（环境工程专业论文）针阵列双极电晕放电间距优化及其对室内颗粒污染物捕集.pdf

中文摘要 摘要 随着国民经济的发展、人民生活水平提高，对健康生活的要求也越来越高。 人一生中大部分时间都是在室内度过的，室内空气品质的好坏直接影响着人体的 健康。改善室内空气品质的主要措施之一就是控制空气中的污染物。 颗粒污染物是重要的室内污染物之一，作为影响室内空气品质的重要因素， 因其对人体健康危害极大而备受关注。颗粒物去除技术主要有过滤式净化方法、 负离子发生方法、静电除尘和非热放电方法。非热放电作为一个新兴技术因其具 有效率高、能耗低的特点使得国内外在该领域的应用研究非常活跃。本文提出的 针阵列双极电晕放电，相对于针板电晕放电具有更强的放电能量密度和放电稳定 性。 为了得出提高多针双极电晕放电结构放电能量密度的有效方法和结果，本文 在不同的相邻针尖间距、电极间距和针尖半径下进行针阵列对针阵列双极电晕放 电装置的放电实验，分析了相邻针尖间距、电极间距和针尖半径对放电功率密度 和放电稳定性的影响。得到的结论是：当针尖半径小于0 1 m m 时，放电能量密度变 化不大，优化的针尖半径为0 1 m m ；放电功率密度随相邻针尖间距和电极间距增大 而降低；相邻针尖间距在1 2 2 2 m m 范围内放电功率密度变化不大，优化的相邻针尖 间距为1 6 m m ；最大可注入功率在电极间距为3 2 r a m 时达到最大值。 本文利用得到的优化电极参数设计制作了非热放电反应器，并在该反应器上 进行了颗粒物去除实验，研究了不同运行参数( 外施电压、风速) 对净化效率的影 响；类比了两种不同电极结构( 针阵列对针阵列与针阵列对板) 对不同粒径颗粒物 处理效率的差异。通过分析可知，反应器的运行参数对其净化效率影响较大，在 正常的电晕放电范围内，净化效率随外施电压上升而提高，随风速的增大而降低， 在相同运行参数下反应器的净化效率一般随粒径增大而提高；与针阵列对板反应 器相比，该反应器对于粒径小于l g m 的超细粒子具有更好的处理效果。 关键词：双极电晕放电；放电能量密度；颗粒物；驱进速度；空气洁净量 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d ，t h er e q u i r e m e n to fh e a l t h yl i v i n g i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t g e n e r a l l y , o n ep e r s o ns p e n d sm o s to fh i st i m ei nt h eh o u s e t h ei a q ( i n d o o ra i rq u a l i t y ) c o n d i t i o nh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h eh e a l t ho fh u m a nb e i n g s o n eo ft h em a i nm e a s u r e so fi m p r o v i n gi a qi st oc o n t r o li n d o o ra i rc o n t a m i n a n t s p a r t i c u l a t ei so n eo ft h ep r i m a r yi n d o o ra i rc o n t a m i n a n t s p a r t i c u l a t ei so n eo ft h e m a j o rk i l l e r so fi n d o o ra i rq u a l i t ya n dh u m a nh e a l t h ，a n ds h o u l db e e np a i dm o r e a t t e n t i o n p a r t i c u l a t er e m o v a lt e c h n o l o g i e sm a i n l yi n c l u d em e c h a n i c a lf i l t r a t i o n ， n e g a t i v ei o n sg e n e r a t i o n ，e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o ra n dn o n - t h e r m a lp l a s m at r e a t m e n t n o n t h e r m a lp l a s m am e t h o d ，a sa p r o m i s i n gt e c h n o l o g yw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dl o w c o s t ，h a s b e e n w i d e l y s t u d i e db o t hh o m ea n da b r o a d t h e p r o p o s e d m u l t i - n e e d l e - t o - m u l t i - n e e d l ec o r o n ad i s c h a r g ei sm o r ep o w e r f u la td i s c h a r g ee n e r g y d e n s i t ya n ds t a b i l i t yt h a nt h eo n e so fn e e d l e t o p l a t ec o r o n ad i s c h a r g e i no r d e rt og a i nt h ee f f e c t i v em e t h o da n dr e s u l t so fi m p r o v e dd i s c h a r g ee n e r g y d e n s i t yo fm u l t i n e e d l e t o m u l t i n e e d l ec o r o n ad i s c h a r g e ，t h ed i s c h a r g ee x p e r i m e n t s w i t hd i f f e r e n ts p a c e sb e t w e e nn e e d l e p o i n t s ，d i f f e r e n ts p a c e sb e t w e e ne l e c t r o d ea n d d i f f e r e n tn e e d l e p o i n tr a d i u sh a db e e nc o n d u c t e d m e a n w h i l e ，t h ee f f e c t so ft h es p a c e s b e t w e e nn e e d l e p o i n t sa n db e t w e e ne l e c t r o d e s ，a n dt h ee f f e c t so fn e e d l e p o i n tr a d i u so n d i s c h a r g ee n e r g yd e n s i t yh a da l s ob e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y g e n e r a l l y , d i s c h a r g e e n e r g yd e n s i t yc a nb ec h a n g e dv e r yl i t t l ew h i l et h en e e d l e p o i n tr a d i u si ss m a l l e rt h a n 0 im m a tt h es a m et i m ed i s c h a r g ee n e r g yd e n s i t yr e d u c e sw i t hi n c r e a s eo fs p a c e s b e t w e e nn e e d l e p o i n t sa n db e t w e e ne l e c t r o d e s ，b u ti th a ss m a l lc h a n g e sw h e nt h e s p a c eb e t w e e nn e e d l e p o i n t si si nt h er a n g eo f1 2 m m 一2 2 m m t h eo p t i m u ms p a c e b e t w e e nn e e d l e p o i n ti sa b o u t1 6 m m a n dt h ea l l o w a b l e d i s c h a r g ee n e r g yd e n s i t yi su p t oi t sp e a kv a l u ew h e nt h es p a c eb e t w e e ne l e c t r o d e si sa b o u t3 2 m m t h en o n t h e r m a ld i s c h a r g er e a c t o rw a sm a d ea tt h eo p t i m u mp a r a m e t e r s ，a n d w a su s e df o rt h ep a r t i c u l a t em a t t e rr e m o v a le x p e r i m e n t s t h ee f f e c to fd i f f e r e n t o p e r a t i o np a r a m e t e r s ( a p p l i e dv o l t a g e ，w i n ds p e e d ) o np u r i f ye f f i c i e n c ya n dc l e a na i r d e l i v e r yr a t ew a sr e s e a r c h e db yt h ea b o v ee x p e r i m e n t s a n dw ec o n c l u d e dt h a tt h e r e a c t o ro p e r a t i o np a r a m e t e r sh a sag r e a ti m p a c to ni t sp u r i f ye f f i c i e n c y t h ep u r i f y 英文摘要 e f f i c i e n c yi n c r e a s e sw i t ht h er a i s eo fv o l t a g ea n dd e c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fw i n d s p e e d m e a n w h i l et h ep u r i f ye f f i c i e n c yo ft h i sr e a c t o rw a se n l a r g e du n d e rt h es a m e o p e r a t i o np a r a m e t e r s c o m p a r e dw i t hn e e d l e - t o p l a t er e a c t o r , i th a sab e t t e rp u r i f y e f f i c i e n c yf o rp a r t i c u l a t e sl e s st h a n1 “mi nd i a m e t e r k e yw o r d s ：b i p o l a rc o r o n ad i s c h a r g e ；d i s c h a r g ee n e r g yd e n s i t y , p a r t i c u l a t e m a t t e r ；d r i v es p e e d ；c l e a na i rd e l i v e r yr a t e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：垃睦到题拯电量邀电间距馑垡厦基过室凼题揎透鎏 物撞塞：。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他 个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：习为拉衫口7 年3 月弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：讲移南n 利导师签名：定菇酲 日期：知1 年3 月易日 针阵列双极电晕放电间距优化及其对室内颗粒污染物捕集 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 室内空气品质( i n d o o r a i rq u a l i t y ，n q ) 的研究成为近年来的一个热点【卜2 1 。其原 因源自以下几方面： ( 1 ) 室内空气污染物对人体健康危害极大【3 羽。室内空气污染首先危害呼吸道， 除引起“建筑物综合症”外，还会引起或加剧亚慢性、慢性呼吸道疾患，如支气管炎、 过敏性肺炎、肺癌及其他器官癌症【6 】。空气中的细菌微生物是呼吸道传染病的重要 致病源，而如果长期吸入细微颗粒物将严重影响人体健康m 。 ( 2 ) 随着室内装修不断升级，使得室内污染来源和影响因素愈趋复杂化，室内 污染日益严重且许多室内空气污染物浓度高于室外【8 】o 美国环保局的统计表明【9 j 室内空气污染程度往往是室外的2 5 倍，有时甚至可在1 0 0 倍以上。 ( 3 ) 室内环境是人类生存和活动的重要场所，由于生活形态和消费观念的改变j 现代人大部分时间都在室内环境中度过。据报道现代成年人7 0 8 0 的时间是 在室内度过，老弱病残者在室内的时间更高，可达9 0 以上，每天要吸a 1 0 m 3 1 3m 3 的空气【1 0 l 。 影响室内空气品质的污染因素可分为化学性、生物性及物理性三类。其中污 染室内空气品质的化学物质数量庞大，美国环保局1 9 9 1 年公布了对人体健康影响 较大的化学物质清单，清单中的化学物质分为4 类，即颗粒物( p m ) 、无机气体、挥 发性有机物、多环芳烃类物质【1 1 】。由此可见，颗粒物是重要的室内污染物之一。 作为影响室内空气质量的一个重要因素室内空气中的颗粒物因其对人体健康 危害极大而备受关注。 近年来，非热放电等离子体技术应用于污染控制成为一个新兴技术，目前国 内外在该领域的应用研究非常活跃，有关等离子放电净化室内空气的报道很多， 但大都基于对室内有害化学气体去除的研究，将该技术用于颗粒污染物捕集的研 究较少，仅有部分学者研究了该技术用于柴油机产生的颗粒污染物的去除，将其 用于捕集室内颗粒污染物未见有报道。 第1 章绪论 1 2 室内颗粒污染物的来源、特性及对人体健康的影响 1 2 1 室内颗粒污染物及其来源 室内颗粒物定义： 与室外大气颗粒物定义一样，室内空气中的颗粒物主要是指悬浮在室内空气 中的固体颗粒与液体的混合物。其中固体颗粒主要指灰尘、可吸入颗粒物、微生 物细胞、植物花粉等，它们成分复杂，对人体健康有很大影响。 由于颗粒物的形状和密度各异，相同直径或重量的粒子在空气中的动力学运动 特征是不同的，因此常用空气动力学当量直径( d 。) 来表示形状不规则的颗粒物。空 气动力学当量直径( d 。) 是指在低雷诺数气流中与所测颗粒物具有相同重力沉降末 速度的单位密度球体的直径。其粒径范围为0 0 0 5 l o o p m 。根据颗粒物粒径大小 可分为总悬浮颗粒物t s p ( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e s ) d 。一 l o o a m ：可吸入颗粒物i p ( i n h a l a b l ep a r t i c l e s 又称漂尘，p m l 0 ) ；d 。一 l o * m 和细颗粒物p m 2 j ( p a r t i c u l a t em a t t e r s ) d 。2 5 a m 。随着研究工作的深入，人们逐渐认识到，导致城区人群患病率和死亡 率增加的主要因素是飘尘( 或i p ) 的浓度而不是悬浮颗粒物总量。因此，美国国家环 保局于1 9 8 7 年将原来的颗粒物质指标t s p 项目修改为空气动力学直径小于或等于 1 叩m 的大气颗粒物，i l p p m l o 。近年来，人们进一步认识到飘尘中空气动力学直径 小于或等于2 5 , m 的细粒子( p m 2 j ) 易于富集空气中的有毒重金属、酸性氧化物、有 机污染物、细菌和病毒等，其对人体健康的危害远比空气动力学直径在2 瓢m 1 0 v m 之间的粒子大。因此，美国环保局于1 9 9 7 年再一次修改了大气质量标准，在 p m l o 标准基础上规定p m 2 5 的最高限值，以保护人体健康。欧洲现在尽管还没有 p m 25 标准，但对原有的p m l o 标准进行了修正，并分两个阶段进行。欧洲将p m 2 5 的测量纳入p m l o 的监测系统，明确表示在减少p m l o 的同时也包括p m 2 j 。我国公 共场所卫生标准系列( g b 9 6 6 3 8 8 g b 9 6 7 3 8 8 ) 给出的可吸入颗粒物试行标准为 不超过o 1 5 m g m 3 o 2 m g m 3 ( 日平均) 。我国室内空气质量标准( g b t 1 8 8 8 3 - 2 0 0 2 ) 将可吸入颗粒物的标准定为p m l o 0 1 5 m g m 3 ( b 平均) 。掘研究，p m 2 j 在大气中的停留时间为7 3 0 天。 室内空气中颗粒物的来源很广，但主要源于以下几个方面： 针阵列双极电晕放电间距优化及其对室内颗粒污染物捕集 室外来源：室外的主要污染源有天然来源如室外大气中粉尘，通过门窗、天花 板等维护结构缝隙的渗透、机械通风的新风以及人员带入室内，从而影响室内颗 粒的分布。尤其是在自然通风的状态下，直接决定着室内空气中颗粒物的浓度与 分布状况。 人为来源：如工业排放、机动车尾气、煤燃烧、建筑工地和地面扬尘、发电厂、 农村的秸秆燃烧等。室外空气的渗入，包括机动车尾气、是室内颗粒物的主要来 源【2 】。尤其是机动车辆燃烧的尾气对细颗粒有很大的贡献【1 2 , 1 3 】。 室内来源：除了室外颗粒物的影响之外，室内人员的活动或设备运行等是室内 颗粒物的另一主要来源。室内颗粒物的来源主要是燃烧过程、表面磨损、设备运 行、人员行动以及气溶胶消耗的产物，如有害物控制、清洁以及室内污染物的化 学反应等。 室内各种烹调和取暖，如煤、液化石油气、煤气、天然气及生物性燃料的燃 烧过程是室内颗粒物的最主要来源，它们能产生大量的可吸入颗粒物质，是p m l o 的重要来源之一。据统计，世界上5 0 、发展中国家9 0 的污染主要决定于取暖或 做饭采用的燃料【1 舢。吸烟和做饭是室内细小颗粒物( p m 2 j ) 的主要来源f 1 5 l 。 人员活动也与室内颗粒物含量密切相关。人们在室内的活动如走动和小孩的 玩耍：人的生理活动( 如皮肤代谢、咳嗽等) 以及谈话都可能产生颗粒物质：人的家 务活动，如清洁等也会增加室内的颗粒物含量。但对较小的颗粒物如p m 2 5 影响较 小。因为人员活动只能对已经沉降的颗粒有明显作用，而小颗粒一旦沉降在表面 之后很难再次悬浮。在一些办公建筑或工作厂房中，人的生产活动也会产生大量 颗粒物。比如办公建筑中人们使用的各类电子类( 如复印机、打字机以及其他一些 设备) 、化学类产品造成的室内空气中颗粒物的增加。 室内建筑材料表面的挥发也可能是室内颗粒物的主要来源。而供热通风空调 系统( h v a c ) 系统也可能因其适宜的温度和湿度，滋生微生物颗粒。另外，室内一 些污染物之间的化学反应也能产生颗粒物质。如室内的臭氧和萜烯可以反应生成 很微小的颗粒，由此可能将室内颗粒物质的浓度增加2 5 5 靴g m 3 【1 6 1 。 我国大部分地区烹饪和取暖主要以煤、煤气为燃料，甚至9 0 农村家庭仍以生 物体( 如柴草、秸秆) 为燃料，这些燃料在燃烧过程中释放出颗粒物、s 0 2 ，n o x 等污 染物，并且s 0 2 ，n o x 可通过氧化反应分别生成硫酸盐和硝酸盐二次颗粒物。世界 第1 章绪论 卫生组织对发展中国家经过大规模调查后发现，在这些国家的农村尤其是高原地 区颗粒污染物经常处于一个很高的水平，2 4 4 时平均p m l o 的浓度在3 0 0 3 0 0 0 卢咖3 ( 超过目前美国相应标准的2 2 0 倍) ，如果在烹饪时间可高达3 0 0 脚g m 3 。据 2 0 0 2 年3 月世界银行发表的一篇以“室内空气污染”为专题的报告中强调，在全球范 围内颗粒物的暴露有8 5 是发生在室内，而全球颗粒物暴露的7 7 是在发展中国 家。已相当严重的威胁着人体健康。 1 2 2 室内颗粒污染物对人体健康的危害 室内颗粒污染物对人体健康的影响主要是呼吸健康的影响。室内颗粒污染物 是通过被人吸入，然后沉积在人体呼吸系统内从而对人体健康造成危害。颗粒物 沉积在呼吸道上以后对人体的危害可分为三种：第一种是化学性的，即粒子表面 所携带的各种有害无机物和有机物，如重金属成分、硫酸盐、有机蒸汽等。这些 微粒进入人体后将对人体产生负面影响。第二种是物理性的，不可溶的粒子进入 肺泡后被肺食细胞吞食，然后通过气道的纤毛运动排除，或进入淋巴结。由于这 些污染微粒的影响，短期可引起哮喘疾病的增加，长期则导致呼吸感染、慢性支 气管炎、肺功能损伤或失常。第三种是生物性的，即粒子所携带的各种微生物如 细菌、真菌、病毒对人体健康的影响。室内颗粒物对人体的危害效果取决于：颗 粒物的物理化学特性、浓度、粒径、形态和组成成分以及颗粒物沉积的部位。 颗粒物的粒径决定了其被吸入并最终在呼吸系统的沉积部位，对人体产生的 危害也有差异。不同部位对颗粒物的收集效率也不同。粒径较大( 大于3 吮m ) 的降 尘很少能进入呼吸道，故对人体健康危害较小。粒径大于1 叽m 的颗粒物大部分被 阻拦在上呼吸道( 鼻腔和咽喉部) 中，而p m l o 能穿过咽喉部进入下呼吸道，特别是 粒径小于2 跏i n 的细颗粒物可以通过人体屏障，沉积在肿泡，甚至经过肺换气进 入人体血液循环系统到达其他器官，加之p m 2 j 上富集了重金属、酸性氧化物、有 机污染物( 如多环芳烃) ，同时还是细菌、病毒和真菌的主要载体，对人体健康危害 极大。因此，颗粒物的“区域沉积”就非常重要。图1 1 示出了颗粒物按粒径在人的 呼吸系统的沉积率旧。 针阵列双极电晕放电间距优化及其对室内颗粒污染物捕集 图1 1颗粒物按粒径在人的呼吸系统的沉积率1 1 - q f i g 1 1t h es e d i m e n t a t i o nr a t eo fd i f f e r e n td i a m e t e rp a r t i c u l a t e si nh u m a nr e s p i r a t o r ys y s t e m 在同样的环境条件下，颗粒物的吸入量与人的工作负荷、年龄有关。人的工 作负荷加大，呼吸量增加，从而随着呼吸进入呼吸道的颗粒物数量也增加【1 8 】。 m a r t o n e n 等【1 9 】对不同年龄的人的呼吸能力进行研究发现，随着年龄的增加，呼吸 频率降低，每次呼吸的空气量增加。由此说明，随着年龄增长，人的呼吸系统也 在生长发育，而不同的呼吸系统对颗粒物的沉积有着很大的影响。儿童的各部分 颗粒物沉积率都较成年人高，因此，室内颗粒物对儿童的危害，尤其是对5 岁以 下儿章的危害更为严重。 据o s t r o b 1 7 等在泰国曼谷的研究，当p m l o 日平均增加l o g m 3 时，总死亡率 增加1 2 ，其中呼吸道疾病死亡率增加3 6 ，心血管疾病死亡率增加1 2 。 对于具有慢性肺部疾病和心血管疾病的人而言，影响更大。其他许多研究也有类 似的结论。但许多对人体具有潜在危害的物质，如酸、重金属、p a h s 等，主要集 中于细粒子范围，而粗粒子中含量很少。因此，可认为大气中p m 2 j 浓度的增加会 导致发病率和死亡率的增加。 颗粒污染物除危害人的呼吸系统外，对人体的神经系统、心血管系统、免疫 系统也有一定的影响，并能产生诱变及致癌效应。 ( 1 ) 对呼吸系统的影响：大部分的颗粒物都可被呼吸道表面的纤毛粘附和清 除，但过多颗粒物的沉积会对气道产生刺激，导致大气道即刻反应平滑肌收 缩，气道阻力增加。由于气道粘膜发生慢性炎性病变，气道粘液纤毛系统运 转功能损害，对沉积物的清除能力减弱，使颗粒物有更多的机会进入小气道和肺 第1 章绪论 泡，颗粒物通过该区的时间相应延长，增加了重力沉降的几率，诱发呼吸道炎、 哮喘等疾病。成人感冒、咳嗽与p m l o 质量浓度显著相关，p m l o 每增加1 0 0 a g m 3 ， 其发病率相应升高4 8 1 和4 4 8 ：成年男性患支气管炎受p m l o 和p m 2 j 污染的影 响达到和接近显著水平，p m l o 每增加1 0 0 m g m 3 ，支气管炎发病率约增加5 1 3 f 2 。 空气中p m l o 平均每增加l o 1 9 m 3 ，肺功能下降1 ，各种呼吸道症状与疾病如咳嗽、 哮喘等就会增加i 0 1 2 0 。而污染区青少年学生总体肺活量的平均值均低于对照区， 其差别分别具有显著性( o 0 5 ) 和高度显著性( o 0 1 ) ，使肺功能下降，生理机能受 到影响。特别是具有腐蚀和刺激作用的s 0 2 和可吸入颗粒物可能是肺功能下降的 主要影响因素f 2 1 】。 ( 2 ) 对神经系统的影响：可吸入颗粒物被吸入后，使呼吸道粘膜的迷走神经末 梢受到刺激，引起支气管反射性收缩和痉挛，引起咳嗽、喷嚏和气道阻力增加， 同时粘膜表面粘液分泌增加，粘膜层变厚变稠，使上呼吸道纤毛活动受阻，减弱 上呼吸道过滤、清除、排出有害物质的作用【捌。机动车排出的颗粒物中所含的四 乙基铅会损害人体神经系统，引起儿童行为异常和智力障碍，母体接触铅污染后， 后代可能出现神经系统发育异常。小于m m 的含铅细颗粒物在肺内沉积后极易 进入血液循环系统，大部分与红细胞结合，形成铅的磷酸盐和甘油磷酸盐，然后 进入人体其他器官，导致高级神经系统紊乱和器官失能，表现为头痛、头晕及嗜 睡等【川。 ( 3 ) 对心血管系统的影响：p m 所引起的肺感染、肺功能下降只是暂时的、轻 微的，不足以引起心肌的缺氧性损伤。由p m 引起的心脏自主神经系统在心率、 心率变异、血粘度等方面的改变能增加突发心机梗死的危险。在直径小于2 5 a m 的颗粒物环境中逗留1 2 小时，可呼吸性颗粒物即能穿透肺脏自然防御障碍，深入 气体交换区域或肺泡，触发心脏病发作。暴露于高浓度的可呼吸性颗粒物中，还 会增加全身性皮炎症、血液粘稠度和血液中某些白蛋白，从而引起血栓。 ( 4 ) 对免疫系统的影响：颗粒物对免疫功能的影响体现在巨噬细胞的数量和活 性的改变，影响对细菌、病毒等感染的敏感性，使机体对传染病的抵抗力下降， 出现超常的免疫反应如变态反应，以及引起机体特意性和非特意性免疫的损害。 病原微生物随p m l o 进入人体后，可诱发感染性疾病。大气颗粒物污染还可使机体 免疫监视功能低下，导致机体对其他疾病的抵抗力降低。长期生活在颗粒物污染 针阵列双极电晕放电间距优化及其对室内颗粒污染物捕集 环境中的儿童在出现临床症状前，其机体免疫机能已有不同的程度的降低。通过 对某市随机抽取的3 0 0 名小学生进行的免疫功能测定，发现重污染区小学生唾液 中分泌型免疫球蛋白显著低于轻污染区的小学生i 矧。 ( 5 ) 诱变及致癌效应：在我国主要以煤、天然气以及生物体燃料为主，这些燃 料的燃烧是室内空气中多环芳烃( p a h s ) 的主要来源，燃烧产生的空气颗粒物均有 致突变性，而且燃煤颗粒物的致突变性强度高于燃气i 圳。燃烧木材的房日j 中p a i l s 浓度比其它房间高得多，生物体燃料的燃烧对肺癌的贡献率不可低估。天然气和 液化石油气本身并无致突变性，但其燃烧颗粒物具有直接或间接的致突变作用， 其中除含有强致癌物苯并芘( 1 3 a p ) # b ，还含有硝基多环芳烃( n 0 2 p a f i ) ，其主要成 分是硝基芘类，其中二硝基芘类是目前所发现的活性最强的化学致突变物，在人 类致癌病因中可能比b a p 更为重要【2 6 1 。 越来越多的流行病学研究表明，即使在国家标准控制浓度下，大气悬浮颗粒物 尤其是细颗粒物，与人群发病率和死亡率存在显著的相关性。目前，关于颗 粒物对人体健康影响的资料主要是从流行病学获得的，总的影响可以归纳为两大 类：一类为成人的日死亡率和年死亡率增加，尤其是心肺病患者。美国对东部六 个城市的租颗粒物、细颗粒物和硫酸盐颗粒物浓度进行了连续八年的监测，发现 1 3 死亡率的增加与p m l o ，p m 2 j 和硫酸盐颗粒物浓度都显著相关，其中同p m 25 的 相关性最强。当p m 2 j 日平均浓度增加l o , u g m 3 时，当天的死亡率会增加1 5 。其 中，顽固性肺病( c o p d ) 患者死亡率增加3 3 ，局部缺血性心脏病患者死亡率增加 2 1 。另一类为诱发心肺功能障碍，导致发病率增加，包括呼吸道系统疾病( 如气 喘、咳嗽) 、哮喘病发作、肺炎、支气管炎和顽固性肺病( ( c o p d ) 。此外，医院急 诊病人和就医人数增加，也都与大气颗粒物暴露量相关。尽管各个研究的研究对 象、气象条件、空气品质特征和研究方法学各不相同，但这些研究结果的一致性 都非常显著。 1 3 室内颗粒污染物控制研究现状 目前采用空气净化设备是室内颗粒污染物控制的主要方法之一，特别是在新 风品质不佳以及新风量受限制的情况下，更是一种必要且较为可行的手段。目前 市场上多种空气净化器功能基本一致，即吸尘、去臭、灭菌和产生负氧离子。其 第1 章绪论 主要装置是吸尘电场和负离子发生器。在室内用空气净化器中，由于集尘面积不 是很大，含尘气流一次通过电场的吸尘效率不可能很高，但含尘气流在一段时间 内，可反复多次通过电场，因而一段时间的吸尘效率仍可高达9 8 - 9 9 i 硎。 各种净化器按对室内空气的净化原理可分为：使用过滤器的空气净化器：离 子式空气净化器( 包括静电吸尘器) ，它利用电场捕集带电粒子；负离子发生器空 气净化器，它可以使室内空气中的颗粒物带电，然后这些带电颗粒物被吸附到墙 壁，地板，织物或电荷粒子收集器上：非热放电空气净化器，该技术还在发展之 中，一般采用各种电晕放电或介质阻挡放电方式，用于促进颗粒物荷电，利于荷 电粒子被收集。 1 3 1 过滤式净化方法 较早出现在市场上的净化器就是采用此方法，装有能滤除空气中微粒的过滤 材料，有时在滤料层内夹带有活性炭粉，具有过滤和简单吸附处理的功能，由于 滤层较薄，活性炭的量很少，在吸附过程中很快就会饱和，失去功效。其中的过 滤材料和h e p a 滤料( h i g h e f f i c i e n c y p a r t i c u l a t e a i r f i l t e r ) 能高效滤除空气中微 粒物、烟尘等，是性能价格比较好的、普遍采用的空气过滤材料。问题是处理量 受限制，且需要更换。一般过滤器有较大风阻，能耗大，影响处理量，因化学反 应和固、液颗粒物污染而需要定期更换滤芯。 1 3 2 负离子发生方法 负离子发生方法即高压电离空气产生负离子，使空气中的中性分子失去一个 外层电子，该分子成为基本正离子，失去的电子在于另外一个中型分子结合成为 基本负离子。人们发现空气负离子有很强的捕捉飘浮微尘的能力，使尘埃凝聚而 沉降【矧。室内空气负离子浓度保持2 万e a c m 3 以_ l ：时空气中的飘尘会减少9 8 。 飘尘直径越小越容易被负离子沉降。对人体危害最大的直径1 m 以下以气溶胶状 存在的微尘、细菌、病毒等，几乎不能在具有大量负离子的空气中存在。 同时据研究表明对人体有益的是负氧离子，负离子吸入人体后，一部分通过 肺泡进入血液，到达肌体深处，促进新陈代谢，使血沉减慢，并增加红细胞和血 钙含量。减少肌肉的乳酸，调节中枢神经系统。负离子还能够调整大脑皮层功能， 运动感觉值加快，促进体内合成和储存维生素，提高基础代谢率，促进蛋白质代 - 8 针阵列双极电晕放电间距优化及其对室内颗粒污染物捕集 谢，使肾、肝、肾上腺等组织的氧化过程加强，负离子可以帮助人体增强免疫力， 因为病毒必须带负电荷才能攻击活细胞，如果活细胞带负电荷，由于相互斥力， 可以使病毒失去攻击力，从而增强抗病能力。当负离子浓度超过2 万e a c m 3 时可 以治疗和缓解某些疾病。但是负离子一旦与空气中的悬浮颗粒结合，极易生成一 种具有极性污染的对人体有害的粒子! 重离子”。认为该技术须与过滤技术结合， 产生的负氧离子才能发挥其有效作用。 负离子产品一度在日本行销，但早已销声匿迹【2 9 】，而且此方法会伴随副产物 臭氧的发生。根据g b t 1 8 2 0 2 ，臭氧的最高允许浓度是0 1 m g m 3 。在如何减少臭 氧的产生这一问题上，有人提出用横向线一网电极结构、负高电压供电来产生对 人体健康有利的负离子；用电晕线加热方法来降低对人体健康不利的臭氧浓度和 提高室内负离子浓度。实验研究结果表明，电晕线加热有利于电晕放电进行，在 相同电压下，电晕线表面温度升高，负离子流随之升高：在电晕电流、负离子流 一定情况下，电晕线加热可减少臭氧产生，降低封闭室内的臭氧浓度。通过该技 术研制的负离子空气净化器样机满足人们对负离子( 1 0 2 e a c m 3 ) 和臭氧质量浓度 p ( 0 3 ) 一 0 靴m 的微粒以电场荷电为主；对d 。 0 1 即m 的微粒则以扩 散荷电为主；对于粒径介于0 1 5 0 缸m 的粒子，则需要同时考虑这两种过程1 3 7 1 。 2 3 1 电场荷电 电场荷电荷电量的计算 将一个不带电荷的粒子置于正电晕电场中，由于气体粒子碰撞粒子而导致粒 子荷电，随着粒子上累计电荷的增加，这些电荷产生的电场也越来越强，最后导 致再也没有气体离子能够到达粒子表面，此时粒子上电荷已达到饱和。用经典静 电方法可以求得荷电速率和饱和电荷，这里仅给出上述计算的结果。 粒子获得的饱和电荷g 。为： 拥。印；( 南) ， 式中：粒子相对介电常数( 与真空条件下的介电常数相比较) ； s o 真空介电常数，等于8 8 5 x 1 0 1 2 f m 或c 2 n - 1 m ； b 荷电( 电晕) 电场强度，v m ； 对于导电粒子s 为* ，故导电粒子饱和荷电量简化为q j 一掘。e 。d ： 影响电场荷电的重要因素，对于粒子特性是粒径d 。和介电常数；对于电晕 电场则是电场强度e 。和离子密度。对于一般的电场荷电所需要的时间小于 0 1 s ，所以对于一般的室内净化器可以认为粒子进入净化器后立刻达到饱和电荷。 2 3 2 扩散荷电 气体中的离子具有气体分子的热能，它大体上服从于分子运动理论。离子的 第2 章非热放电捕集室内颗粒污染物的机理 热运动使其在气体中进行扩散，并与其中的尘粒碰撞，这种离子会由于镜像力而 附着于尘粒上。随着离子愈接近尘粒，镜像力的作用也愈强。显然，离子的扩散 是形成尘粒荷电的机理之一。对于半径小于0 1 和m 的尘粒，扩散荷电起主导作用。 扩散荷电与外施的电场无关，也没有荷电的最大极限值。 2 3 3 电场荷电与扩散荷电的综合作用 对于粒径处于o 1 5 0 跏m 之间的粒子，同时考虑电场荷电和扩散荷电作用是 必要的。简单地将两者分别计算得的荷电量进行叠加，会导致较大的误差。通常 是综合两者的作用而导出微分方程式，这些微分方程式是非线性的，不能用解析 方法求解，只能用近似解法或数值解法。对于典型条件，电场荷电、扩散荷电和 两种过程综合作用时荷电量的理论值随粒径的变化示于图2 3 。由图可见，对于直 径小于0 1 舡m 的粒子扩散荷电占主导地位；对于直径o 靴m 以上的粒子则以电场 荷电为主。 坦 ：番 幡 椭 掣 颦 氍径v m 图2 3 典型条件下粒子荷电量 f i g 2 3t h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fp a r t i c u l a t e sa tt y p i c a lc o n d i t i o n 若干年以来，关于粒子荷电的最可信赖和最精确的试验是1 9 5 7 年休伊特 ( h e w i t t ) 公白的结果，他在o - 1 0 1 3 个m 3 ， e o = 3 6 k v c m 条件下的试验数据与 两种荷电过程综合作用下的理论值很吻合。 针阵列双极电晕放电间距优化及其对室内颗粒污染物捕集 2 3 4 异常荷电现象 应当指出，在一些情况下也会出现异常荷电。最重要的情况有三种： ( 1 ) 沉积在集尘极表面的高比电阻粒子导致在低电压下发生火花放电或在集 尘极发生反电晕现象，通常当比电阻高于2 x 1 0 1 0 q c r n 时，较易发生火花放电或反 电晕，破坏了正常电晕过程； ( 2 ) 当气流中微小粒子的浓度高时，虽然荷电尘粒所形成的电晕电流不大，可 是所形成的空间电荷却很大，严重地抑制着电晕电流的产生，使尘粒不能获得足 够的电荷。颗粒直径在m m 左右的数量越多，这种现象越严重： ( 3 ) 当含尘量大到某一数值时，电晕现象消失，颗粒在电场中根本得不到电荷， 电晕电流几乎减d , n 零，失去除尘作用，即电晕闭塞。由于气流不均匀，流速太 高等情况而造成集尘表面上的大量二次扬尘，这样由集尘电极上扬起的尘粒带有 正电荷( 对于负电晕放电) 。这些尘粒有的只部分重新荷电，有的来不及重新荷电， 当其被带出除尘器时，会降低除尘器的效率。在净化器运行过程中应尽量避免这 些情况。 2 4 荷电粒子的运动和捕集 2 4 1 驱进速度 荷电粒子一方面受电场力口e ，的作用；另一方面，当颗粒物以驱进速度移动 时，还会受斯托克斯动力粘性阻力鲫耐。m 的作用其相互关系为 m ，鲁一蚂一刎，珊 ( 2 2 ) 式中：为粒子驱进速度，m s 口为粒子荷电量，c ；e 。为集尘极的电场强 度，v mp 为空气动力学粘度，k g ( m - s ) 。 斯托克斯动力粘性阻力鲫耐，埘只适用于雷诺数r e ，c1 0 的范围，当粒径很小 时，要加上坎宁i y ( c u n n i n g h a m ) 滑动修正系数c 。坎宁汉校正系数c 与气体的温度、 压力和颗粒的大小有关，温度越高、压力越低、粒径越小，则c 值越大。作为粗 略估计，在2 9 3 k 和i o o k p a 下，c = 1 + o 1 6 5 d p ，其中d p 的单位为，锄。则上式 第2 章非热放电捕集室内颗粒污染物的机理 可写为 小，警一妒，一驯，以 ( 2 3 ) 对上式进行积分，并稍作简化处理，可得粒子驱进速度为 c o - - 差 亿24 ， o ) 刎 。 2 4 2 粒子的捕集效率一德意希( d e u s t c h ) 公式 粒子的除尘效率与粒子性质、电场强度、气流速度、气体性质及净化器结构 等因素有关。严格地从理论上推导除尘效率方程式是困难的，必须做一定的假设。 德意希( d e u s t c h ) 于1 9 2 2 年从理论上推导出计算电除尘器除尘效率的公式。在 公式推导过程中，做了以下几个假设：电除尘器中的气流为素流状态，通过除 尘器任一横断面的粉尘浓度和气流分布是均匀的；进入除尘器的尘粒立刻达到 饱和荷电；不考虑冲刷、二次扬尘、反电晕、尘粒凝并等的影响。在此基础上， 可以进行如下推导。 如图6 _ - 5 3 所示，设气体流向为x ，气体和尘粒的流速皆为t ) ( m s ) ，气体流量 为q ( m 3 s ) ，尘粒浓度为c ( g m 3 ) ，流动方向上每单位长度的集尘极板面积为 a ( m 2 m ) ，总集尘极板面积为a ( m 2 ) ，电场长度为l ( m ) ，流动方向的横断面积为f ( m 2 ) ， 尘粒驱进速度( 尘粒向集尘极运动的速度) 为t o ( m s ) ，则在d t 时间内于d x 空间捕集 的粉尘质量为 d m a ( 出) 0 3 c ( d t ) t - f d x 0 xzx 图2 4 德意希公式推导示意图 f i g 2 4s c h e m a t i cd i a g r a mo fd e u s t c hf o r m u l ad e r i v a t i o n 2 0 出口 针阵列双极电晕放电间距优化及其对室内颗粒污染物捕集 由于u d t - - - - d x ，代入上式得 竺出一丝 凡 c 对上式积分，代入边值条件：除尘器进1 3 含尘浓度为c l ，出1 ：3 为c 2 ，并考虑 到f u = q ，a