基于静电吸附原理的除尘净化装置

基于静电吸附原理的除尘净化装置

杨森、彭玉马

安徽文达信息工程学院 安徽合肥 231201

摘要：现代工业发展迅速，引发一系列的环境问题，雾霾天气频发，PM2.5的指数持高不下，因此，产生了一系列的空气净化产品，现有的空气净化产品多为空气净化器，各种类型的净化器功能大多相似，但长时间在室内使用空气净化器，会对人健康造成一定的负面影响。本产品基于静电吸附原理的除尘净化装置可以在源头处减少PM2.5颗粒污染物进入室内，减少颗粒物对人体的影响，提高室内的空气质量。

关键词：PM2.5；空气质量；静电吸附；净化

1社会背景

1.1国外髙压静电除尘技术的发展过程及现状

1907年，科特雷尔首次将静电除尘技术应用于工业烟气的净化，并取得了成功，直到今天，静电除尘技术已广泛应用于钢铁工业、冶炼工业、火电工业、化工甚至所有领域。据数据统计，从1955年到现在，静电除尘技术在工业烟气处理能力普遍强化的情况下，现在的环境保护要求更加严格，可以预计，静电除尘技术将得到更广泛的应用和发展。

1.2国内静电除尘技术的发展过程及现状

自20世纪60年代以来，我国一直在不断研究静电除尘器，引进国外先进技术。静电除尘器的数量与日俱增，并逐步涉及到各个行业的粉尘治理。

我国静电除尘器的研究经历了四个阶段：包括起步阶段（60年代）、初级发展阶段（70年代）、提升阶段（80年代）和高速发展阶段（90年代）。在这个科技发展的新时代，静电除尘器应不断达到新的标准，实现更全面的除尘范围。

2研究目的

人类社会在发展进步的同时，也要注意自然环境的保护。但是随着工业化的发展，经济不断地发展进步，环境受到的破坏却越来越严重，其中最严重的当属空气污染。

2.1影响空气质量的因素

空气污染，是最直接影响到人类的生存环境的一种环境污染，以下是影响空气质量的几种主要的因素：

1. 工业污染：随着经济社会的发展进步，人类进入了工业革命时期，在工业生产的过程中，必然会产生大量的工业气体排入空气中，这就对空气造成了巨大的污染。

2. 交通运输：随着社会的不断发展，人民生活水平得到了巨大的改善，尤其是家庭轿车最近几年的发展，家庭小汽车已经成为大众化的状态，越来越多的家庭拥有家庭轿车。随着家庭小汽车的数量暴涨，汽车尾气排放量也是污染空气主要来源之一。

3. 森林大火：每年的秋冬季是山林火灾的高发期，山火具有火势猛烈、蔓延迅速、烟雾浓毒性大、扑救火灾难度大等等因素。也是空气污染的主要来源之一。

2.2现有净化装置存在的问题

由于前期的科技水平还不够成熟，现有的一些净化装置还存在一些问题，体现在以下几个方面；

1、早期的纱窗过滤效果太差，无法过滤空气中的微小颗粒物，几乎起不到过滤空气的作用，且传统的窗纱清洗不便。

2. 在产品使用时，空气信息无法直接反馈到用户的手中，需要用户主动前去观察，才能够得到产品使用时的一些反馈。

3. 在产品使用时，不能够及时的得到反馈是否需要更换过滤装置。

4. 传统的空气净化器主要的工作方式是对室内空间的空气进行过滤，在进行空气过滤过程中无法对室内的空气进行换气。

2.3现有除尘净化装置展示

在目前市场上，针对柳絮和灰尘进入室内的方法大多都是在窗户上安装一个纱窗（如图2-1)，时间久了灰尘和柳絮就会把纱网给堵住，影响到开窗通风和欣赏室外风景，而且清理起来不是特别的方便。

图2-1

因此市场上出现了一种新型的防尘纱窗（如图2-2），这种纱窗的除尘方式主要是在上方的长盒子里安装一个毛刷，以及收纳装置，通过来回拉动纱窗来进行清理和收集，这种方法的优点是省时省力，用起来比较轻松方便。但是这种纱窗磨损消耗比较且无法过滤空气中微小的颗粒物。

图2-2

以上防患柳絮和灰尘的方法是目前最常见的几种方法，各有各的优点和缺点，我们对着这些常见的方法进行总结研究和探讨，在这几个案例的基础上对产品进行创新设计，结合这些优点、避免缺点，做出了一种新型的智能除尘装置。

3除尘技术的发展

3.1除尘技术应用现状

我国进入经济发展阶段后，国民经济产值突飞猛进，但煤炭的使用量也在不断增加。随着钢铁、化工等行业的蓬勃发展，对空气中粉尘的治理已迫在眉睫。而且，人民生活水平在逐步提高，环境保护也要加强。静电除尘器已成为我国最重要的高效环保设备，并取得了良好的效果。

1973年，我国首次公布了13种物质的排放要求，随后各工业单位开始根据本行业性质对粉尘排放标准进行规范。

3.2使用人群分析

本次课题主要以家用静电防尘装置为主，通过静电除尘技术，防止空气中微小颗粒进入室内。从而达到洁净室内空气的效果。对此，通过问卷调查的方式，来进一步了解用户的具体需求。以下是收集的数据比例。

1、您觉得在日常生活里有哪些不足？外面灰尘多家里容易落灰占72%，有异物进入占48%，蚊虫过多占90%，其它占0.2%。

2、您对家用静电除尘装置的需求有哪些？防灰尘落入占100%，防蚊虫占76%，防异物占56%，其它占6%。

3、您在样式上对除尘装置有哪些需求？悬挂式占92%，放置式占64%，移动式占52%，其它占20%。根据调研结果显示，大家认为静电除尘装置需要具备防止灰尘落入室内，防止蚊虫入室的功能。并且以悬挂式为佳，不占地方。

3.3静电除尘技术的发展方向

在科技不断发展的今天，如何不断地提高除尘效率也是刻不容缓的课题。以绿色环保为基调，通过技术的革新，材料的替换。达到产品民用化、性能最大化的效果。因此需要进行进一步的探究，如在深化除尘理论研究方面：在电除尘器实际收尘过程中，随着带电粉尘在收尘板上的沉降，在收尘板表面形成一层逐渐增厚的粉尘层。粉尘层的厚度、比电阻以及电晕电流的强度，必然会影响电流在粉尘层中的传导和释放效果，导致粉尘层中滞留的电荷量不同。

在板面改性技术方面：电除尘器运行前两年除尘效果非常好，除尘效率可达99%以上，但随着运行时间的延长，除尘效果逐渐降低。在电除尘器的许多运行工况中，烟气和粉尘经常引起集尘板的腐蚀，集尘板表面形成“尘锈复合层”，进一步加重了振打和清洗的难度。

在粉尘强制收集技术方面：电场中粉尘浓度的分布与截面位置有关。在电场作用下，从电晕线到集尘板的各个截面上的粉尘质量浓度逐渐增大，靠近板表面的粉尘浓度最高。如何有效收集靠近极板表面的高浓度气流中的粉尘和极板振动产生的二次扬尘，即发明一种可行的粉尘强制收集技术，能有效降低粉尘的穿透率，可能是静电除尘技术突破的最实际问题。

4产品展示

4.1该装置创新点介绍

（1）本文所研制静电吸附原理的除尘净化装置是对市场上现有雾霾纱窗净化的补充，该净化装置作为一款智能家居，配有相应的手机app，用户在使用时可以在手机上直接对该净化装置进行操作，如设定功率、定时清理清理等。若净化装置在工作时发生破损、卡住等情况时，手机app会对用户进行相应的预警，用户就可以及时的进行修复等相应工作，最大程度上给用户最优的体验。

（2）该净化装置使用尼龙作为材质，采用感应起电技术来产生静电效应。装置在净化空气的同时也不会带来很大的污染，效率高并且环保节能。材料本身都可以回收、再利用，符合现在绿色循环发展观念。

（3）自动清理：利用超声波进行清洗。这款产品在向上收的过程中，利用超声波向下清洗到下面的凹槽里，最后把这个凹槽卸下来清洗即可。相对传统窗纱来讲，更加方便，也更加实用。

基于以上分析知，本文所研制基于静电吸附原理的除尘净化装置不但能够提高空气净化效率，而且降低了使用成本并且实现了加工工艺最优。因此，该机械的研制对社会生产具有较强的现实意义。

4.2产品特色

除尘净化效率高，能够吸附绝大部分的细小微颗粒，能够除去的粒子粒径范围较大，可净化大气中较高含尘烟气，结构简单，气流速度低，压力损失小，能量消耗比其他类型除尘器低，在设计中可以通过不同的环境进行不同的参数操作，来满足所要求的净化效率。

从健康和环保角度考虑，主机无噪音不耗电，防护网轻松持续的阻止微尘颗粒和柳絮进入室内，绿色环保，产品使用寿命较长，出现故障概率低，对使用家庭身体健康不会产生不良影响。

防护网材质经测试和网上调研，将材质确定为改良后的尼龙材质，防止了因静电起火的问题，线条为摩擦力最小的圆柱形，直径细小，初步确定0.165mm（±0.07mm），很好的解决了风阻的问题，让空气更易流通，透光和透气程度大大提升，比传统的除尘纱窗更能通风换气，净化室内空气。

4.3技术支持及安装要求

该净化装置直接作为窗户安装在窗洞上，通过顶盒的电源与内层尼龙材料发生感应起电的原理产生静电效应，完成吸附小颗粒尘埃的工作。在一定时间后由顶盒的驱动装置将内层平稳回收入顶盒中，同时对回收的部分在顶盒的清理区域使用超声波进行清洗。清理下来的小颗粒尘埃会落在底部的收纳盒。收纳盒适配的感应器在盒装满4/5时在顶盒的显示屏显示红灯预警，提示使用者清理收纳盒。产品通过蓝牙技术与相应的APP进行实时交互，装置出现问题可以在APP上进行查看、寻找解决方法等。

结合给料及加工工艺，本机计划设计的技术线路有以下几个方面：

（1）动力要求：空气中的气体分子被高压直流电场电离，产生大量的电子和离子。在电场力的作用下，它们向两极移动。在运动过程中，它们被气流中的尘埃粒子和细菌带电，带电粒子在电场力的作用下向对极板运动。除尘范围：能吸收空气中大部分粉尘，有效控制室内空气质量：

（2）主机规格：可定制，常见规格：1.6*0.2*0.2（m）；

（3）防护网规格：可定制，常见规格：1.2*1.5（m）；

（4）主机质量：4kg；

4.4产品展示

图4-1产品效果图

如图4-1该装置为保证在各种天气下装置能够正常运行，对于下雨、下雪、雾天等天气都必须有相应的措施。检测到下雨、下雪天时，因为此时漂浮在空中的微粒较少，装置将调为低功率运行，确保安全也符合最佳效率。检测到大雾天时，因为空气中的微粒成分较多，装置将调为高功率运行，防止积攒过多导致装置故障或者净化功能减弱等问题。

为了保证装置清理下来的微粒不会过度积压，本装置在顶盒内部设置一个传感器，当顶盒里积压了一定量的微粒时，传感器感应到后装置显示屏上将显示红色的警示灯，如果积压的微粒超过了极限值，该装置将自动停止工作，防止过度工作后积压的微粒无法处理，从而导致装置损坏等问题发生。对不同的板块进行进行分解，可以更加直观的看到不同板块的设计组成，有利于用户了解该装置的结构组成。

结 论

在本次设计中通过小组成员之间的合作，把理论知识结合实践对基于静电吸附原理的除尘净化装置进行创新设计，在设计前期进行市场调研，对不同种类的净化装置进行调研分析，结合用户需求，对设计方案进行优化细化。

为保证方案的可行性小组做了大量的分析论证工作，包括用户调查、采集机械的数据以及市场同类产品的对比分析等。进而设计产品的应用场景、外观造型及交互界面等。该基于静电吸附原理的除尘净化装置，设计有传感器、收集盒和收卷装置。

本次设计方案存在不完美处，随着未来技术进步，设计者经验的积累，基于静电吸附原理的除尘净化装置设计还会有更大的升级空间，需要设计者不断地创新。