金浩，李睿，劉延星，賀學(xué)榮，王勇

（1.湖南泰瑞醫(yī)療科技有限公司民用氧研究所，湖南長沙，410000;2. 東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞，523000）

0 引言

被譽(yù)為空氣維生素的負(fù)（氧）離子對(duì)人體健康有益，通過離子效應(yīng)對(duì)人體起到鎮(zhèn)靜、鎮(zhèn)痛、利尿、增進(jìn)食欲、降低血壓等功效[1]。自然界中的空氣負(fù)（氧）離子主要來源于三種形式，一種是宇宙輻射、雷雨等環(huán)境因素釋放出的電子和空氣中的中性分子結(jié)合而產(chǎn)生的。一種是自然環(huán)境中的瀑布、海浪、雨水沖擊等形成的水分子裂解產(chǎn)生的。還有一種即森林植被光合作用葉片通過光電效應(yīng)釋放的負(fù)（氧）離子。

目前，除了這些自然形成的空氣負(fù)（氧）離子還有利用人工儀器生產(chǎn)出來的負(fù)（氧）離子.如同濟(jì)大學(xué)李振海教授[2]研究的負(fù)（氧）離子凈化技術(shù)是通過強(qiáng)電場(chǎng)產(chǎn)生空氣負(fù)（氧）離子。通過吸附和沉降凈化顆粒污染物的同時(shí)，針對(duì)部分微生物還能起到殺菌滅活的作用[3]。蔣劉卿[4]利用實(shí)驗(yàn)證明了水離子對(duì)固態(tài)顆粒物有良好的凈化效果，優(yōu)于傳統(tǒng)負(fù)（氧）離子技術(shù)。目前市場(chǎng)上常用的負(fù)（氧）離子產(chǎn)品主要是源負(fù)（氧）離子技術(shù)產(chǎn)品和無源負(fù)（氧）離子技術(shù)產(chǎn)品，前者涉及的主要技術(shù)原理是利用外界能源使離子間碰撞產(chǎn)生負(fù)（氧）離子，應(yīng)用這種技術(shù)制造開發(fā)的產(chǎn)品有空氣凈化器[5]；后者大都是利用那些無機(jī)非金屬材料，此類材料自身具有能量并能通過自發(fā)極化產(chǎn)生負(fù)（氧）離子[6]。

但相對(duì)來說，人們更樂于接受自然狀態(tài)下產(chǎn)生的負(fù)（氧）離子。森林周邊存在的瀑布、溪流等自然環(huán)境能產(chǎn)生負(fù)（氧）離子，使森林本身始終處在一個(gè)高濃度負(fù)（氧）離子的環(huán)境中，這種環(huán)境在亞健康現(xiàn)象頻發(fā)的當(dāng)代，能夠滿足城市人群急于尋找空氣清新、環(huán)境優(yōu)美、食材安全的康養(yǎng)環(huán)境的需求[7]。

模擬瀑布、溪流在自然環(huán)境下產(chǎn)生負(fù)（氧）離子的方式，研發(fā)一種負(fù)（氧）離子發(fā)生裝置，相比于傳統(tǒng)電離式負(fù)（氧）離子發(fā)生的方式不會(huì)產(chǎn)生臭氧，且更貼近于自然地負(fù)（氧）離子發(fā)生方式。

1 原理與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)時(shí)需采用壓縮機(jī)為氣源在水中模擬瀑布，本研究采用流量20L壓力100kpa萊諾H-0200C無油壓縮機(jī)、流量6L壓力400kpa氧氣罐、流量3L/5L壓力40kpa制氧機(jī)作為氣源；負(fù)（氧）離子發(fā)生裝置采用不同類型孔徑撞擊模擬瀑布發(fā)生；在試驗(yàn)過程中試驗(yàn)流量調(diào)節(jié)閥、壓力調(diào)節(jié)閥控制試驗(yàn)系統(tǒng)流量與壓力；采用氣體流量計(jì)與壓力表檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置流量與壓力；檢測(cè)負(fù)（氧）離子濃度裝置為dplus DP6800-PRO空氣負(fù)（氧）離子檢測(cè)儀。

圖1 dplus DP6800-PRO空氣負(fù)（氧）離子檢測(cè)儀

1.2 瀑布式負(fù)離子發(fā)生裝置原理

瀑布離子發(fā)生裝置主要采用水擊式負(fù)離子發(fā)生的方式，根據(jù)勒納德（Lenard）效應(yīng)（噴筒電效應(yīng)）的原理[8]，勒納德（Lenard）效應(yīng)是指液體在氣體中噴散成霧狀時(shí)本身可變?yōu)橐环N帶電小滴的過程。研究發(fā)現(xiàn)，水滴是一個(gè)帶電系統(tǒng)，常形成內(nèi)外雙電層，內(nèi)層帶有正電核，外層帶有負(fù)電荷，水噴出或?yàn)R出時(shí)，由于水滴機(jī)械性分裂而致雙電層分離，水滴的外層與空氣中的分子或原子結(jié)合形成空氣負(fù)離子，在空氣中擴(kuò)散。而水滴的內(nèi)層則重新變?yōu)閹щp電層（外負(fù)內(nèi)正）的小滴，并因較重而下沉，因此在噴散氣霧的范圍內(nèi)便可得到高濃度的空氣負(fù)離子，目前多用一定配方制成的藥物溶液或礦泉水代替普通水，通過發(fā)生器所產(chǎn)生的帶微粒，稱為電-氣溶膠，其直徑在10-5～l0-6cm，大于重空氣負(fù)離子，每一微粒帶電荷可達(dá) 1600個(gè)電荷單位[9-10]，這就是人在瀑布和噴泉邊，甚至在雨后所感受到的清新的、使人振奮的感覺的原因。

其中Z是指任意的氣體分子為反應(yīng)提供能量。低濃度的臭氧可以殺菌消毒，因?yàn)槌粞跏且环N強(qiáng)氧化劑，能破壞分解細(xì)菌的細(xì)胞壁，然后滲透進(jìn)細(xì)菌內(nèi)部，氧化分解細(xì)菌內(nèi)部的酶，也可以直接與細(xì)菌發(fā)生作用分解DNA，RNA，蛋白質(zhì)等大分子聚合物，從而使細(xì)菌的代謝過程和繁殖過程遭到嚴(yán)重的破壞[11]。但高濃度的臭氧對(duì)我們?nèi)梭w有著極大的危害，高濃度的臭氧會(huì)刺激和損害我們的眼睛、鼻子和喉嚨，尤其是損傷我們的呼吸系統(tǒng)，容易對(duì)我們的肺部造成急性危害，比如支氣管炎和肺氣腫等。吸入高濃度的臭氧會(huì)使我們產(chǎn)生頭昏腦脹，視線模糊、記憶力衰退等癥狀[12-13]。而本研究使用水機(jī)式負(fù)離子發(fā)生，完全不產(chǎn)生臭氧，杜絕了臭氧對(duì)人體的傷害。

1.3 不同孔截面積對(duì)負(fù)離子數(shù)量的影響

基于勒納德（Lenard）效應(yīng)需要使液體在氣體中撞擊噴散形成霧狀使其帶電形成負(fù)離子，因此氣流的孔徑會(huì)決定撞擊速度，控制負(fù)離子發(fā)生的數(shù)量，若希望撞擊速度v在4m/s，根據(jù)以下公式計(jì)算氣孔截面積：

其中，Q為氣體流量

S為氣孔截面積

v為氣體流速

其中，ρ水為水的密度

本研究采用此技術(shù)在濕化瓶中安裝負(fù)離子發(fā)生裝置，使用壓縮機(jī)在水中模擬瀑布使液體在氣體中撞擊不銹鋼壁機(jī)械分裂形成負(fù)離子在空氣中擴(kuò)散。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 瀑布式負(fù)離子發(fā)生裝置試驗(yàn)驗(yàn)證

為了有效產(chǎn)生負(fù)離子，達(dá)到空氣凈化的目的。根據(jù)負(fù)離子發(fā)生原理采用0.8mm孔徑、1.0mm孔徑與1.2mm孔徑并聯(lián)通氣源模擬瀑布產(chǎn)生負(fù)離子的形式發(fā)生負(fù)離子，氣源流量選用5L、10L 和 15L做負(fù)離子產(chǎn)生負(fù)離子，壓力分別選用 0.05Mpa、0.15Mpa、和 0.25MPa。

目標(biāo)模糊。工科新教師培訓(xùn)有著較長過程，存在不同階段，理應(yīng)制定不同的階段目標(biāo)；工科新教師培訓(xùn)有著不同內(nèi)容與要求，理應(yīng)制定不同的具體目標(biāo)。在培訓(xùn)實(shí)踐中，階段目標(biāo)與具體目標(biāo)常常模糊不清甚至缺失，未能形成培訓(xùn)目標(biāo)系統(tǒng)。

試驗(yàn)采用L9（34）正交設(shè)計(jì)為孔徑（A）、流量（B）和壓力（C）三因素三水平試驗(yàn)。

孔徑因素三水平：A1、A2、A3分別為0.8mm孔徑單孔、1.0mm孔徑與1.2mm孔徑并聯(lián)通氣源模擬瀑布產(chǎn)生負(fù)離子的形式發(fā)生負(fù)離子

流量因素三水平：B1、B2、B3分別為5L、10L和15L做負(fù)離子產(chǎn)生負(fù)離子。壓力因素三水平：C1、C2、C3分別為0.05Mpa、0.15Mpa、和 0.25MPa。

由負(fù)離子濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)（表 1）可以看出，各組數(shù)據(jù)中（A3B3C2）組合負(fù)離子濃度最高，負(fù)離子濃度平均達(dá)到 21.4萬/cm2。

表 1 負(fù)離子濃度檢測(cè)數(shù)據(jù)

表 2 負(fù)離子濃度方差分析

經(jīng)方差分析（表2）三因素中流量因素對(duì)負(fù)離子濃度影響達(dá)極顯著水平孔徑次之而壓力差異不顯著。表明流量為主要因素對(duì)負(fù)離子影響效果最為明顯。

表 3 各水平組合差異顯著性

顯著性測(cè)驗(yàn)（表3）表明：以（A3B3C2）組合負(fù)離子濃度最高與（A2B2C3）組合達(dá)極顯著水平與（A2B3C1）、（A3B2C1）組合達(dá)顯著水平 ；（A1B3C3）、（A1B2C2）、（A1B1C1）組合負(fù)離子濃度次之三者間無顯著差異均與（A2B1C2）組合達(dá)顯著水平；其余組合間無顯著差異。因此以（A3B3C2）為最佳組合。

2.2 瀑布式負(fù)離子發(fā)生裝置的應(yīng)用

負(fù)離子空氣凈化器是一種利用自身產(chǎn)生的負(fù)離子對(duì)空氣進(jìn)行凈化、除塵、除味、滅菌的環(huán)境優(yōu)化電器，其與傳統(tǒng)的空氣凈化機(jī)的不同之處是以負(fù)離子作為作用因子，主動(dòng)出擊捕捉空氣中的有害物質(zhì)。而傳統(tǒng)的空氣凈化機(jī)是風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，利用濾網(wǎng)過濾粉塵來凈化空氣，稱為被動(dòng)吸附過濾式的凈化原理，需要定期更換濾網(wǎng)，而負(fù)離子空氣凈化器則無需耗材[14,15]。小粒徑負(fù)離子，有良好的生物活性，易于透過人體血腦屏障，進(jìn)入人體發(fā)揮其生物效應(yīng)。

負(fù)離子不僅能促成人體合成和儲(chǔ)存維生素，強(qiáng)化和激活人體的生理活動(dòng)，因此它又被稱為“空氣維生素”?？諝庳?fù)離子還有鎮(zhèn)靜、催眠的作用。

(1)治療疾?。孩傧麩?、除塵；②改善空氣結(jié)構(gòu)；③改善肺功能；④改善心肌功能；⑤促進(jìn)新陳代謝；⑥增強(qiáng)肌體抗病能力；⑦空氣負(fù)離子對(duì)過敏性花粉熱、支氣管哮喘、上呼吸道粘膜炎等均能起到緩解或治愈作用。

(2)優(yōu)化空氣：空氣中煙塵、粉塵、飄塵等帶正電荷的顆粒物很容易吸附空氣中的負(fù)離子，使得這些塵粒凝并，成為大粒子沉降下來，凈化了空氣，尤其是對(duì)粒徑小至0.01μm的微粒和難以去除的飄塵，如香煙煙霧、致敏微粒等的凝并效果明顯，對(duì)過敏性花粉熱、支氣管哮喘、上呼吸道黏膜炎等均能起到緩解或治愈作用。負(fù)離子抑菌機(jī)理在于負(fù)離子與細(xì)菌結(jié)合后，使細(xì)菌產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的改變或能量的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致細(xì)菌死亡。負(fù)離子也能有效去除空氣中的多種有害物質(zhì)，如一些有害的化學(xué)物質(zhì)和揮發(fā)性有機(jī)化合物 VOC等[16]。

3 結(jié)論與討論

結(jié)果表明使用孔徑1.2mm，流量15L，壓力0.15kpm作為氣源參數(shù)對(duì)瀑布離子發(fā)生裝置模擬瀑布發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的氧離子濃度最高，負(fù)（氧）離子濃度平均可達(dá)21.4萬個(gè)/cm2。其中流量因素對(duì)負(fù)離子濃度影響達(dá)極顯著水平孔徑次之而壓力差異不顯著。表明流量為主要因素對(duì)負(fù)離子影響效果最為明顯。因此在設(shè)計(jì)瀑布式負(fù)離子發(fā)生儀器時(shí)，應(yīng)著重考慮流量與壓力，可以參考本研究數(shù)據(jù)進(jìn)行研發(fā)。因此，基于瀑布式負(fù)（氧）離子發(fā)生方式的負(fù)（氧）離子發(fā)生裝置可產(chǎn)生不含臭氧的負(fù)（氧）離子，識(shí)別結(jié)果能夠滿足識(shí)別精度的要求。