湿式静电除尘器中重金属迁移新思路：基于木陶瓷电极的铜析出研究

日本职业能力开发综合大学湿式ESP实验揭示：湿度与极性如何重塑铜离子在收尘极上的行为

关键词
heavy metal, corona discharge, copper, electrolysis, migration, 湿式静电除尘器, 工业烟气治理

近年来，伴随燃煤、燃生物质锅炉超低排放改造推进，行业关注点正从“颗粒物达标”拓展到“颗粒物携带的重金属风险”。静电除尘器（ESP）在全球燃煤电厂、垃圾焚烧、生物质锅炉中已经是标配，但传统设计更多聚焦于颗粒捕集效率，对烟气及粉尘中汞、铜等重金属的迁移和去除关注有限。随着日本《防止水银污染环境法》等法规的实施，以及中国和欧盟对重金属排放限值的逐步趋严，如何在既有静电除尘器系统内“顺带”处理重金属，成为工业环保领域的新技术风向。

在这一背景下，日本职业能力开发综合大学（Polytechnic University of Japan）的 Kawada Yoshihiro 团队，在第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024，京都）上发布了一项探索性研究，尝试通过湿式静电除尘器结构和电极材料创新，使附着在颗粒物上的重金属——以铜为代表——从粉尘中析出并迁移至收集电极，实现“在ESP内部进行重金属预处理”的构想。该工作聚焦于重金属、湿式静电除尘器、冠状放电、铜迁移等关键问题，对后续工程放大和技术路径选择具有一定前瞻性参考价值。

作者指出，化石燃料和生物质燃料中的灰渣和粉尘不仅含有常规无机矿物，还夹带来自土壤、木材乃至建筑废弃物（防腐剂、白蚁药）中的多种重金属[1]。过去行业在静电除尘器上更多采用活性炭喷射、外加化学药剂等方式吸附或富集汞、铜等元素[8]，不可避免带来设备复杂化、药剂消耗和后续固废处理成本。若能直接在ESP内部，利用冠状放电、湿式电极和电场力驱动重金属离子迁移，将有望形成不依赖强酸碱药剂的“电场选择性富集”技术路线。

由于汞具有高毒性及操作安全限制，该研究选择大气中关注度较高、同时又是典型过渡金属的铜（Cu）作为模型重金属[9]。思路是利用湿式静电除尘器工况：收尘极表面保持一定含水率，使粉尘上附着的重金属在水相中电离成金属离子，在冠状放电产生的电场和电流作用下，从载体颗粒向电极内部迁移并富集。

与传统不锈钢或铝板收集极不同，研究团队引入了一种导电多孔材料——木陶瓷（wood ceramics）作为接地收集电极[10]。木陶瓷以木屑和酚醛树脂粉为原料，经真空烧结制备，兼具导电性和发达孔隙结构，同时能够保持一定含水量，理论上有利于金属离子在电极内部迁移和固着。为了聚焦“电场–湿度–铜离子”三者的相互作用，实验没有直接使用真实飞灰，而是以含硝酸铜的色谱纸替代“含铜粉尘层”，便于定量测量和机理分析。

实验装置采用典型线–板式冠状放电结构。直径0.28 mm的不锈钢放电线作为高压极，与下方木陶瓷接地极之间的空气间隙为8 mm。木陶瓷事先浸润与试样相同浓度（20 mg/L）的硝酸铜溶液，以模拟湿式静电除尘器中“带铜粉尘+含水收集极”的状态。在木陶瓷表面铺放 50 mm×60 mm 的色谱纸，纸中预先加入 5 mL 20 mg/L 的硝酸铜溶液。放电线正下方区域定义为“放电区内”，其余为“放电区外”，便于比较电场作用直接影响区域与外围区域的差异。

为定量表征铜的迁移行为，团队并未直接测量电极上的铜含量，而是反向测量经冠状放电处理后，残留在滤纸中的铜量：

1）将处理过的滤纸放入盛有100 mL蒸馏水的烧杯中，加入5 mL浓硝酸，加热煮沸10 min，以充分洗脱纸上的Cu；

2）冷却后补足蒸发损失，体积定容至100 mL，搅拌均匀；

3）使用原子吸收分光光度计（Analytik Jena ContrAA-700，石墨炉法）测定溶液中Cu浓度，采用324.754 nm 或 327.396 nm 特征波长及标准铜溶液建立校准曲线；

4）对照样本为“相同时间放置但不加电压”的滤纸，用来表征自然扩散、挥发等非电场因素的影响。

基于测得的铜质量，作者定义了滤纸残留铜质量比 η：

η =（试样残留铜质量）/（空白对照残留铜质量）

其物理意义是：η＞1 表示在电场作用下滤纸“得到”了额外铜（可能来自木陶瓷电极中的铜向纸层迁移），η＜1 则表示铜从滤纸中流失（迁移向电极或者被带走）。这一无量纲指标，为比较不同湿度、极性下的铜迁移提供了统一尺度。

为研究湿度影响，团队设计了两类工况：一是低湿环境（相对湿度约30%），基本接近常规电除尘器干式操作条件；二是在玻璃密闭反应器内，通过小型加湿器和水盘维持相对湿度约100%，模拟湿式电除尘器或高湿烟道环境。反应器内放置高压线、电极组件及湿度计，通过玻璃容器隔绝外界空气扰动，从而稳定冠状放电时的局部环境湿度。

放电电流通过接地极回路中的数字万用表在线记录，用以估算整个处理过程的转移电荷量。考虑到实验中可能出现的闪络和火花放电，为保护测量仪表，研究人员在万用表两端并联了TVS瞬态抑制二极管（P5KE13CA-B），以快速箝位过电压，这一点对实际工业ESP的电气保护同样具有启发意义。

在低湿工况下（约30%RH，处理时间10 min），色谱纸表面水分迅速被冠状风和电晕加热带走，滤纸发生翘曲，局部甚至触发火花放电。测量结果表明：

– 负极性冠状放电条件下，滤纸残留铜量整体偏高，且放电区内残留量明显大于放电区外；

– 正极性冠状放电时，滤纸中的残留铜普遍低于负极性情形，显示正、负冠状放电在驱动铜离子迁移方向和效率上存在差异；

– 相比无放电的对照样本，部分试样η < 1，说明有一部分铜从滤纸迁移至下方木陶瓷电极或其它路径。 转入高湿工况（约100%RH，放电时间延长至15 min 以补偿电流变化），情况则显著不同： – 所有样本的滤纸残留铜量普遍高于对照，即η整体大于1，意味着在高湿条件下反而有铜从木陶瓷迁移回到滤纸中； – 但从极性看，负极性冠状放电条件下，放电区内滤纸上的残留铜仍高于正极性，与低湿工况下“负极性更易导致铜富集于上层”的趋势一致； – 就湿度影响而言，随着相对湿度提高，放电区内滤纸的残留铜质量比η总体下降，即“电场作用导致的净迁移效应”被削弱。 结合放电电流测量，作者进一步从“转移电荷”的角度分析了极性与湿度的影响。在相同绝对值9 kV电压下： – 负极性冠状放电的平均电流大于正极性，无论在低湿还是高湿条件下，负极性转移的总电荷量分别是正极性的1.8倍（低湿）和约1.5倍（高湿）； – 高湿条件下，无论极性，放电电流整体增大，但并非全部电荷都参与铜离子迁移，部分电流可能通过滤纸表面吸附水膜、电极支撑结构等“泄漏通道”，形成所谓“泄漏电流”； – 作者据此推测：低湿时电荷通道主要局限在“含硝酸铜的局部湿润区域”，因而铜迁移对电极极性更敏感；高湿时水膜在更大范围形成连续导电通路，电荷在系统中分流，真正驱动Cu²⁺跨界面迁移的“有效电荷”占比降低，导致湿度升高反而抑制了纯粹由电场驱动的铜析出过程。 综合上述结果，该研究给行业释放了几个重要信号： 第一，从机理上看，电除尘器中重金属并非简单“随灰走”，在湿式或半干式工况下，重金属离子有机会在电场、电流和多孔极板的协同作用下发生二次迁移和再分配。通过优化电极材料（如木陶瓷、多孔碳基材料）、提高极板持水能力，叠加控制极性和湿度，有可能在不增加强酸碱化学品的前提下，实现类似“原位电沉积／电迁移”的重金属富集过程。 第二，从设计参数角度，简单追求湿度越高越好并不一定有利于重金属迁移。该实验提示，在高湿度下虽然放电电流变大，但泄漏电流占比升高，等效“铜迁移效率（每单位有效电荷迁移的铜质量）”未必提升，甚至会削弱。对于计划在湿式ESP中叠加重金属控制功能的工程项目，需要从“有效电荷–湿度–极性”三者的综合优化出发，而不是仅用“电流越大越好”做单一指标。 第三，从极性选择上，负极性冠状放电表现出更强的驱动铜迁移能力，这与工业ESP普遍采用负极性以获取更高粉尘荷电效率的传统做法在方向上是一致的。但在追求重金属迁移时，是否存在某种“复合极性模式”（如分区正负极性、脉冲调制等）更有利于将金属离子定向推入多孔收尘极内部，仍有待进一步系统研究。 作者在论文结尾提出下一步计划：用高电阻率多孔陶瓷替代导电木陶瓷，限制电荷路径，更清晰地分辨“通过电极体内部”的电荷贡献，从而进一步厘清重金属由表及里的迁移机制[11]。对工业界而言，这意味着未来可能出现“功能化收集极”：上游仍以高效荷电–捕集颗粒为主，下游则通过特定材料和电气参数，定点实施重金属迁移与富集，为后续固体处置和资源化提供更高金属浓度的载体。 总体来看，这项来自日本职业能力开发综合大学的实验工作，虽仍处于实验室尺度，但已经在静电除尘器与重金属治理的交叉领域给出了一条新的技术路标：利用湿式静电除尘器中的冠状放电、电场和多孔收集电极，不仅捕集颗粒物，而且在微观尺度上重新“分配”颗粒中的重金属。随着针对汞、镉、铅、铜的排放标准趋严，围绕湿式ESP、电场驱动迁移、多孔功能电极的组合创新，很可能成为下一阶段工业烟气重金属控制的重要风口之一。 Keywords: heavy metal, corona discharge, copper, electrolysis, migration, 湿式静电除尘器, 工业烟气治理 References: [1] Sjaak van Loo, Jaap Koppejan (eds.). The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. London: Earthscan from Routledge, 2008: 38–47. [2] Kawada Y., Okawa S., Yamanaka H., Shimizu H. Odor Substance Generation from Alcohol Laden Air through Electrostatic Precipitator. The 8th East Asia Joint Symposium on Plasma and Electrostatics Technologies for Environmental Applications, 2021. [3] Japan Cabinet Office. Enforcement Order of the Act on Preventing Mercury Pollution of the Environment, Cabinet Order No. 378 of November 11, 2015. [4] Act No. 41 of 2015. The Act of Partial Revision of the Air Pollution Control Law. [5] Ministry of the Environment, Japan. Notification No. 94 of 2016, Method for Determination of Mercury in Stack Gas. [6] Noda N. Measurement Technologies of Mercury in a Combustion Flue Gas. Enermix, 2017, 96(6): 759–763. (in Japanese) [7] JIS K 0222. Methods for Determination of Mercury in Stack Gas. [8] Clack H. L. Fast Simulation of Mercury Adsorption within Electrostatic Precipitators. XV International Conference on Electrostatic Precipitation, Paper 36, 2018. [9] Kajino M., Hagino H., Fujitani Y., Morikawa T., Fukui T., Onishi K., Okuda T., Igarashi Y. Simulation of the Transition Metal-Based Cumulative Oxidative Potential in East Asia and Its Emission Sources in Japan. Scientific Reports, 2021, 11: 65501. [10] Kawada Y., Shimizu H., Ohkawa M., Mori S., Kakishita K. Effect of Woodceramics Grounded Electrode on Electrostatic Precipitator with Positive Corona Discharge. Transactions of the Materials Research Society of Japan, 2018, 43(3): 187–190. [11] Kawada Y., Mizoguchi S. Metal Ion Migration on Grounded Electrode Surface under Corona Discharge. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2023, 47(1): 127–128. (in Japanese)

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/

参考文献
[1] Sjaak van Loo, Jaap Koppejan (eds.). The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing. London: Earthscan from Routledge, 2008: 38–47.
[2] Kawada Y., Okawa S., Yamanaka H., Shimizu H. Odor Substance Generation from Alcohol Laden Air through Electrostatic Precipitator. The 8th East Asia Joint Symposium on Plasma and Electrostatics Technologies for Environmental Applications, 2021.
[3] Japan Cabinet Office. Enforcement Order of the Act on Preventing Mercury Pollution of the Environment, Cabinet Order No. 378 of November 11, 2015.
[4] Act No. 41 of 2015. The Act of Partial Revision of the Air Pollution Control Law.
[5] Ministry of the Environment, Japan. Notification No. 94 of 2016, Method for Determination of Mercury in Stack Gas.
[6] Noda N. Measurement Technologies of Mercury in a Combustion Flue Gas. Enermix, 2017, 96(6): 759–763. (in Japanese)
[7] JIS K 0222. Methods for Determination of Mercury in Stack Gas.
[8] Clack H. L. Fast Simulation of Mercury Adsorption within Electrostatic Precipitators. XV International Conference on Electrostatic Precipitation, Paper 36, 2018.
[9] Kajino M., Hagino H., Fujitani Y., Morikawa T., Fukui T., Onishi K., Okuda T., Igarashi Y. Simulation of the Transition Metal-Based Cumulative Oxidative Potential in East Asia and Its Emission Sources in Japan. Scientific Reports, 2021, 11: 65501.
[10] Kawada Y., Shimizu H., Ohkawa M., Mori S., Kakishita K. Effect of Woodceramics Grounded Electrode on Electrostatic Precipitator with Positive Corona Discharge. Transactions of the Materials Research Society of Japan, 2018, 43(3): 187–190.
[11] Kawada Y., Mizoguchi S. Metal Ion Migration on Grounded Electrode Surface under Corona Discharge. Journal of the Institute of Electrostatics Japan, 2023, 47(1): 127–128. (in Japanese).

获取更多静电除尘相关专业论文，请访问 https://isesp.org/conference-papers/