的工程经验，可进一步提升捕集效率并降低现场臭氧暴露，减少滤材与清灰频次、延长设备寿命，从而降低综合运维费用。展望未来，结合在线臭氧监控与自适应高压调节、以及碳纤维材料改良与模块化碳刷盘设计，ESP将更好地兼顾超细颗粒控制与人员安全，尤其适合需要同时满足高效率微粒去除与低臭氧排放的工业与公共卫生场景。本文基于Zukeran等人的系统试验数据，提供了在中国工业减排与空气消杀需求下可参考的技术路径与工程实现方向[1-4]。

参考文献
[1] Zukeran A., Mashimo F., Kihara S., Yasumoto K., Ehara Y., Collection of nano size particle and airborne virus in an electrostatic precipitator with carbon brush disk electrode, Proceedings of 17th International Conference on Electrostatic Precipitation, Kyoto, 2024.
[2] Katatani A., Hosono H., Murata H., Yahata H., Mizuno A., Electrostatic Precipitator using Weak Corona Discharge generated by Carbon Fiber Flocking Electrode, Electostatic Joint Conference, 2016.
[3] Kim Y.-J., Han B., Woo C.G., et al., Performance of Ultrafine Particle Collection of a Two-Stage ESP Using a Novel Mixing Type Carbon Brush Charger and Parallel Collection Plates, IEEE Trans. Ind. Appl., 2017.
[4] Zukeran A., Ikeda Y., Mashimo F., et al., Effect of collection efficiency and reducing ozone generation in an electrostatic precipitator with knife edge disk type electrode, Journal of Electrostatics, 2023.
[5] Orita K., Okamoto N., Kato M., et al., Air Purification Systems for Large Scale Space Applied Electric Discharge Technology, Proceedings of 16th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2022.
[6] Ryu O., Tanino T., Furuhashi T., et al., Investigation of Elimination, Electrostatic Precipitation and Inactivation Effects by Corona Discharge Against Airborne Microorganism Under Airflow Condition, J. Inst. Electrostat. Jpn., 2017.