张凌 李振海 廖国瑾 王锋珂 张宝琪
同济大学机械与能源院
摘要：纳米水离子是羟基被水分子包裹的纳米级水离子，具有杀菌、消臭、除尘等作用。本文对原有装置进行了改进并小型化，实验研究了电压、两极间距对细颗粒物净化效果的影响，并与传统负离子的细颗粒物净化能力进行对比分析。结论表明改进后的小型化装置升高电压，减少两极间距均能提高颗粒物净化效果；水离子的净化效果亦优于普通空气负离子。
关键词：室内空气品质水离子细颗粒物负离子
被誉为空气维生素的负离子对人体健康有益，通过离子效应对人体起到镇静、镇痛、利尿、增进食欲、降低血压等功效。负离子净化技术是通过强电场产生空气负离子，通过吸附和沉降净化颗粒污染物的同时，针对部分微生物还能起到杀菌灭活的作用。
静电雾化技术是通过施加高压静电，电流体作用力克服液体表面张力，使其破碎成更小的雾滴，通过一定的物理过程电荷传递给雾滴完成荷电，形成群体荷电雾滴的技术。静电雾化技术在除尘、喷涂、农药喷洒等领域有积极作用。
纳米水离子是电离出来的小粒径水负离子，同时采用了雾化电极冷却结露然后电离的方式使负离子、自由基被水分子包围保护。纳米水离子具有强氧化性的羟基，能起到有效的灭菌、消臭的作用。蒋刘卿利用实验证明了水离子对固态颗粒物有良好的净化效果，优于传统负离子技术，作用电压的增高会提升净化效果。
本文对原有实验装置进行了改进并小型化，并实验探讨了电压、极间距、接压方法对净化效果的影响。
1 实验概要
1.1实验装置
1.1.1水离子发生装置的改造
水离子发生装置利用半导体装置制冷，使放电尖端降温至室内露点温度以下，尖端上凝结水分。在高压正极板的感应作用下，放电尖端处会集中大量电子，从而使结露水分产生静电雾化反应，微粒子水不停分裂，形成纳米级的水离子。
原装置针尖链接直流负高压，保护半导体装置的绝缘导热硅胶影响了针尖的制冷量，并且带电冷凝水具有潜在的安全隐患，改造后的发生装置放电尖端不再连接直流负高压而选择接地，从而减小了放电尖端与半导体之间导热硅胶厚度，有效降低了放电尖端的温度，提升了放电尖端的凝水效果；另一方面排除了冷凝水对高压电路的影响，提高了纳米水离子发生装置的安全性和稳定性。
改造后的水离子发生装置如图1所示，其中包括放电尖端、正极板、半导体制冷装置、风机等。放电尖端由1 mm直径的金属丝制作，长度为10 mm，正极板孔径为12 mm，正负极间距可调节范围为2～10 mm。
1.1.2实验装置系统
实验环境采用1m3标准环境实验舱；
颗粒物发生装置采用FSQ-YW-O01固态颗粒物发生器，发生速率5 LPM；
颗粒物测试装置采用TSI-8532可吸人颗粒分析仪，测量范围0.001～150 mg/m3，测量误差±0.1%；
臭氧测试装置采用JSA9-03臭氧检测仪，测量范围0～10 p pm，测量误差+2%。
1.2实验方法
实验使用高效净化器将实验舱的细颗粒物浓度降低至0.005 mg/m3以下，实验温度控制在22～240C之间，相对湿度70%~75%。利用香烟颗粒物发生器将细颗粒物初始浓度控制在5.4～5.6 mg/m3。在放电尖端朝下状态下开启水离子发生装置，测试时间为20 min，间隔一分钟记录一次细颗粒物浓度数据。
本纳米水离子发生装置在关闭半导体制冷装置的情况下，即为普通的空气负离子发生装置。
1.3实验工况
考虑各种参数对颗粒物净化效果的影响，本文测试了几种工况条件下的颗粒物净化效果，具体如表1所示。
1.4评价指标
细颗粒物净化效果采用净化率和衰减常数表征。
式(1)为净化率的计算公式：
2 实验结果与分析
2.1电压对颗粒物净化效果影响
在两极垂直间距3 mm的条件下，分别在电压为2000 V，3000 V，4000 V，5000 V和6000 V进行20 min测试，结果如图2所示：随着电压的提升，净化率和衰减常数均呈现显著的上升趋势；在2000V条件下，净化效果不明显，净化率接近自然对照组；当电压升至6000V，净化率达43.53%，远大于自然对照组。
212两极垂直间距对颗粒物净化效果影响
在电压6000 V条件下，分别在间距为2 mm，3 mm，4 mm，6mm，8 mm和10 mm进行测试，结果如图3所示：随着两极间距的增加，净化率和衰减常数均呈现显著的下降趋势，间距2 mm和间距3 mm以及间距8 mm和10 mm的这两组实验的净化率和衰减常数非常接近；在两极间距2 mm条件下，净化率达45.53%远大于自然对照组。
2.3水离子与普通空气负离子净化效果对比分析
在两极垂直间距3 mm的条件下，分别在电压为2000 V，3000 V，4000 V，5000 V和6000 V进行测试，结果如图4所示：随着电压的增加，水离子和负离子的净化率和衰减常数均呈现显著的上升趋势；水离子较普通空气负离子，净化率平均提高17.4%，衰减常数平均提高17.14%；在电压2000 V和3000 V的条件下，普通空气负离子的净化效果不明显，净化率均接近自然对照组。
3 臭氧发生对电压的限制
电压的提升有利于提高颗粒物净化效果，同时也会增加臭氧发生的风险。根据GB4706.45-2008室内臭氧浓度应不超过0.05 p pm。本文在两极垂直间距为5mm、极板孔径6mm的条件下，分别在电压为6000 V、6500 V和7000 V测试水离子发生装置的臭氧浓度，抽样取样点在距针尖50 mm位置。结果如表2所示：当电压为6000 V时，臭氧平均浓度为
0.034 p pm，低于0.05 p pm，因此在该条件下建议电压值不超过6000 V。装置在实验中发现针尖的不规则明显影响放电效果，推测对臭氧的发生量会产生影响，实际应用时必须注意。
4 实验结论
本文对原有水离子发生装置进行了改造并小型化，放电尖端不再接高压负电而改为接地，提高了装置的安全性和稳定性；减少了导热硅胶的厚度，提高了尖端的凝水量。使用改造后的装置在尖端朝下的条件下对电压、极间距的参数变化进行了实验研究，其结果：
1)随着电压的提升，水离子的细颗粒物净化效果 有显著提高；
2)随着两极间距的增加，水离子的细颗粒物净化 效果有显著的降低；
3)水离子较普通空气负离子，在细颗粒物净化效 果上有明显优势；
4)水离子装置的电压亦必须受到臭氧浓度的限 制。
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