松山湖材料实验室-华北电力大学联合发表Building and Environment: 定量分析静电增强过滤器中电晕放电与极化电场对多种细菌灭活的影响规律

2025年10月27日，Building and Environment期刊（中科院工程技术1区）在线发表了松山湖材料实验室田恩泽副研究员和华北电力大学何峻州副教授团队的合作成果：Dual-zone electrostatic assisted filters: Quantifying corona charging vs. polarizing effects on bacterial disinfection across diverse species（https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.113911）。该工作系统解耦并量化了两类电场（为颗粒物荷电的电晕放电电场、为纤维荷电的极化电场）对三种代表性细菌（大肠杆菌、粘质沙雷氏菌、枯草芽孢杆菌）的灭活贡献，为工程化设计低阻、高效且安全的空气消杀过滤装置提供了定量依据。

【背景介绍】

生物气溶胶通过空气传播，对公共健康构成严重威胁，因此开发高效的过滤与消杀技术具有重要意义。双区静电增强过滤器因其高效低阻过滤生物气溶胶的特性受到关注，但其对不同微生物的灭活作用机制仍不清晰。本研究通过将电晕放电电场与极化电场独立调控，系统定量分析了两者在不同细菌灭活中的独立贡献。结果表明，不同菌种对不同电场的静电作用的敏感性存在显著差异，具体内容如下：

【实验方法】

研究者构建了一个可控的风道装置（内径50 mm），分为气溶胶发生段、微生物荷电区（使用钨针电极产生稳定正电晕放电）与纤维极化区（放置粗效PET纤维滤材并施加极化电压）。实验在可控环境中进行（22 ± 2 ℃，相对湿度50 ± 10%），并通过细菌气溶胶沉积到滤材上，再启动不同电场条件进行灭活性能评估。

图1. 双区静电增强过滤器性能测试系统示意图

通过不同参数灭活后，将滤材捕获的细菌用PBS + Tween 80洗脱，平板计数得到生存菌落数，定义存活率为灭活处理t时刻的生存菌落数（Ct），与刚沉积完未灭活处理的生成菌落数（C0）的比值。并采用一级动力学模型ln(Ct/C0) = -Zt，用Z值（单位：min-1）作为“对数灭活率”的定量评价指标。

【成果介绍】

(1) 实验验证了双区静电场对细菌具有显著的时间依赖性灭活特性

通过对枯草芽孢杆菌进行不同时长的双区静电消杀，结果显示细菌存活率在60分钟内下降至18.0%，显著低于自然条件下的存活水平。其灭活过程符合一级动力学规律，即细菌失活速率与作用时间呈对数线性关系。该结果证明双区电场在持续运行条件下具备稳定的杀菌能力与可预测的动力学特征。

图2. (a)双区静电增强过滤器中枯草芽孢杆菌随时间变化的存活率；(b)对应的 ln(Ct/C0)变化曲线图

(2) 揭示了灭活效果的显著菌种依赖性

对三种典型空气细菌进行对比实验发现，双区静电场对不同菌种表现出显著差异的灭活效率。革兰氏阴性菌（大肠杆菌、粘质沙雷氏菌）在灭活处理60分钟后的存活率分别降至10.5%和13.8%，而革兰氏阳性菌（枯草芽孢杆菌）仍保持18.0%的存活率。其对应对数灭活率Z值分别为0.062、0.077和0.024 min⁻1，体现出菌种对静电场的敏感性对灭活效率具有显著影响。

图3. (a) 收集于粗效过滤器上的菌落培养图像；(b) 三种细菌在双区静电增强过滤器中随时间变化的存活率；(c) 三种细菌的ln(Ct/C0)随时间变化曲线。

(3) 分区实验明确了放电区与极化区的独立灭活贡献

通过分别启用微生物荷电区和纤维极化区的独立实验，验证了两种电场（电晕放电电场和极化电场）在灭活机制上的差异与独立性。结果表明，电晕放电电场主导细菌灭活，对阳性菌灭活效果尤为显著；而极化电场对阴性菌灭活更为有效。双电场同时作用时，其灭活效果与两单电场效应的乘积高度吻合，证明两者在消杀性能上能够实现直接叠加增强。

图4. 不同电场作用下，(a) 枯草芽孢杆菌和(b) 大肠杆菌随时间的存活率变化

图5.双电场同时作用灭活效果与两单电场效应的乘积对比

(4) 系统建立了电压依赖的灭活规律

通过调控电晕放电和极化电压，系统分析了电场强度对灭活速率的影响。结果显示，电晕放电电场的灭活能力随电压升高呈指数增强，对数灭活率Z值由0.0054 min⁻¹提高至0.024 min⁻¹，增长约四倍；极化电场虽同样随电压提升，但增强幅度较小。值得注意的是，阴性菌在低电压下即表现出较高的灭活率，而阳性菌则需较高电压方能获得显著失活效果，揭示了菌种类型与所需灭活电场强度之间的关系。

图6. 不同电压下枯草芽孢杆菌与大肠杆菌的存活率以及Z值。

【成果小结】

本研究针对双区静电增强过滤器的空气微生物消杀特性开展了系统性研究与机理分析。该过滤器包含微生物荷电区（电晕放电电场）和纤维极化区（极化电场）两部分，能够协同实现颗粒捕集与细菌灭活。本研究通过控制电压、作用时间及菌种类型等因素，系统考察了不同条件下的灭活规律及其影响机制。结果表明，在10 kV电晕放电电压与极化电压作用下，枯草芽孢杆菌的存活率在60分钟内下降至18.0%，符合一级动力学规律。三种典型细菌（枯草芽孢杆菌、大肠杆菌和粘质沙雷氏菌）在相同条件下表现出显著的菌种依赖性灭活差异，其中革兰氏阴性菌的对数灭活率（Z = 0.062–0.077 min⁻¹）显著高于革兰氏阳性菌（Z = 0.024 min⁻¹）。分区实验结果显示，阳性菌对电晕放电电场更加敏感，而阴性菌对两种电场敏感度相当，两种电场的灭活效应可叠加但无明显协同作用。调控电场强度的实验进一步表明，电晕放电电场导致的灭活效率随电场强度增加呈指数增强，而极化电场导致的灭活效率变化相对缓慢。

作者介绍：

该论文的通讯作者松山湖材料实验室田恩泽副研究员，课题组主要从事空气净化、气体传感、纳滤薄膜等传质强化相关研究。第一和合作作者为华北电力大学动力工程系副教授何峻州及硕士生曹明瑞等，课题组主要从事室内环境化学、污染物控制技术等研究。

本文引用格式：

He JZ, Cao MR, Xu HT, Liang QS, Yu M, Zhang SC, Su YF, Lin CF, Liu ZJ, Tian EZ*. Dual-zone electrostatic assisted filters: Quantifying corona charging vs. polarizing effects on bacterial disinfection across diverse species. Building and Environment, 2025, 287, Part B, 113911. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2025.113911