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针阵列双极电晕放电特性及其颗粒物捕集效能研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化和城市化进程的加速，大气颗粒物污染已成为一个严峻的环境问题，对人类健康和生态系统造成了严重威胁。据世界卫生组织统计，大气颗粒物污染每年导致超过700万人死亡，成为全球环境卫生问题的头号杀手。中国作为世界上最大的发展中国家，在经济快速发展的同时，也面临着严重的大气颗粒物污染问题，多个城市的PM2.5浓度长期高于世界卫生组织的安全标准。大气颗粒物的主要成分包括硫化物、氮氧化物、挥发性有机化合物和重金属等多种有害物质，这些物质会引发呼吸系统疾病、心血管疾病和肿瘤等健康问题。

在众多大气污染治理技术中，电晕放电技术因其独特的优势在捕集颗粒物方面发挥着重要作用。电晕放电是在强电场作用下，空气中的电子被电场加速，与气体分子碰撞，导致气体分子电离，形成正负离子，进而产生电流的过程。这一过程能够使颗粒物荷电，然后在电场力的作用下被捕获，从而实现对颗粒物的有效去除。然而，传统的电晕放电技术在放电能量密度和放电稳定性等方面存在一定的局限性，限制了其在颗粒物捕集领域的进一步应用。

针阵列双极电晕放电技术作为一种新型的电晕放电技术，具有提高放电能量密度和放电稳定性的优势，为解决颗粒物污染问题提供了新的思路和方法。研究针阵列双极电晕放电技术，对于深入理解其放电特性、优化电极结构、提高颗粒物捕集效率具有重要的理论意义；同时，该技术在实际应用中能够有效降低大气颗粒物浓度，改善空气质量，保障人类健康，具有显著的现实意义。

1.2国内外研究现状

在国外，对于针阵列双极电晕放电和颗粒物捕集技术的研究开展较早。一些学者通过实验和数值模拟等方法，对针阵列双极电晕放电的伏安特性、放电形貌以及颗粒物的荷电和捕集过程进行了深入研究。例如，Cristina推导出用于静电除尘的线筒式电晕放电的伏安关系，为电晕放电的理论研究奠定了基础；Yamada通过实验总结出针对网负电晕放电的伏安关系式，进一步丰富了电晕放电的理论体系。在颗粒物捕集方面，一些研究关注到纳米纤维膜在静电纺丝共纺技术下的电荷特性及其在高湿度环境中的应用，通过增强纳米纤维膜的静电势，实现了对颗粒物的高效低阻捕集。

国内的相关研究也取得了一定的进展。有学者提出了针阵列电极结构的双极电晕放电方式，并对多针电极结构双极电晕放电的伏安特性进行了研究，实验得出放电电流与针尖半径、电极间距和相邻针尖间距等参数的关系。在颗粒物捕集的实际应用中，一些研究聚焦于电晕放电技术在餐饮油烟净化、高温除尘和炭烟捕集等方面的应用，通过实验研究了针阵列双极电晕放电对颗粒物的捕集效果，分析了其高效荷电和高效捕集颗粒物的机理。

然而，现有研究仍存在一些不足之处。例如，对于针阵列双极电晕放电的微观机理研究还不够深入，对放电过程中产生的活性物质及其作用机制的认识还不够全面；在颗粒物捕集方面，对于不同工况下颗粒物的荷电和捕集特性的研究还不够系统，缺乏对实际复杂环境的适应性研究。此外，在针阵列双极电晕放电技术与其他颗粒物捕集技术的协同作用方面，也有待进一步探索。这些不足为后续的研究提供了可拓展的方向。

1.3研究内容与方法

本研究围绕针阵列双极电晕放电及其捕集颗粒物展开，具体研究内容包括：

针阵列双极电晕放电的发生与特性：提出针阵列双极电晕放电的发生方法，分析其结构特征和工作原理，研究其潜在优势；通过实验和理论分析，探究多针双极电晕放电的伏安特性，考察相邻针尖间距、电极间距和针尖半径等参数对伏安曲线的影响，推导其伏安关系；研究多针双极电晕放电的电极结构优化，分析各参数与放电功率密度的关系，确定优化的电极结构和尺寸；利用发射光谱研究多针双极电晕放电的形貌，确定其电离区的放电形貌和高能电子分布，分析其微观特性与放电电流和外加电压的关系。

针阵列双极电晕放电捕集颗粒物的过程与应用：研究针阵列双极电晕放电捕集颗粒物的原理，包括粒子荷电和荷电粒子的运动与捕集；通过实验研究一次通过反应器颗粒物捕集效果，分析外加电压、风速等参数对颗粒物捕集效率的影响，以及外加电压和风速与洁净空气量的关系；进行封闭室内颗粒物捕集效果试验，评估针阵列双极电晕放电在实际应用中的性能；将针阵列双极电晕放电技术应用于餐饮油烟净化、高温除尘和炭烟捕集等领域，通过实验验证其实际应用效果，并分析讨论。

本研究采用实验研究和理论分析相结合的方法。在实验方面，搭建针阵列双极电晕放电实验装置和颗粒物捕集实验装置，通过改变实验参数，测量放电电流、电压、功率密度以及颗粒物捕集效率等物理量，获取实验数据；在理论分析方面，基于气体放电理论和静电学原理，推导针阵列双极电晕放电的伏安关系，分析颗粒物的荷电和捕集过程，建立相关的理论模型，对实验结果进行解释和预测，从而深入研究针阵列双极电晕放电及其捕集颗粒物的特