放电电极老化对静电除尘器的影响

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Impact of discharge electrode aging on electrostatic precipitator

　　

摘要：电晕放电电极控制着用于静电粒子荷电的离子产生，同时也影响着静电空气净化系统中臭氧副产物的生成。然而，粒子沉积和腐蚀如何改变放电电极性能仍未得到充分理解。在本研究中，通过A2粉尘、导电炭黑和FeCl?处理，建立了商用不锈钢针状电极的受控退化状态。我们识别出不同的退化路径，包括绝缘表面覆盖、导电尖端重构以及腐蚀引起的形态和表面化学性能退化。在最高A2粉尘负荷下，负离子浓度下降最高达56.8%，腐蚀后下降约50%。经典的粒子荷电-迁移-收集模型进一步表明，离子可用量的减少理论上将降低粒子荷电量和静电迁移，但这种响应是非线性的，并不能直接代表实测的收集效率。粉尘沉积后臭氧生成量减少最高达29%，腐蚀后减少47.4%，后者使生成速率从183.7降至96.6 mg/h。对于静电空气净化应用而言，臭氧生成的降低可能减少与臭氧相关的暴露顾虑，但这是在电晕放电活性减弱的情况下同时发生的，因此不应将其解释为整体性能的提升。这些发现阐明了不同的电极老化机制如何改变负电晕放电，并强调了电极耐久性对于可靠的粒子分离和静电空气净化技术安全运行的重要性。

引言：随着工业化和城市化的快速发展，大气颗粒物污染已成为一项主要的环境挑战[1]、[2]。静电除尘器（ESP）因其低压降、低能耗以及在大气流量条件下的高收集效率，已被广泛应用于工业烟气处理、空气净化设备和暖通空调系统中[3]、[4]、[5]、[6]。作为ESP的核心部件，放电电极通过负电晕放电产生大量电子、离子和活性物种，从而实现粒子荷电及后续静电收集[7]、[8]、[9]。电极的放电特性直接决定了负空气离子的产生速率和稳定性，进而调节粒子荷电效率，并最终影响ESP的总体粒子去除性能[10]。对于用于工业颗粒物控制的常规ESP而言，粒子收集仍是主要的性能目标。然而，对于用于通风、暖通空调及其他有人居住建筑应用的静电空气净化设备而言，由于处理后的空气可能直接输送至有人居住空间，电晕放电副产物也需要加以考虑。特别是，负电晕放电会产生臭氧作为电离过程中不可避免的副产物，而电子空气净化技术中的臭氧排放已在性能评估和相关标准中得到专门关注[11]、[12]、[13]、[14]。因此，保持放电电极性能的稳定性对于维持有效的粒子荷电同时限制空气净化应用中不良臭氧副产物的生成至关重要。随着基于电离的空气净化技术日益普及，理解在实际运行条件下放电电极特性的演变已成为一项重要课题[15]、[16]。

先前的研究表明，电晕放电特性高度依赖于电极几何形状、表面状态和材料性质[17]、[18]。因此，大量工作致力于电极设计优化、电场增强以及先进放电材料的开发，以提高电晕强度和粒子荷电效率[19]、[20]、[21]、[22]。已有广泛报道指出，尖端曲率半径、表面粗糙度和局部电场分布等参数显著影响电晕起始电压、放电电流、空间电荷密度和等离子体反应行为[23]、[24]。除了控制粒子荷电和收集过程外，负电晕放电期间产生的电子和活性物种还直接参与负空气离子和臭氧的生成[25]、[26]。因此，电极表面状态的任何细微变化都可能改变电晕放电特性以及相应的带电物种和等离子体化学副产物的生成。

在实际运行条件下，放电电极持续暴露于含粒子气流和化学腐蚀性环境中，导致表面以粉尘积累和腐蚀的形式逐渐老化。在这些老化机制中，粒子沉积可能在长期运行过程中逐步发展，因为粒子与电场、气流和电极表面相互作用[27]。关于静电除尘器中粉尘积累的现有研究主要集中在收集电极上的粒子沉积，其中沉积的粉尘层影响收集效率、粉尘排放行为、电气电阻率和反电晕现象[28]、[29]。因此，大量工作致力于优化收集电极构型和清洁策略[30]、[31]。相比之下，对放电电极上粉尘沉积的关注较少。与收集电极不同，放电电极直接负责维持电晕放电和产生带电物种。放电电极表面上粒子的积累可能改变局部电场分布、修改电子发射特性并影响等离子体生成过程。此外，具有不同电学性质的粒子可能通过不同机制与电晕放电相互作用。绝缘粒子可充当介电屏障削弱局部电场，而导电粒子可能修改有效电极几何形状并重新分配放电区域。尽管存在这些潜在影响，放电电极粉尘积累对电晕放电行为的影响仍未得到充分理解[16]、[32]。

表面腐蚀是放电电极在长期运行过程中的另一种重要退化路径。在实际应用中，放电电极可能暴露于水分、酸性污染物、含氯物种和其他腐蚀性环境中，这些环境可诱发钝化膜破坏、点蚀和表面形态退化[33]。先前的研究已广泛研究了静电除尘器及相关工业系统中金属部件的腐蚀机制、耐腐蚀性和材料退化。这些研究主要关注材料耐久性、腐蚀动力学和失效机制[34]。然而，相对较少的研究探讨了腐蚀引起的表面退化如何影响电晕放电特性。由于电晕放电对电极几何形状和表面状态高度敏感，腐蚀引起的尖端钝化、表面粗化和腐蚀产物生成可能显著改变局部电场、电子发射过程和等离子体反应。尽管如此，这些变化对负离子生成和臭氧形成的影响尚未得到系统阐明。

电极老化可能同时影响与粒子荷电相关的离子生成过程和电晕放电副产物的形成。对于基于ESP的空气净化设备而言，负离子可用量与粒子荷电能力密切相关，而臭氧是一种与安全相关的副产物，而非设备的主要功能目标。现有研究通常将放电电极视为结构稳定的部件，并专注于提高收集性能或抑制臭氧生成[35]、[36]、[37]。因此，长期表面退化与放电性能退化之间的关系尚未完全建立。特别是，粉尘积累和腐蚀是否通过不同路径影响负电晕放电，以及这些退化模式如何影响放电电流演变、负离子生成、粒子荷电相关行为和相应的臭氧形成，仍是需要系统研究的未解问题。

在本研究中，选用静电除尘器中使用的商用不锈钢放电电极作为静电空气净化设备的代表性放电电极。在受控实验室条件下分别考察了两种代表性退化模式——粒子沉积和腐蚀，以隔离它们对负电晕放电的各自影响。引入规定量的A2粉尘和导电炭黑以建立可重复的粒子覆盖电极状态，而采用FeCl?处理以产生具有代表性的局部腐蚀损伤状态。这些处理旨在提供受控的退化条件，而非再现实际ESP电极的完整沉积历史或精确服役时间演变。所得表面退化通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）进行表征，同时系统评估了负离子生成、臭氧生成和放电电流的相应变化。此外，引入经典的粒子荷电-迁移-收集框架，定量评估负离子可用量变化对粒子荷电量和静电收集性能的理论影响。因此，本研究的目的是阐明不同的电极退化机制如何改变电晕放电行为、粒子荷电相关的离子生成以及伴随的臭氧副产物形成，特别关注绝缘粒子沉积、导电粒子沉积和腐蚀引起的表面退化之间的对比效应。

章节片段

理论分析：负电晕放电由放电电极附近高场区域内的电子碰撞电离引发：e? + M → 2e? + M?，其中e?表示电子，M代表空气中的中性气体分子（如N?或O?），M?是由碰撞电离产生的相应正离子。随着电子从高场区域迁移，与电负性氧分子的附着变得越来越重要。在常压空气中，可以形成负氧离子。

模拟老化电极的制备：为研究长期表面退化对放电性能的影响，选用静电除尘器中使用的商用不锈钢针状电极（中国空气品质科技有限公司）作为测试样品。电极由304不锈钢制成，直径1 mm，长度30 mm，尖端角度约15°。商用放电电极组件由包含45根不锈钢针的5×9阵列组成。

含尘电极的表征：图2展示了原始和含尘电极的代表性宏观外观，其详细的微观结构演变和元素分布见图4。原始电极具有光滑表面和清晰定义的尖锐针尖（图4a），为负电晕放电所需的强局部电场增强提供了小曲率半径。随着模拟等效粉尘负荷的增加，A2粉尘粒子……

结论：本研究建立了不锈钢针状电极的受控粉尘加载和加速腐蚀状态，并结合了表面表征、电学测量、负离子和臭氧评估以及定量荷电-收集分析，阐明了电极退化如何改变负电晕放电。主要结论如下：（1）电极退化遵循与机制相关的路径。绝缘性A2粉尘主要改变了放电边界……

作者贡献声明：圣莺：写作-审阅与编辑、监督、方法学、资金获取、概念设计。高跃博：写作-初稿、调查研究、数据整理。

利益冲突声明：作者声明不存在任何已知的可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢：本研究由中国国家重点研发计划（2022YFC3702803）提供资金支持。

高跃博 | 圣莺
天津大学环境科学与工程学院，室内空气环境质量控制天津市重点实验室，天津 300350，中国