納米水離子對細顆粒物的凈化效果實驗研究
蔣劉卿 李振海
（同濟大學(xué)機械與能源學(xué)院 上海）
摘要：納米水離子是通過對凝水放電尖端施加高壓電釋放的復(fù)合離子粒子集團，理論上粒徑范圍幾納米至幾十納米。本實驗以香煙產(chǎn)生的顆粒物為實驗凈化對象，進行了自主研制水離子發(fā)生裝置的顆粒物凈化效果實驗研究，并與相關(guān)技術(shù)的離子發(fā)生裝置進行對比實驗，實驗討論了電壓對水離子凈化效果的影響，為此類凈化裝置的設(shè)計提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞：水離子 顆粒物 負離子 凈化效果
An Experimental Study on Fine Particulate Purifying Effect of Nano Water Ion
JIANG Liu-qing, LI Zhen-hai
(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Nano water ion is a compound ion particle group released by condensate water discharge tip applied with high voltage electric,it ranges from a few nanometers to tens of nanometers theoretically. This experiment uses particulate matter generated from a cigarette as purification object, develops a water ion device independently and makes comparisons with similar technology. A discussion is made about the effect of voltage electric on purification. The results is valuable for the design of this kind of purifying device.
Key words: water ion; particulate matter; anion; purifying effect
水離子技術(shù)與靜電霧化技術(shù)有一定相似之處，靜電霧化技術(shù)是通過水滴進入高壓電場，通過電場力使水滴霧化，粒徑大大減小，張軍等人在毛細管-環(huán)電極配置下測試了霧滴粒徑在4.7微米至74.5微米范圍內(nèi)[1]，而水離子是通過再放點尖端凝水釋放，理論上粒徑范圍在納米級，水離子由于水的包裹作用存活時間更長，其具強氧化性的羥基能更好的殺死微生物凈化空氣，同時水的存在使顆粒物凝并沉降的效果更明顯[2]。目前市場上應(yīng)用水離子的產(chǎn)品技術(shù)極少，國內(nèi)該項技術(shù)處于研發(fā)初期狀態(tài)，因此本實驗根據(jù)水離子發(fā)生原理研制了發(fā)生裝置，并進行了凈化效果的對比試驗，同時初步探討了不同電壓對水離子凈化效果的影響[3]。
1、實驗概要
1.1實驗原理
通過半導(dǎo)體制冷器使鐵制放電尖端迅速降溫至室內(nèi)露點溫度以下使尖端上凝結(jié)大量水分[4]，再加以高壓直流電，尖端上的水分子由于高壓靜電產(chǎn)生的強剪力作用內(nèi)部“O-H”鍵斷裂，產(chǎn)生羥基,水分子團包裹著羥基帶上負電荷在靜電場作用下釋放到空氣中，形成水離子。
負離子一般是負氧離子[5]，由自由電子被空氣中的氧分子捕捉而形成，水離子是由電子被包裹著羥基的水分子團而形成，水離子粒徑范圍理論上5-20nm，處于小粒徑負離子粒徑范圍內(nèi)，有良好的生物活性，易于透過人體血腦屏障， 進入人體發(fā)揮其生物效應(yīng)，其具有強氧化性的羥
基能消除氣態(tài)污染物，對微生物也有很好的滅活效果，同時由于水的存在對顆粒物也有一定的凝并和沉降作用。
1.2 實驗裝置
本實驗自制一套水離子發(fā)生裝置(圖1)，所含裝置有40*40mm半導(dǎo)體制冷器（12V,5A），高壓靜電放電試驗臺，高壓直流電源（輸入AC200V;輸出200W，0-15kV,0-20mA），圓錐型放電針一枚（直徑8mm，長70mm），環(huán)形鐵制極板一片，絕緣陶瓷若干（絕緣度15kV），2根鐵制螺桿分別用來固定極板和放電尖端，尖端接電壓正極，極板接負極，間距12cm[6]。
實驗環(huán)境采用1m3環(huán)境實驗艙（圖2：1250mm*500mm*800mm），密閉性良好，模擬環(huán)境溫度20℃，相對濕度45%。
顆粒物發(fā)生裝置采用FSQ-YW-001固態(tài)顆粒物發(fā)生器,發(fā)生速率5LPM。
顆粒物測試裝置采用PROMO2000粒徑光譜儀，Welas（10nm、2070）探頭。
圖2、1m3標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境實驗艙
1.3實驗內(nèi)容
1.3.1凈化效果對比實驗
實驗在1m3艙進行，分別測試自制水離子發(fā)生裝置，負離子發(fā)生裝置（水離子發(fā)生裝置不凝水），以及市場某水離子發(fā)生裝置凈化固態(tài)顆粒物60min內(nèi)顆粒物濃度變化情況，以數(shù)量濃度衰減率進行比對，以一根紅塔山香煙完全燃燒產(chǎn)生顆粒物濃度為初始濃度，溫度20℃，相對濕度45%，發(fā)生裝置電壓統(tǒng)一調(diào)節(jié)為4800V[7]。
1.3.2電壓對水離子效果影響實驗研究
測試當(dāng)放電針上電壓分別為4000V、4500V、5000V、5500V、6000V、7000V時水離子去除固態(tài)顆粒物效果，測試條件與凈化效果對比實驗相同，通過調(diào)節(jié)電源功率調(diào)節(jié)電壓，用高壓棒配合萬用表測試電壓高低[8]。
圖1、水離子發(fā)生裝置
2、實驗結(jié)果與分析
2.1凈化效果對比試驗分析
對比實驗結(jié)果如圖3及表1、2：數(shù)據(jù)分析得出香煙產(chǎn)生固態(tài)顆粒物粒徑主要集中在300nm附近[9]，故以300nm附近數(shù)量濃度衰減率和總數(shù)量濃度衰減率作為進行對比，結(jié)果如表1.可以看出水離子和負離子的凈化效果非常明顯，平均濃度衰減率是自然衰衰減的2倍，水離子相對負離子效果有所提升但提升效果只有14%，差異不明顯；產(chǎn)品的凈化效果一般，略好于自然衰減。分析原因，可能是因為該產(chǎn)品裝置較負離子、水離子裝置略小。凈化范圍略小導(dǎo)致效果不理想。實驗還發(fā)現(xiàn)各裝置在前15min，顆粒物濃度在20000P/cm3以上效果明顯，當(dāng)顆粒物濃度在20000P/cm3以下，凈化速度緩慢；水離子對粒徑范圍在184nm左右的顆粒物凈凈化效果最好，當(dāng)粒徑超過568nm時凈化效果明顯下降。
圖3、固態(tài)顆粒物總數(shù)量濃度變化圖
表1、顆粒物數(shù)量濃度衰減率統(tǒng)計
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300nm粒徑數(shù)量衰減率(min-1) |
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總數(shù)量濃度衰減率(min-1) |
||||
|
|
最大 |
最小 |
平均 |
|
最大 |
最小 |
平均 |
|
自然衰減 |
0.056 |
0.003 |
0.018 |
|
0.042 |
0.003 |
0.018 |
|
負離子 |
0.113 |
0.004 |
0.049 |
|
0.072 |
0.026 |
0.051 |
|
水離子 |
0.153 |
0.02 |
0.06 |
|
0.09 |
0.023 |
0.058 |
|
某產(chǎn)品 |
0.052 |
0.007 |
0.022 |
|
0.04 |
0.006 |
0.02 |
表2、不同粒徑顆粒物平均濃度衰減率（水離子凈化實驗）
|
粒徑（μm） |
0.172 |
0.184 |
0.198 |
0.213 |
0.229 |
0.256 |
0.264 |
|
平均濃度衰減率（min-1） |
0.048 |
0.072 |
0.065 |
0.065 |
0.065 |
0.062 |
0.061 |
|
粒徑（μm） |
0.284 |
0.305 |
0.328 |
0.352 |
0.379 |
0.407 |
0.437 |
|
平均濃度衰減率（min-1） |
0.060 |
0.057 |
0.054 |
0.050 |
0.048 |
0.047 |
0.044 |
|
粒徑（μm） |
0.47 |
0.505 |
0.543 |
0.583 |
0.627 |
0.674 |
|
|
平均濃度衰減率（min-1） |
0.045 |
0.039 |
0.039 |
0.032 |
0.010 |
0.011 |
|
2.2電壓對水離子效果影響實驗研究分析
電壓影響實驗結(jié)果見圖4及表3.通過圖8-14可看出隨著電壓升高，顆粒物數(shù)量衰減率升高，水離子凈化效果逐步提升，在4500V-6000V段內(nèi)衰減率增幅較4000V-5000V、6000V-7000V段小，平均衰減率變化率分別為0.0133min-1/kV(300nm)、0.0127min-1/kV(總數(shù)量)，值得一提的是當(dāng)電壓達到7000V時衰減率提升明顯，尤其是在粒徑集中范圍300nm處效果顯著提升，同時顆粒物濃度在12min內(nèi)迅速降至10000P/cm3以下，分析可能由于電壓升高，有一定臭氧產(chǎn)生，提升了凈化效果。
圖4、固態(tài)顆粒物總數(shù)量濃度變化圖
表3、顆粒物數(shù)量濃度衰減率統(tǒng)計
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300nm粒徑數(shù)量衰減率(min-1) |
|
總數(shù)量濃度衰減率(min-1) |
||||
|
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最大 |
最小 |
平均 |
|
最大 |
最小 |
平均 |
|
4000V |
0.088 |
0.002 |
0.043 |
|
0.065 |
0.02 |
0.043 |
|
4500V |
0.147 |
0.007 |
0.053 |
|
0.099 |
0.019 |
0.052 |
|
5000V |
0.148 |
0.008 |
0.063 |
|
0.094 |
0.02 |
0.061 |
|
5500V |
0.129 |
0.001 |
0.063 |
|
0.101 |
0.01 |
0.061 |
|
6000V |
0.152 |
0.002 |
0.067 |
|
0.097 |
0.027 |
0.067 |
|
7000V |
0.248 |
0.011 |
0.083 |
|
0.17 |
0.012 |
0.081 |
3、實驗結(jié)論
本次試驗所制水離子發(fā)生裝置對固態(tài)顆粒物有良好的凈化效果，提升2倍顆粒物衰減速率，相比于傳統(tǒng)的負離子技術(shù)效果有一定的提升；隨著電壓的增高，水離子的凈化效果也得到穩(wěn)步提升，尤其是當(dāng)電壓達到7000V時其短時間內(nèi)的凈化速率有一定突破。
本次試驗也存在2個待解決問題：1、雖然水離子對固態(tài)顆粒物凈化效果明顯，但是其對空氣中大量存在的微生物的凈化效果并不清楚，因此對微生物的凈化效果的實驗研究是未來的研究方向之一。2、雖然隨著電壓的升高，凈化效果提升，但是隨之產(chǎn)生的臭氧量也增加，如何控制臭氧量的產(chǎn)生同時維持很好的凈化效果也是要解決的問題。
參考文獻：
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[9] Hong, J.-T. Electrical sterilization of Escherichia coli by electrostaticatomization with a photo-chemical catalyst. Journal of Electrostatics. 2011
鳴謝：上海志釗環(huán)保有限公司對本次試驗裝置的大力支持。
上海志釗氣體凈化技術(shù)有限公司
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