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1、第五届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集2 0 0 5 5 空气负离子产生的机理研究 黄春松黄翔昊志湘 西安工程科技学院环化学院 文摘对空气负离子产生机理的认识和理解的不深入，造成了该技术到目前为止在我国仍没得到 充分的应用。本文就各种空气负离子产生的机理进行了研究对比，指出了该技术发展推广的关键所 在。 关键词负离子空气净化机理电气石纤维 T h es t u d yo fm e c h a n i s mo fp r o d u c i n ga i ra n i o n B yH o a n gC h u n s o n 9 1 ，H u a n gX i a n ga n dW uZ
2、h i x i a n g A b s t r a c tT h i sa r t i c l ew i l lt e l ly o uh o wt op r o d u c ta i ra n i o na n dt h ec o m p a r i s o no fw a y so fm a n y m e t h o d sw h i c hc a np r o d u c ta i ra n i o n ，w h i c hw ed on o tk n o ww h o l l y T h a ti sw h yt h et e c h n o l o g yo f t h ea i
3、r a n i o nc l e a nn o tu s ew e l li na l lw i e l dn o w a d a y s B e s i d e s t h i sa r t i c l ea l s op o i n to u tw h i c hw es h o u l dd ot 0 u s et h i st e c h n o l o g yw e l l K e y w o r d s A n i o na i rc l e a nm e c h a n i s mt o u r r a a l i n ef i b e r s 口 X l a nU n i v
4、e r s i t yo f e n g h a e e r i n gs c i e n c e 蠡t e c h n o l o g y 口 0 引言 目前，室内空气的净化技术主要有过滤、吸附、静电、负离子、低温等离子体、光催化、臭氧、 紫外线杀菌以及膜分离等技术。由于负离子净化技术的节能、环保和健康性( 如表1 ) 而倍受人们 推崇。 负离子被誉为“空气中的维生素”，国际评价室内空气的质量第一指标便是空气负离子的含量。 在森林、海滨、瀑布、郊外等污染少的地方，由于空气中的负离子浓度高，人们会感到空气清新、 呼吸舒畅、轻松愉快、心旷神怡。这是因为负离子能刺激神经，提高氧气转化能力，加速新陈
5、代谢， 强化细胞机能。此外，国内外一大批医学工作者对负离子的临床应用做了大量实验研究“1 1 ，发现 充满负离子的空气，对支气管炎、冠心病、脑血管病、心绞痛、神经衰弱、溃疡病等2 0 多种疾病均 有较好的疗效。近年来，又发现负离子在适宜的浓度下有一定的美颜及延寿等功能。 表1 负离子含量对人体健康的影响 由此可见，负离子对人体健康有着直接关系，无怪乎负离子技术突破仅五、六年，但一股负离 子热浪却很快席卷整个家用电器、日用品，纺织品、文体用品等多各行业。对于关心室内空气品质 的空调行业人士，如果能研制开发出一种不耗电、不耗能，却能一天2 4 小时都产生对人体健康极有 好处的负离子空调器，使人们坐
6、在家里就可尽情地吸收”空气维生素”，这是最理想的了。 第五届功能性纺织品厦纳米技术研讨会论文集2 0 0 5 5 1 负离子净化机理”1 利用一定浓度的空气负离子来净化空气及消毒，是因为负离子极易与空气中微小污染物相吸附， 成为带电的大离子，沉落在地面等的表面，从而使空气得到净化。此外，负离子能使细菌蛋白质表 层的电性两极颠倒，促使细菌死亡，达到消毒与灭菌的目的。受离子会自动随着气流扩散到空气中， 从而使人们在清洁的空气中感受负离子新鲜空气。 2 负离子的产生机理 2 1 负离子产生分类 一般来说，负离子产生方式可分自然产生和人工产生两种： 自然界空气中负离子的主要来源是由于宇宙射线、阳光紫外
7、线、岩石土壤中的放射性元素放出 的射线激发，以及雷电电击激发、风暴、瀑布、海浪冲击磨擦等作用，使大气分子的外层电子摆脱 原子核的束缚从原子中逸出，变为正离子，丽逸出的自由电子，自由程极短，很快附着在某些气体 分子或原子上( 特别容易附着在氧或水分子上) ，成为空气负离子。另外，雨水的分解，森林、植物 的光合作用所制造的新鲜空气等也含有负离子。近代，人们发现，电气石会产生负离子( ( H 3 0 2 ) ) 。 此外，一些无机氧化物复合粉体也可在空气中诱发负离子，有的稀土复合盐也具有导致空气中分子 电离的功能。 而人造负离子则主要采用高压静电场、高频电场、紫外线、放射线和水的撞击等方法使空气电
8、离，产生负离子。当前的负离子发生器是用上述方法产生负离子，然后借助于风机和其他手段，将 负离子吹送向所需处。 2 2 负离子的产生机理 负离子的产生机理主要可由以下四种理论解释： 1 ) 碰撞分离效应” 空气中的气体分子是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电荷，电子带 负电荷。当正电荷和负电荷的数量相等时，空气分子和原子呈电中性。当空气分子受到外界条件如 电离剂的作用后，获得足够的能量，而使原子核外围的价电子脱离原子核的束缚而跃出轨道变成自 由电子，使失去电子的中性分子或原子变成带正电荷的离子，中性分子或原子捕获逃逸出来的自由 电子，则变成带负电荷的离子，这一形成带电荷的正负
9、离子的过程称为空气离子化，空气负离子就 是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称。 电子对原予的碰撞分为两种。一种是完全弹性碰撞，即粒子部分地交换能量而它们的动能总和 保持不变。这时，空气原于内部的状态也是不变的( 图1 ) 。在这种状态下，空气中的分子，就不会 变为负离子。另一种是非弹性碰撞。非弹性碰撞又分为两种情况，一种非弹性碰撞是原子吸收电子 的能量，只引起原子的激发。碰撞电子附在中性原子的外层，这中性原子就会变成我们所需要的空 气负离子( 图2 ) 。另一种非弹性碰撞是原子吸收碰撞电子的能量而电离，除了原始碰撞电子，还逃 逸出正离子及电离电子( 图3 ) 。这时电子不会附在原子上，形不
10、成空气负离子。 “ 4 图1 电子对原子的碰撞1 一一窃、争7 97 第五届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集 2 0 0 5 5 图3 电子对原子的碰撞3 2 ) L e n a r d 效应 k n a r d 效应”1 是由诺贝尔奖获得者德国物理学家P h i l i p pV O nL e n a r d 于1 8 9 4 年发现的。水滴在 空气中运动能量的消耗伴随着电荷的分离。这是因为水滴通过外加剪切力剥离大水滴形成水雾( 细 小的水滴) ，水雾从水滴表面脱离时带上负电荷。水滴破碎后较大液滴带正电荷，在撞击过程中被空 气带走的小水雾液滴带负电荷，从而形成负离子。其产生负离子的浓度取决
11、于雾化状况，一般可达 1 0 4 1 0 5 个，c m 8 1 直径为4 m m 的蒸馏水液滴，从5 e r a 高处下落到以l I I l ，s 速度上升的气流中，每个 水滴产生l f f ”库仑的电量。自然界瀑布附近的负离子浓度较高的原因就是由于L e n a r d 效应导致的。 实验发现，在水的喷射过程中，正负电荷的分离还依赖于温度、存在的溶解杂质、冲击空气的速度 和接触界面。 此效应的理论公式还不完备，但国内外学者通过实验，用空气离子测定仪对喷泉产生的空气负 离子进行了测定。其结果如下表“1 ： 表2 某医学院喷泉开关时空气负离子的浓度对比( 个，t i n 3 ) 注：P 值为喷
12、泉开启与关闭状态下空气负离子的显著性检验：+ 表示喷泉开启状态的数据。 3 ) 中性介质荷电效应“0 1 电晕放电可以产生大量负离子。系统空间的空气中。有不受原子束缚的电子存在，在自然条件 第五届功能性纺织品及纳米技术研讨会论文集2 0 0 5 5 一II 鼍量董置薯皇量囊墨量| 皇日皇置量量毒 下每立方米空气中约有几十个这样的天然电子。当在系统两极施加3 5kV 左右的直流电压时，天然 电子被电场力加速，当其动能的积累值太于或等于所碰撞的气体分子的电离电位时，则可诱发分子 电离而产生出正离子和电子，该电子与原有的自由电子分别又被电场力加速。如此，在负电晕线附 近空间将出现链式电子增殖反应，于
13、是形成“电子雪崩”。在电晕区界面的附近空间中电场强度及其 梯度迅速下降，正离子被加速引向负极，释放电荷。雨在电晕终区，气体分子俘获自由电子形成大 量的气体负离子。 负离子分子向系统正极迁移的途中与中性介质粒子碰撞，并附着在介质微粒表面上，则介质微 粒便成为荷电粒子。介质微粒的荷电状况不仅与负离子分子的浓度相关，还与介质微粒的几何线度 有关。线度大于0 5um 的微粒荷电主要取决于负离子分子的运动状态，实质是取决于电场强度及 其分布；线度小于0 2 ui T l 的微粒荷电状况主要取决于微粒的热运动状态；线度介于0 2 O 5um 问的微粒的荷电状况，是由微粒的热运动和电场共同决定的。 系统空间
14、中产生的负离子分子的浓度不仅与自由电子的浓度有关，还与气体分子的负电性有关。 自由电子与气体分子碰撞生成负离子分子的概率为零，这种气体分子称为非负电性分子，如：惰性 气体分子、氢气分子；产生负离子分子的概率不为零，则这种气体分子称为负电性分子，负电性愈 强则产生负离子分子的概率愈大。下面将若干种气体分子按负电性由强到弱加以排列： SO2 一C L 2 02 一H 2 0 C 2 HC L N2 0 一C2 H 2 一C0 一C02 4 ) 热电效应和压电效应 由于一些天然矿石晶体结构的不对称性，导致两个高电荷的原予在结晶格架上排列明显错位， 使其在机械力的作用和晶体的温度变化的条件下产生热电效
15、应和压电效应H IJ o 即微小的温度或压力 变化，可引起天然矿石晶体之间的电势差，这种静电压可达1 0 0 万电子伏特，使邻近空气发生电离， 被击中的电子脱离原子核的束缚，容易附着于邻近的水和氧气分子并使之成为空气负离子“”。能释 放负离子的材料如下表3 ： 表3 可以释放负离子的功能材料 名称组分爱特征 奇冰石 电气石 蛋白石 奇才石 古代海底 矿物层 主要含硼、少量铝、镁、铁、锂的环状结构的硅酸盐 ( N a ，C a ) ( M g ，F e ) 扭3 A l s i 6 ( o ，O H , F ) 3 1 的三方晶体系硅酸盐 含水非晶质或胶质的活性二氧化硅，海涵有少量F e 2 0
16、 3 、A 1 2 0 3 、M n 和有机物 等 硅酸盐和铝、铁等氧化物为主要成分的无机系多孔物质 硅酸盐和铝、铁等氧化物为主要成分的无机系多孔物质 当前研究最多的是电气石。当其晶体所处环境温度与压力变化时，晶体中带电粒予之间发生相 对位移，负电荷中心发生分离，晶体的总电矩发生变化，从而导致极化电荷产生1 1 3 1o 电气石的正极 吸收大气中的负离子，并把它储存在其晶体内部，多余负离子会从负极放出，因而形成了永久放电 的特性。电气石经加热加压后放电特性会得到进一步加强，温度每提高1 0 效果倍增。电气石经过 粉碎，其放电性能不变，并且同量的电气石越细其静电产生得越多，电压也越高“。其具体反应过 程如下： H 2 0 H + O I - I 。 2 H + 2 e 。呻H zt O H + H 2O - “ ( H ，0 I ) 。 N a k a m u r a 指出“。I t 6 其电荷的产生
