多针负电晕放电的甲醛净化试验

黄惠芬，郑跃胜，何桐桐

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108)

0 引言

室内空气质量与人类健康息息相关，因此受到高度重视.以甲醛为代表的挥发性有机物是对人体健康威胁较大的一类室内空气污染物[1].甲醛可能来源于各种装修涂漆、劣质家具、墙纸等.长期生活在高浓度甲醛环境中会对人体产生危害，引起人的呼吸道水肿、皮肤过敏、头晕恶心，甚至会引发癌症[1].除日常通风外，目前甲醛净化的手段主要包括吸附、臭氧净化、负离子净化和光催化氧化等[2-3].其中部分方法存在二次污染、技术复杂、成本高昂等问题.与上述方法不同，电晕技术放电稳定、处理流程短、能耗低、效率高，对甲醛、甲苯、二甲苯等挥发性有机物有较好的去除效果[4-5].

电晕放电是高电压下的一种极不均匀的放电形式，通常发生在曲率半径极小的尖端.近年来，国内外学者采用不同的电极结构，利用电晕放电开展大量的空气净化研究[6-10].Mista等[11]利用线-板结构直流电晕放电，处理质量浓度为85.714 mg·m-3的甲苯空气流，甲苯净化效率可达93%.李坚等[12]以钛酸钡和亚硝酸铁为载体，研究电晕放电对甲醛气体的净化效率，结果表明，提高电压和减小气流流速均有利于净化效率的提高.

在电晕放电净化技术方面，通常利用脉冲电晕和直流电晕的放电形式.研究发现，直流电晕能量密度更高，副产物产生量更少[13].Chen等[14]研究正极性电晕和负极性电晕的放电特性，发现在相等电压下负电晕放电能够产生更高数量级的电子数，电子碰撞的反应速率更快.负电晕放电用于空气净化中不但能达到较高的净化效率，而且能产生大量有益于人体健康的负离子[9].目前，多针负电晕放电的研究多集中在放电等物理机制上，对空气污染物的净化机制的研究鲜有报道.

电极表面存在水膜时，在较大的电场强度下可转化为雾化电晕放电，多用于废水净化和染料脱色等方面，但将其应用于空气净化的研究较少.郭治明等[15]采用线-板式电极结构，在大量液滴下进行雾化电晕放电，增强静电凝并，得到更高的除尘效率.对于不同类型污染物和多尖端电极结构，湿式电极电晕放电是否都具有更高的净化效率仍有待研究.

本研究搭建多针-网负极性电晕放电空气净化实验平台，利用其产生大面积的活性粒子，对室内空气中的甲醛进行净化.将不同针数的电极在不同输入电压下得到的3组净化效率进行对比，并进一步研究电极干湿状态对净化结果的影响.

1 实验设计

1.1 实验装置

图1 高压针电极排列Fig.1 Arrangement of needle electrodes on high potential side

实验采用多针-网电极结构来产生负电晕放电.净化实验腔体尺寸为85 cm×58 cm×47 cm，腔体透明.实验装置包括负极性高压直流电源、多针-网电极、固定式甲醛检测仪、空气循环扇等仪器.此外，还包括微安电流表、轴流换气扇、温湿度计、超声雾化片等辅助设备.73030N型负极性高压直流电源可实现电压从0～-30 kV连续可调，为针电极提供负直流高压.JA500-CH2O型固定式甲醛检测仪可利用电化学原理检测甲醛气体的质量浓度，其测量范围为0～12.245 mg·m-3，分辨率为0.012 mg·m-3.超声雾化片的频率为108 kHz，喷雾孔数为740，孔径为5 μm，可通过高频振动产生水雾，浸湿电极.多针-网电极的针电极和网电极均为不锈钢材质.其中，网电极接地.针电极的直径为1 mm，针尖曲率半径为0.05 mm，长度为5 mm.网电极的网孔直径为3 mm，网孔中心间隔为5 mm，板厚为1 mm.高压侧电极的针焊于圆形不锈钢均压片上.3种多针电极的针尖排列如图1所示，红点代表针尖，红点数量即为针的数量，用n表示.针电极垂直地面放置，针-网电极间距用d表示.针-网空气间隙下方置有超声雾化装置，装置开启时针尖挂有小水珠颗粒，电极为湿式状态.

1.2 净化实验

对于室内空气中的甲醛含量，《室内空气质量标准》规定甲醛质量浓度不得超过0.1 mg·m-3[16].实验中的甲醛污染来源于甲醛溶液自然挥发产生的甲醛气体，并设定初始甲醛质量浓度为1.224 mg·m-3.

实验流程如下：1) 净化空间通风，使腔体内甲醛质量浓度低于0.061 mg·m-3；2) 将2 mL质量分数36%的甲醛溶液静置于腔体内，检测到甲醛质量浓度高于2.449 mg·m-3时取出污染源；3) 开启空气循环扇，使甲醛均匀扩散，持续3 min后关闭，转为自然扩散；4) 当甲醛质量浓度接近设定的初始值时，电极两端施加负极性高压进行电晕放电，并在质量浓度达到初始值时开始记录甲醛的质量浓度变化.每次净化实验均在无气流流动环境下进行，记录时间为30 min，实验结束后开启高速轴流换气，还原腔内空气状态.

2 电晕放电安伏特性

2.1 实验测量数据

对针-板电极施加直流高压时，其电晕电流和输入电压为二次关系，满足汤森关系，其半经验公式[17]为：

I=CU(U-U0)

(1)

式中：I为放电平均电流，单位为μA；U为高压侧输入电压，单位为kV；U0为电晕起始电压，单位为kV；C为关系系数.

图2 针-网电极电晕放电的安伏特性Fig.2 Ampere-volt characteristic of multi-needle corona discharge

对于某些结构参数下的针-板电极，其电流与电压的关系不严格服从二次关系，并不满足式(1).因此有学者提出适用于点-面系统的经验公式[18]，可表示为：

I=C(U-U0)m

(2)

式中：常数m约为1.5～2.0.

在净化实验前，分别测试当n为3、6、8时，针-网电极的电流值.实验条件如下：温度为(35.5±0.5)℃，相对湿度为(52±1)%，压强为100 kPa.图2是-4～-10 kV电压范围内的电晕放电安伏特性曲线.随着电压升高，电流呈指数规律增大.当电压较低时，不同结构针-网电极的电流相近.6种电极的U0均在-4～-7 kV范围内.当电压相同时，高压侧电极n越多，电流越大，放电功率越高.d为1.5 cm时的针-网电极结构在放电阶段和临近击穿时的电流远低于d为1.0 cm时的电流.

2.2 线性拟合分析

式(2)可以改写为：

lgI=lgC+mlg(U-U0)

(3)

由此可知，电流对数lgI和lg(U-U0)呈线性关系.当U0给定时，应用式(3)，并利用最小二乘法对实验测量数据进行线性拟合.利用总变异参数，即R2(也称为决定系数)，来确定U0.R2的计算公式为：

(4)

表1为不同电极结构的给定U0值和相应的R2值、m值.对于n为3和6、d为1.5 cm的两种电极，只有当电压增加到-6 kV后才能检测到微弱的电流.应用式(3)发现，当U0从-6 kV开始逐渐增大，R2随之减小，故设定上述两种电极的U0为-6 kV.对于另外4种电极，应用式(3)发现，在某个电压下，R2可达到峰值，此时线性拟合结果最佳.图3是拟合曲线和测量数据的对比，图中实线为拟合结果.电极在n为3和6、d为1.5 cm时的R2值略低于其他电极结构，总体拟合结果良好.同时，计算发现拟合曲线的m值大于2，说明多针-网电极的电流更大，放电功率更高，式(2)中的m取值范围更广.

表1 不同电极的U0、R2和m值Tab.1 Values of U0,R2 and m of different electrodes

图3 lg I的实验测量数据和线性拟合曲线Fig.3 Experimental data and linear fitting curves of lg I

3 实验结果

3.1 输入电压对多针电极净化效率的影响

使用-7～-9 kV的电压来研究多针电极的电压对甲醛净化效果的影响.当电压低于-7 kV时，部分电极电流过低.当电压过高时，容易造成间隙击穿.因此，选择电压在-7～-9 kV范围内.实验条件如下：温度为(35.5±0.5)℃，相对湿度为(52±1)%，压强为100 kPa.

图4 30 min内的甲醛净化效率Fig.4 Purification efficiency for CH2O within 30 min

图4是当电压为-7 kV、d为1.0 cm时，对甲醛质量浓度为1.224 mg·m-3的空气经电晕放电处理30 min的净化效率变化曲线.在30 min时，3针电极的净化效率为35%，6针电极的净化效率为48%；在19.5 min时，8针电极的净化效率已达到100%.在相同条件下，又进行电压为-8和-9 kV、d为1.0 cm时，和电压为-7～-9 kV、d为1.5 cm时的甲醛净化试验，并取出每组试验在30 min时的净化效率点或净化效率达100%的时刻点.电极在3种不同电压下的净化效率如图5所示.图中标注的时刻表示甲醛质量浓度为0 mg·m-3的时刻，该时刻电晕放电系统对甲醛的净化效率可达100%.当n和d保持不变时，随着电压升高，净化效率逐渐提升.当n为8时，电压越高，其净化速率越快，最快仅需12 min就可使甲醛质量浓度降为0 mg·m-3.随着n的增加，净化效率也相应提高.对于3种不同针数的电极，d为1.0 cm时的净化效率均大于d为1.5 cm时的值.n和电压越大，电晕放电强度越大，活性粒子与气体物质的反应越活跃，因此增加n和电压能更有效地提升甲醛的净化效率.

图5 不同电压下的甲醛净化效率Fig.5 Purification efficiency for CH2O at different applied voltages

3.2 电极干湿状态对8针电极净化效率的影响

电极结构的干湿状态可能会影响电晕放电对甲醛的净化效率.由图5可知，当n为8时，净化效率最高，因此进一步研究干湿状态对8针电极净化效率的影响，并设定d为1.0 cm.实验条件如下：温度为(21.5±0.5)℃，相对湿度为(63±2)%，压强为100 kPa.

干式和湿式状态下的8针-网电极在-4～-10 kV电压下的安伏特性曲线如图6所示.当电压为-8～-9 kV时，电极电晕放电稳定，净化效率较高.因此，设定电压为-8.5 kV，进行甲醛净化实验.当电压为-8.5 kV时，干式状态下的电流为87.2 μA，湿式状态下的电流为80.7 μA.30 min内甲醛净化效率变化曲线如图7所示.在24 min时，干式状态下的净化效率达到100%；在30 min时，湿式状态下甲醛质量浓度为0.122 mg·m-3，净化效率约为90%.湿式状态下的净化速率略低于干式状态下的净化速率.

图6 8针-网电极电晕放电的安伏特性Fig.6 Ampere-volt characteristic of 8-needle corona discharge

图7 30 min内的甲醛净化效率Fig.7 Purification efficiency for CH2O within 30 min

4 净化结果分析

多针-板式的放电结构能够形成类似介质阻挡放电的放电形式，并产生低温等离子体[18].本研究中的多针-网电极也属于多针-板式结构[4,19]，其电晕放电净化甲醛的原理包括两个方面：一方面是气体放电时产生的高能电子与甲醛分子的非弹性碰撞，使得甲醛分子的化学键断裂，发生电离；另一方面是大量的强氧化性活性基团(如含氧基团、羟基等)和臭氧等活性粒子对甲醛的氧化分解作用[13-14].负电晕放电产生电子雪崩后，电子崩头部的高能电子更多，甲醛分子的分解反应主要集中在电离区.

输入电压、电极结构等因素均能影响多针-网电极的甲醛净化效率，可以从两方面对净化效率进行提升.一方面，可提高电极的电场强度.电场强度越大时，能量越高，电离气体的能力越强，高能电子和活性基团越多，甲醛分子被分解的速度越快.电场强度与电压成正比，与d成反比，当n相同时，提高电压或选用较小的d能够增加电场强度，从而提升甲醛净化效率.另一方面，可采用多针电极.表1中6种电极的m值大于2，说明运动的电子数较多，总的电流增大，电晕能量增强.因此n增加，电晕放电产生的活性粒子总数也激增，活性粒子碰撞和氧化甲醛分子的概率大大增加，从而提升甲醛净化效率.两种方法的本质都是增加电晕放电产生的高能粒子数量，使高能电子和强氧化性活性基团数量提升.

利用Maxwell软件进行数值分析，可以得到针尖电场强度的分布.图8是当电压为-8.5 kV、d为1.0 cm时，8针电极的单根针尖电场强度分布云图.不同电极单根针的针尖电场强度(电压为-8.5 kV)如表2所示.多针电极的针尖电场强度均低于单针电极，说明多针电极的不同针尖存在互相屏蔽，会削弱电场强度，因此净化效率并不随n增多而呈倍数增加.针的排列形状为多个等边三角形的组合，因此n不同对多针电极的针尖电场强度影响不大，当d为1.0 cm时，电场强度随n增大略有增加，均在-30 kV·mm-1左右.因此，多针电极净化效率提高的主导因素是n增大引起的高能电子和活性粒子的增多，其对甲醛的净化作用大于电场被削弱所导致的不利影响.

图8 8针电极的单根针尖电场强度分布Fig.8 Distribution of the electric field intensity on single needle tip of 8-needle electrode

表2 不同电极单根针的针尖电场强度最大值Tab.2 Maximum electric field intensity of single needle tip with different electrodes

由图7可知，电极加湿后的甲醛净化效率降低，说明湿度也是影响多针-网电极净化效果的一个因素.由于甲醛易溶于水，为避免大量水雾影响实验结果，实验利用调速开关控制水雾量，使电极部分仅有针尖上挂有少量水雾.对多针-网电极施加高压，针尖水雾与空气同时被电离，造成电晕放电产生的负离子数量增多.但是，仍会有部分甲醛溶解在水雾中.湿度的增加影响强氧化性基团与甲醛分子的反应速率，导致湿式电极对甲醛的净化效率反而有所降低.

5 结语

本研究基于电晕放电理论，搭建甲醛净化试验系统，分析多针-网电极负极性电晕放电的甲醛净化特性.研究表明，多针电晕放电对一定体积空间内高质量浓度的甲醛有较高的净化效率.当电压在-7 ～-9 kV范围内时，电压越高，d越小，针电极电场强度越大，甲醛净化效率越高.同时，n越多净化效率越高.多边形排列的多针电极针尖之间有一定程度的电场削弱影响，但n增多会引起活性粒子数量增大，分解氧化甲醛分子的作用强于电场被削弱的影响.此外，甲醛分子易溶于水的特点减缓甲醛分解的速率.当电压为-8.5 kV、d为1.0 cm时，湿式状态下的8针电极电晕放电对甲醛的净化效率低于干式状态.