纳米水离子对细颗粒物的净化效果实验研究

蒋刘卿  李振海

（同济大学机械与能源学院 上海）

摘要：纳米水离子是通过对凝水放电尖端施加高压电释放的复合离子粒子集团，理论上粒径范围几纳米至几十纳米。本实验以香烟产生的颗粒物为实验净化对象，进行了自主研制水离子发生装置的颗粒物净化效果实验研究，并与相关技术的离子发生装置进行对比实验，实验讨论了电压对水离子净化效果的影响，为此类净化装置的设计提供了依据。

关键词：水离子 颗粒物 负离子 净化效果

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

水离子技术与静电雾化技术有一定相似之处，静电雾化技术是通过水滴进入高压电场，通过电场力使水滴雾化，粒径大大减小，张军等人在毛细管-环电极配置下测试了雾滴粒径在4.7微米至74.5微米范围内^[1]，而水离子是通过再放点尖端凝水释放，理论上粒径范围在纳米级，水离子由于水的包裹作用存活时间更长，其具强氧化性的羟基能更好的杀死微生物净化空气，同时水的存在使颗粒物凝并沉降的效果更明显^[2]。目前市场上应用水离子的产品技术极少，国内该项技术处于研发初期状态，因此本实验根据水离子发生原理研制了发生装置，并进行了净化效果的对比试验，同时初步探讨了不同电压对水离子净化效果的影响^[3]。

1、实验概要

1.1实验原理

通过半导体制冷器使铁制放电尖端迅速降温至室内露点温度以下使尖端上凝结大量水分^[4]，再加以高压直流电，尖端上的水分子由于高压静电产生的强剪力作用内部“O-H”键断裂，产生羟基,水分子团包裹着羟基带上负电荷在静电场作用下释放到空气中，形成水离子。

负离子一般是负氧离子^[5]，由自由电子被空气中的氧分子捕捉而形成，水离子是由电子被包裹着羟基的水分子团而形成，水离子粒径范围理论上5-20nm，处于小粒径负离子粒径范围内，有良好的生物活性，易于透过人体血脑屏障， 进入人体发挥其生物效应，其具有强氧化性的羟

基能消除气态污染物，对微生物也有很好的灭活效果，同时由于水的存在对颗粒物也有一定的凝并和沉降作用。

1.2 实验装置

本实验自制一套水离子发生装置(图1)，所含装置有40*40mm半导体制冷器（12V,5A），高压静电放电试验台，高压直流电源（输入AC200V;输出200W，0-15kV,0-20mA），圆锥型放电针一枚（直径8mm，长70mm），环形铁制极板一片，绝缘陶瓷若干（绝缘度15kV），2根铁制螺杆分别用来固定极板和放电尖端，尖端接电压正极，极板接负极，间距12cm^[6]。

实验环境采用1m3环境实验舱（图2：1250mm*500mm*800mm），密闭性良好，模拟环境温度20℃，相对湿度45%。

颗粒物发生装置采用FSQ-YW-001固态颗粒物发生器,发生速率5LPM。

颗粒物测试装置采用PROMO2000粒径光谱仪，Welas（10nm、2070）探头。

图2、1m3标准环境实验舱

1.3实验内容

1.3.1净化效果对比实验

 实验在1m3舱进行，分别测试自制水离子发生装置，负离子发生装置（水离子发生装置不凝水），以及市场某水离子发生装置净化固态颗粒物60min内颗粒物浓度变化情况，以数量浓度衰减率进行比对，以一根红塔山香烟完全燃烧产生颗粒物浓度为初始浓度，温度20℃，相对湿度45%，发生装置电压统一调节为4800V^[7]。

1.3.2电压对水离子效果影响实验研究

 测试当放电针上电压分别为4000V、4500V、5000V、5500V、6000V、7000V时水离子去除固态颗粒物效果，测试条件与净化效果对比实验相同，通过调节电源功率调节电压，用高压棒配合万用表测试电压高低^[8]。

                  图1、水离子发生装置

2、实验结果与分析

2.1净化效果对比试验分析

对比实验结果如图3及表1、2：数据分析得出香烟产生固态颗粒物粒径主要集中在300nm附近^[9]，故以300nm附近数量浓度衰减率和总数量浓度衰减率作为进行对比，结果如表1.可以看出水离子和负离子的净化效果非常明显，平均浓度衰减率是自然衰衰减的2倍，水离子相对负离子效果有所提升但提升效果只有14%，差异不明显；产品的净化效果一般，略好于自然衰减。分析原因，可能是因为该产品装置较负离子、水离子装置略小。净化范围略小导致效果不理想。实验还发现各装置在前15min，颗粒物浓度在20000P/cm3以上效果明显，当颗粒物浓度在20000P/cm3以下，净化速度缓慢；水离子对粒径范围在184nm左右的颗粒物净净化效果最好，当粒径超过568nm时净化效果明显下降。

   图3、固态颗粒物总数量浓度变化图

                                           表1、颗粒物数量浓度衰减率统计

表2、不同粒径颗粒物平均浓度衰减率（水离子净化实验）

2.2电压对水离子效果影响实验研究分析

电压影响实验结果见图4及表3.通过图8-14可看出随着电压升高，颗粒物数量衰减率升高，水离子净化效果逐步提升，在4500V-6000V段内衰减率增幅较4000V-5000V、6000V-7000V段小，平均衰减率变化率分别为0.0133min^-1/kV(300nm)、0.0127min^-1/kV(总数量)，值得一提的是当电压达到7000V时衰减率提升明显，尤其是在粒径集中范围300nm处效果显著提升，同时颗粒物浓度在12min内迅速降至10000P/cm3以下，分析可能由于电压升高，有一定臭氧产生，提升了净化效果。

                                            图4、固态颗粒物总数量浓度变化图

表3、颗粒物数量浓度衰减率统计