廣西大學(xué)破解濕法除塵百年難題，唯一單位發(fā)表Nature Sustainability

研究背景

濕法除塵技術(shù)自19世紀(jì)末問(wèn)世以來(lái)，是最重要的空氣凈化方法之一。其核心原理是利用水（或其他液體）與含塵氣體接觸，通過(guò)布朗運(yùn)動(dòng)、慣性碰撞等機(jī)制，使顆粒物被液體捕獲，從而實(shí)現(xiàn)空氣凈化。百余年來(lái)，該技術(shù)的優(yōu)化思路多集中于提升氣液接觸面積，例如通過(guò)微氣泡化強(qiáng)化傳質(zhì)與捕集效率。然而，微氣泡的生成往往伴隨較高能耗，使節(jié)水與降耗難以兼顧。如何在實(shí)現(xiàn)節(jié)水減排的同時(shí)降低系統(tǒng)能耗、提升顆粒物的捕集效率，是制約濕法除塵技術(shù)升級(jí)的核心難題。

在此背景下，基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的靜電吸附效應(yīng)為破解這一瓶頸提供了全新思路。靜電力可以驅(qū)動(dòng)超細(xì)顆粒物定向遷移，提升捕集效率。如何將摩擦生電效應(yīng)與靜電吸附作用相耦合，在不外加電源、不增加能耗的前提下，利用原位靜電場(chǎng)強(qiáng)化顆粒物捕集效率，成為推動(dòng)濕法除塵技術(shù)向高效、低耗、可持續(xù)方向革新的關(guān)鍵突破口。

文章概述

近日，王雙飛院士團(tuán)隊(duì)在濕法除塵技術(shù)中取得突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)受天然仿生結(jié)構(gòu)啟發(fā)，首次發(fā)現(xiàn)了脈沖氣泡驅(qū)動(dòng)高效發(fā)電的新現(xiàn)象，成功攻克了傳統(tǒng)濕法除塵的技術(shù)瓶頸，開(kāi)創(chuàng)出無(wú)需外接電源、可持續(xù)、高效的空氣凈化新路線(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，氣泡在周期性聚集后可產(chǎn)生毫秒級(jí)脈沖，使氣泡運(yùn)動(dòng)速度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而誘導(dǎo)產(chǎn)生高達(dá)-3.3 kV的強(qiáng)靜電勢(shì)。這種脈沖氣泡誘導(dǎo)產(chǎn)生的靜電力，可以原位吸附捕獲帶電荷的顆粒物，對(duì)PM1.0凈化效率達(dá)95.5%，對(duì)PM2.5去除效率最高可達(dá)99.8%。

這項(xiàng)技術(shù)改變以往研究依靠縮小氣泡體積實(shí)現(xiàn)高性能的局限性，實(shí)現(xiàn)了大氣泡和高性能的兼容，有望降低濕法除塵技術(shù)的能耗和處理性能，對(duì)于開(kāi)發(fā)可持續(xù)的濕法除塵技術(shù)至關(guān)重要。該項(xiàng)成果以題為“Pulsed bubble-induced ultrahigh electrostatic potentials for triboelectric air purification”發(fā)表在《Nature Sustainability》上。廣西大學(xué)為唯一完成單位，博士生劉濤和碩士生崔雪為共同第一作者，聶雙喜教授為獨(dú)立通訊作者，于康、李雪迪、葉梓怡、梁容榕、張松、羅斌等參與研究。

https://www.nature.com/articles/s41893-026-01827-6

圖文導(dǎo)讀

1.摩擦電過(guò)濾器的仿生靈感

錘頭鯊的魚(yú)鰓系統(tǒng)結(jié)合了網(wǎng)狀鰓耙（可高效捕獲微粒且流阻低）與雙層上皮（可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)氣體交換和離子過(guò)濾），構(gòu)成了一個(gè)高效的呼吸界面。受這種生物組織啟發(fā)，利用激光雕刻技術(shù)構(gòu)筑了具有類(lèi)似柵狀結(jié)構(gòu)的摩擦電過(guò)濾器。這種柵狀結(jié)構(gòu)使得氣泡在通過(guò)時(shí)被擠壓而產(chǎn)生較高的接觸面積，提高空氣凈化性能。當(dāng)含塵氣泡通過(guò)并分離液固界面時(shí)，液固接觸起電并產(chǎn)生靜電力，使得氣泡內(nèi)部的顆粒物(PM)被原位吸附捕集。

圖1. 仿生啟發(fā)摩擦電過(guò)濾器的設(shè)計(jì)概念

2.脈沖氣泡的演化機(jī)制

摩擦電過(guò)濾器由頂部柵狀結(jié)構(gòu)的氣泡門(mén)控和底部氣體儲(chǔ)存槽構(gòu)成。含塵氣泡預(yù)先在氣體儲(chǔ)存槽中聚集成大氣泡，直到當(dāng)浮力勢(shì)能突破氣泡門(mén)控產(chǎn)生的阻力時(shí)才可以產(chǎn)生瞬間的脈沖。一個(gè)典型的氣泡脈沖通常僅持續(xù)數(shù)十毫秒。由氣泡的浮力勢(shì)能驅(qū)動(dòng)并原位生成的靜電力，有效提高超細(xì)微PM的凈化效率，例如PM0.5的凈化效率提高了563%。摩擦電過(guò)濾器提供的直接除塵能力優(yōu)于絕大多數(shù)固體空氣過(guò)濾介質(zhì)，甚至媲美多種新興的空氣凈化技術(shù)。

圖2. 摩擦電過(guò)濾器的工作原理與性能

3.凈化效率可調(diào)節(jié)的空氣過(guò)濾器

過(guò)濾器的空氣凈化效率依賴(lài)于靜電吸附力。對(duì)于任何帶電的PM，它的靜電引力滿(mǎn)足庫(kù)倫定律，即靜電引力與帶電物質(zhì)間的距離呈反比。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)夾板的間距可以控制帶電PM與電介質(zhì)表面的平均距離。與庫(kù)倫定律相符，縮小間距可以提升PM的過(guò)濾效率，尤其是對(duì)于超細(xì)微PM。電介質(zhì)表面電勢(shì)隨著夾板距離縮小而顯著提升，更小的門(mén)控間距賦予了摩擦電界面更高效的顆粒物捕獲能力。

圖3. 摩擦電過(guò)濾器的性能優(yōu)化

4.液固界面靜電吸附的機(jī)理

為了進(jìn)一步理解液固界面對(duì)PM的吸收過(guò)程，通過(guò)數(shù)值模擬研究了脈沖氣泡對(duì)流體流動(dòng)和電場(chǎng)分布的影響。脈沖氣泡作用下的流場(chǎng)，液流和氣流各自形成了從中心向外圍發(fā)散的對(duì)流模式。其電場(chǎng)分布顯示在氣-液-固三相接觸線(xiàn)附近電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)顯著峰值，而界面遠(yuǎn)場(chǎng)處的電場(chǎng)則明顯較弱。電場(chǎng)強(qiáng)度與氣-液-固三相接觸線(xiàn)的距離呈指數(shù)型負(fù)相關(guān)，在距離為0.5 mm處產(chǎn)生的靜電勢(shì)比1.0 mm處距離高數(shù)倍。這意味著PM吸附過(guò)程傾向于發(fā)生在氣-液-固的三相接觸線(xiàn)，并隨著氣泡上浮持續(xù)進(jìn)行。

圖4.液固界面的靜電吸附機(jī)理

5.摩擦電過(guò)濾器的通用性

空氣凈化技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多變，過(guò)濾器經(jīng)常面臨腐蝕或堵塞的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。FEP具備優(yōu)異的耐腐蝕性，在酸性、堿性甚至鹽溶液的浸泡后，材料表面形貌幾乎保變。還驗(yàn)證多種含塵氣體對(duì)過(guò)濾器的影響，其中氨氣代表腐蝕氣體，甲醛代表有毒氣體。與復(fù)雜溶液體系類(lèi)似，易溶于水并且增加溶液離子濃度的氣體會(huì)影響空氣凈化性能，而典型的N2幾乎不影響凈化效率。耐用性和穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)空氣過(guò)濾器另外兩個(gè)重要指標(biāo)。即使在經(jīng)歷大約300 min的持續(xù)過(guò)濾中，過(guò)濾器的空氣凈化性能未發(fā)生顯著偏差。另外，通過(guò)簡(jiǎn)易的換水處理，過(guò)濾器可以在多次被污染后再次恢復(fù)初始的空氣凈化性能。

圖5. 摩擦電過(guò)濾器的通用性和穩(wěn)定性

6.摩擦電過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)拓展

空氣過(guò)濾器的氣體處理量對(duì)于各種應(yīng)用場(chǎng)景至關(guān)重要。摩擦電過(guò)濾器可采用6×8通道的矩陣布局，而氣泡儲(chǔ)存槽則以1:1的對(duì)應(yīng)關(guān)系排列在矩陣下方。在保持過(guò)濾性能的同時(shí)，該48通道裝置可靈活適應(yīng)多種氣體流量，可有效處理超過(guò)12 L min-1的空氣流量。將集成式摩擦電過(guò)濾器應(yīng)用于汽車(chē)尾氣凈化，尾氣中PM2.5可迅速降至約3 μg·m-3，同時(shí)多種尺寸PM的濃度均同步降低，證明尾氣得到快速凈化。

圖6. 多通道集成的摩擦電過(guò)濾器

總結(jié)

本研究提出了一種基于摩擦納米發(fā)電機(jī)增強(qiáng)的濕法除塵新技術(shù)，其工作原理依賴(lài)于脈沖氣泡誘導(dǎo)的超高表面靜電勢(shì)，以及液固界面的靜電力吸附效應(yīng)。這種源于液固界面電荷轉(zhuǎn)移的原位靜電吸附概念，為摩擦起電納米發(fā)電機(jī)與空氣凈化技術(shù)的跨學(xué)科融合提供了新見(jiàn)解。為適應(yīng)更廣泛的空氣凈化場(chǎng)景，這項(xiàng)工作已經(jīng)展示了摩擦電過(guò)濾器靈活組裝的工作潛力。預(yù)計(jì)通過(guò)合理調(diào)整器件結(jié)構(gòu)，可在空氣凈化效率與氣體處理量之間取得平衡，從而使其能夠適用于大規(guī)模的空氣處理場(chǎng)景。總的來(lái)說(shuō)，摩擦電過(guò)濾器具備綜合性的空氣凈化能力，有望進(jìn)一步開(kāi)發(fā)為可持續(xù)的大氣環(huán)境治理技術(shù)。

本文來(lái)自“材料科學(xué)與工程”公眾號(hào)，感謝論文作者團(tuán)隊(duì)支持。

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