博士生夏凡轩ACS ES&T Engineering封面论文：双区静电驱动过滤器同步捕获与灭活细菌气溶胶的技术研究
2024年3月4日，《ACS ES&T Engineering》杂志以封面论文刊登课题组博士生夏凡轩的最新成果：Simultaneous Capture and Inactivation of Airborne Bacteria by a Dual-Zone Electrostatically Actuated Filter （https://doi.org/10.1021/acsestengg.3c00525）
背景介绍：
室内空气质量对人类健康至关重要，而生物气溶胶（如细菌、真菌和病毒）的传播已成为重大公共卫生挑战。尤其在新冠疫情后，生物气溶胶控制技术需求激增。传统纤维过滤器虽广泛用于暖通空调（HVAC）系统，但存在两大缺陷：一是高捕获效率往往伴随高风阻，增加风机能耗；二是被捕获的微生物可能在滤网上存活甚至繁殖，释放病原体或毒素造成二次污染。现有技术如紫外线杀菌、光催化氧化等虽能灭活细菌，但需额外设备且难以与通风系统集成。因此，开发一种能同步高效捕获、灭活细菌且维持超低风阻的技术，成为能源节约型通风系统的迫切需求。
成果介绍：
（1）高效细菌气溶胶捕获性能：静电协同作用实现98.4%捕获率
本研究提出的双区静电驱动过滤器通过创新设计突破传统局限。其核心由预荷电区与极化区组成：预荷电区通过尖端电极针板放电使来流细菌带电；极化区通过高压电场极化滤网纤维，增强静电力。如图1所示，实验结果表明，在0.5 m/s风速下，对0.3–0.5 μm的大肠杆菌（革兰氏阴性菌）和表皮葡萄球菌（革兰氏阳性菌）气溶胶的捕获效率从普通粗效滤网的25.4%跃升至98.4%，风阻仅4.5 Pa。即使风速升至2.5 m/s，效率仍超90%，风阻仅50.8 Pa，远低于同类技术。
图1. 双区静电驱动过滤器生物气溶胶捕获性能实验结果：a）荷电电压影响；b）极化电压影响；c）生物气溶胶粒径影响；d）迎面风速影响
（2）长期高效稳定运行：30天持续高效，性能衰减仅1.7%
为验证实际应用潜力，团队进行了连续30天的持续测试。实验结果如图2所示，在每日运行13小时、风速1 m/s条件下，过滤器对大肠杆菌气溶胶的日均捕获效率达93.8%，波动幅度仅4.8%。对比普通粗效滤网（7天内效率跌至20.7%），静电驱动过滤展现出显著稳定性。30天后，效率仅微降至92.1%，且滤网可通过简单清洗或更换恢复性能。其低能耗特性（功耗0.18 W）与通风系统天然适配，为长期节能运行提供保障。
图2. 双区静电驱动过滤器对大肠杆菌气溶胶的长期捕获性能：a）静电驱动过滤器30天持续性能；b）普通粗效滤网7天对比实验
（3）静电协同灭活机制：双区电场24小时灭活率超96%
本技术的核心在于同步实现高效捕获与灭活。如图3所示，实验结果显示，普通滤网上残留的细菌24小时后繁殖率达167.4%，而静电驱动过滤器通过离子流与静电场双重作用，1小时内即可灭活70%以上细菌，24小时后对大肠杆菌和表皮葡萄球菌的灭活效率分别达98.7%与96.1%。SEM观测表明静电场直接破坏细菌细胞膜（图4），导致胞质流失，细菌结构瓦解。此外，臭氧副产物浓度仅19.5 ppb（安全阈值100 ppb），无健康风险。
图3. 双区静电驱动过滤器生物气溶胶灭活性能：a）大肠杆菌洗脱培养对比；b）大肠杆菌存活率；c）表皮葡萄球菌洗脱培养对比；d）表皮葡萄球菌存活率
图4. 双区静电驱动过滤器与粗效滤网上捕获细菌的形态表征：a）粗效滤网捕获的表皮葡萄球菌；b）静电驱动过滤器捕获的表皮葡萄球菌；c）粗效滤网捕获的大肠杆菌；d）静电驱动过滤器捕获的大肠杆菌
成果小结：
本研究开发了一种双区静电驱动过滤器，可同时捕获和灭活通风系统中的生物气溶胶。在0.5 m/s的过滤速度和4.5 Pa的超低空气阻力下，大肠杆菌和表皮葡萄球菌气溶胶均能被捕获，捕获效率高达98.4%，从而有助于降低净化能耗。与现有的机械过滤器相比，这项新技术不仅能有效地去除空气中的细菌，还能同时灭活纤维上捕获的细菌。充电区产生的离子和极化区产生的静电场同时灭活了捕获的细菌，24小时内大肠杆菌和表皮葡萄球菌的灭活效率分别为约98.7%和约96.1%。该技术解决了传统HVAC系统高风阻、低效率与二次污染的痛点，通过静电学原理创新整合捕获与灭活功能。其模块化设计可直接嵌入现有通风系统，为医院、公共交通、高层建筑等场景提供“高效-节能-安全”三位一体的空气净化解决方案。未来研究将进一步拓展病毒灭活验证及自然空气环境测试，推动技术规模化应用。
作者介绍：
夏凡轩
该论文的第一作者是本课题组2024届博士毕业生夏凡轩，现为深圳大学-中国铁路设计集团有限公司联合培养博士后。夏凡轩博士致力于研究室内颗粒物与微生物气溶胶传质与净化机制，已在Separation and Purification Technology等国际期刊发表论文8篇（第一作者3篇）。
本文通讯作者为松山湖材料实验室田恩泽副研究员。共同作者包括深圳大学土木与交通工程学院特聘教授莫金汉、香港理工大学土木与环境工程系博士后陈着、清华大学建筑技术科学系博士研究生高轶伦。
本文引用格式：
Xia, F., Chen, Z., Gao, Y., Tian, E., Mo, J. Simultaneous Capture and Inactivation of Airborne Bacteria by a Dual-Zone Electrostatically Actuated Filter. ACS ES&T Engineering, 2024, 4(4), 987-994.
该工作受到国家自然科学基金项目（项目号：52078269，52325801）、国家重点研发计划项目（项目号：2022YFC3702803）和广东省基础与应用基础研究基金（项目号：2022A1515110897）资助，特此致谢。
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