环境中的颗粒物（PM）对人类健康和安全构成了严重威胁，因为空气中的颗粒物与死亡率增加（如呼吸系统和心血管疾病）有关[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。特别是在发展中国家，空气中的颗粒物浓度更高，相关的暴露风险也更为严重[7]。在城市建筑环境中（如室内空间、社区环境和工业园区），人们会接触到来自各种室内/室外来源的颗粒物污染物，包括工业活动、交通、生活活动和化学反应[8]。因此，需要有效的颗粒物去除技术来保持室内空气清洁，并减少居民的空气污染物暴露。
作为最广泛使用的颗粒物过滤设备之一，高效颗粒空气（HEPA）过滤器的单次通过过滤效率通常不低于99.97%[9]、[10]。然而，随着颗粒物在纤维表面沉积，HEPA的压降非常大且会迅速增加[11]、[12]、[13]。此外，作为工业和建筑环境中的常见空气净化设备，静电除尘器（ESP）的压力损失值相对较低，比HEPA过滤器低两个到三个数量级[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。ESP的缺点是单次通过颗粒过滤效率较低[19]、[20]。为了避免这些缺点，建议将纤维过滤器和ESP结合使用，形成某种混合空气过滤系统，如图1所示。将非电颗粒去除装置和电场结合的概念已在工业应用中成功采用。先前的文献提出了一种新型涡流管分离器，其在旋风分离器外壳及其旋翼上施加了高电压（18.5–19 kV）[21]。在气溶胶流动区域产生的强电场使气溶胶分离效率提高了10%以上。现有研究回顾了结合静电除尘器（ESP）和袋式过滤器的混合空气过滤器的除尘性能[22]。这些混合空气过滤器不仅在收集颗粒物（特别是亚微米颗粒）方面有效，而且在去除汞和其他重金属方面也表现出色。此外，与传统袋式过滤器相比，混合过滤器还具有更低的压降和更低的能耗。一项先前的研究提出了一种混合静电-织物除尘器（HEFP）系统，通过将静电除尘器和织物袋式过滤器串联直接结合[23]。实验研究了HEFP配置对除尘效率的影响，优化后的HEFP系统在入口颗粒浓度为16.634 g/m³时实现了超过80%的除尘效率。因此，结合静电除尘器和织物过滤器的混合空气过滤系统已被证明在工业粉尘控制应用中非常有效，例如水泥窑、燃煤电厂和工业制造过程[22]、[23]、[24]。然而，为工业混合空气过滤器开发的设计原则和工程实践不能直接应用于建筑环境（室内或城市规模环境）。
我们之前的研究开发了一种新型的静电增强空气过滤器（EEAF），用于去除细颗粒物。EEAF采用了“针状过滤介质-接地导电板”结构，放电针连接到高压源，如图2(a)所示[25]、[26]。在纤维过滤介质中产生电晕放电场，从而显著提高了颗粒过滤效率（从30%提高到98%）[25]。由于电离作用，过滤介质中会发生反向电晕现象，使得颗粒和纤维都带有相同的电荷极性。反向电晕现象会削弱静电增强效果，这是由于带电颗粒和纤维之间的电排斥作用[25]。现有研究提出了一种EAA（静电辅助空气）系统，其配置为“放电线-多孔过滤介质-接地板”[27]，仅使用一个高压发生器来生成用于颗粒充电的电晕放电电场和过滤介质中的电场以进行颗粒过滤。为了避免多孔过滤介质中的电晕放电，放电线与过滤介质之间的距离应足够长，从而导致EAA系统的安装空间较大[27]。
为了避免过滤介质中的反向电晕放电现象带来的负面影响，一些现有文献通过分离颗粒充电模块和纤维过滤模块来开发先进的EAA系统，如图2(b)所示[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。上述两个模块分别应用了两个高压发生器。颗粒充电模块的施加电压通常较高，用于空气电离，而空气过滤器的电压值相对较低，以避免多孔过滤介质中的反向电晕现象。先前的研究提出了一种在不牺牲过滤效率的情况下降低能耗的EAA系统[28]、[29]。分别使用“针状电极到网状电极”配置的颗粒充电模块和具有极化电场的PET过滤介质来对进入的颗粒进行电荷充电和有效去除[28]、[29]。现有研究开发了一种新型的可折叠EAA（静电辅助空气）粗滤器，通过将极化金属电极制成锯齿状结构并将粗滤器折叠在电极之间[17]。EAA系统由颗粒充电模块和极化模块组成，分别对进入的颗粒进行充电和过滤。由于颗粒充电和颗粒过滤的分离，EAA具有高效的颗粒去除性能（效率接近100%）。EAA系统需要两个高压发生器，但本研究未分析过滤介质中的反向电晕放电现象[17]。现有文献开发了一种EAA系统（静电辅助空气），由颗粒充电区和基于金属泡沫的颗粒去除区组成[27]。使用两个高压发生器分别对颗粒进行充电和过滤。外部电场可以将纤维过滤器的效率从零提高到80%[27]。为了进一步提高EAA系统中纤维过滤器的颗粒过滤效率，在聚合物纤维上异质加载了高相对介电常数材料[30]、[31]、[32]，从而产生更强的极化电场和更高的过滤效率[30]、[31]、[32]。
EAA系统通过分离颗粒充电模块和纤维过滤模块成功避免了反向电晕现象，显著提高了过滤效率并降低了能耗。然而，EAA系统需要两个高压发生器来独立控制空气电离和过滤介质中的极化电场。与仅使用一个高压发生器的EAA相比，两个高压设备会导致更高的初始投资成本和运营/维护费用。因此，本研究尝试开发一种仅使用一个高压发生器的先进静电增强空气过滤器系统（EEAF），如图2(c)所示。采用了“电线-穿孔板-空气过滤器”的配置。电晕放电电场在“电线-穿孔板”空间产生，其中大部分进入的颗粒被充电。一些电场线穿过穿孔孔并终止在纤维过滤介质中。空气过滤器与穿孔板之间的距离需要合理，以在多孔过滤介质中产生外部电场而不发生反向电晕电离。
本研究试图提出一种先进的静电增强空气过滤器（EEAF），其配置为“电线-穿孔板-空气过滤器”，仅使用一个高压发生器。目标是进行实验测量，以研究一些关键设计参数（如施加电压、纤维过滤器类型、电线半径）对其整体净化性能的影响，包括尺寸依赖的颗粒过滤效率、臭氧生成量、能耗和品质因数。将本研究中开发的适当设计的EEAF系统与先前研究中的EEPF系统（静电增强折叠空气过滤器）[26]进行了比较。最后，采用半解析模型和数值模拟进一步分析了EEAF系统的净化性能。
