雙極電暈放電及其在空氣凈化中的應用

連秀云，繆勁松，楊冰彥，韓若愚，歐陽吉庭

(北京理工大學物理學院，北京 100081)

空氣凈化(即去除空氣中的污染物)是改善空氣質量的必要措施，污染物主要有四大類：顆粒物(PMx)、微生物(細菌、真菌、霉菌和病毒等)、揮發性有機物(VOCs)和無機物。這些污染物可能也會產生交叉影響，如空氣傳播的大量的微生物和揮發性有機化合物可以附著在顆粒物或氣溶膠上[1-2]，因此，微生物和VOCs的控制是空氣凈化中的兩個重要問題[3-4]。

低溫等離子體是滅菌和去除VOCs的有效方法之一，它產生的各種活性物質可以與微生物和揮發性有機物發生復雜的物理、生物、化學反應，具有無化學殘留、操作安全、快速高效的優勢[5-6]。低溫等離子體的產生方式有多種，如電暈放電、微波放電、介質阻擋放電和等離子體射流等。在大氣壓環境中，電暈放電是最具優勢的放電形式之一，具有電流小、低功耗、低噪聲等特點；同時電暈放電產生的離子風能將活性物質轉移到更遠的地方[7]，在靜電除塵、電離風機、強化換熱、流動控制等方面有廣泛應用[8]。近年來，基于電暈放電的凈化器也備受關注[9]，尤其是小型化、便攜式設備，成為空氣凈化裝置的發展方向之一。

本文設計了一種新型雙極電暈空氣凈化器，研究了其放電特性、光譜特性、離子風特性、殺菌效率和VOCs的去除效果，并測試了其循環氣量、副產物殘余、噪聲等性能。

1 實驗裝置和方法

實驗裝置如圖1所示。電暈電極(高壓電極)是鈦合金針，長40 mm，尖端曲率半徑為80 μm。兩根電暈針通過限流電阻Rb=10 MΩ分別連接到正負直流高壓電源(DW-P203/N203)。接地電極為外徑45 mm，內徑40 mm的鋁環。針尖到接地電極的垂直距離固定為15 mm。在兩個針電極之間插入2 mm厚的石英介質板，形成“針-介質板-針”的雙極電暈結構。所有放電實驗均以空氣為介質，在大氣壓條件下進行。實驗環境溫度為25 ℃、相對濕度為42%(水蒸氣濃度約為10.5mg/L)。

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental setup

正、負電暈針上的施加電壓由數字示波器(Tektronix DPO4104B)通過高壓探頭(TektronixP6105A)測量，平均放電電流由與地電極串聯的微安電流表測量；放電圖像由CCD相機(Canon-EOS-550D)拍攝,電暈離子風速由熱線風速儀(DT-8880)測量；放電產生的發射光譜(OES)及其中的活性物質通過光譜儀(Zolix Omni λ-5008)測量和分析；放電產生的臭氧濃度由臭氧檢測儀(XLA-BX-03)測量；空氣中的甲醛濃度由甲醛數字分析儀(INTERSCAN 4160)測量，放電裝置產生的噪聲由噪音計測量。

電暈放電的滅菌性能通過金黃色葡萄球菌表征，這是實驗室常用的菌株之一[10]。實驗中，將儲存在固體培養基上的少量金黃色葡萄球菌加入離心管中，將離心管置于氣浴恒溫振蕩器中12 h，并保持在37 ℃。振蕩器以200 r/min的頻率振蕩，制成菌懸液。不同稀釋濃度的菌懸液由酶標記物(M200 Pro，瑞士泰康)測定。本實驗初始菌濃度為108 CFU/mL。培養皿分為對照組和實驗組，實驗組培養皿置于接地電極下方的不同位置，進行不同電壓和時間條件的處理，對照組不作處理,然后將兩組培養皿倒置于恒溫(37 ℃)培養箱中過夜培養，最后用電泳儀電泳槽及成像分析系統(PowerPac Basic)對菌板進行拍照成像，計數采用活菌計數法。

2 結果和討論

2.1 放電特性

2.1.1 電暈電流和放電圖像

當施加的電壓US達到擊穿電壓Ubr(間隙出現放電輝光，微安表剛開始有讀數時的電壓值)后，電暈放電開始。在兩個針電極之間不同間隙條件(d=7，9，11，13 mm)下，此裝置的伏安曲線和放電功率如圖2所示。由于此雙極電暈裝置的放電擊穿電壓隨針間距離變化而改變，本文引入過電壓(ΔU=US-Ubr)來描述施加的電壓。

ΔU/kV

ΔU/kV

實驗發現，不同針間距下，雙極電暈的平均電流I隨過電壓ΔU的變化趨勢基本一致。伏安曲線(或I-U曲線)和單極電暈放電也基本相似，滿足經典湯森關系，即電流隨過電壓呈二次增長，I～0.49ΔU2。放電的平均功率P不超過1瓦，隨過電壓的增加呈現3次曲線增長，P～0.8ΔU3。其中不同間距d下的擊穿電壓Ubr為6.5～7 kV，對功率-電壓曲線的影響不大。

圖3(a)給出了兩個針電極間距為9 mm,過電壓為8 kV時，針-介質板-針電極結構下放電的CCD相機圖像。作為比較，圖3(b)展示了相同針間距、過電壓為3.2 kV時無介質板的放電圖像。CCD曝光時間皆為200 ms。

圖3 (a) 針-介質-針雙極電暈的放電圖像;(b) 針-針雙極電暈的放電圖像Fig.3 (a) Image of needle-dielectric-needle bipolar corona discharge;(b) Image of traditional bipolar corona discharge

可以看出：

新型針-介質板-針雙極電暈(圖3a)的操作電壓比傳統(圖3b)更高，后者結構的過電壓超過4 kV就會產生針電極間的直接擊穿。同時新結構的放電通道明顯比傳統結構要長得多。

新結構下兩電暈針的放電發光通道并沒有貼緊介質板，而是離表面有一定間隙；離子沿介質板沿表面(軸向)向外運動。

新結構的正極電暈放電通道形態不同于負電暈，發光的強度要高于負電暈，這也直觀地反映了正、負電暈放電的機制不同。

2.1.2 離子風特性

在放電過程中，電暈尖端外部出現明顯的離子風，圖4(a)和(b)分別給出了在不同電極間距和不同電極結構下的離子風速隨過電壓的變化。

ΔU/kV

ΔU/kV圖4 (a) 不同間隙下的離子風速與過電壓的關系；(b) 間隙d=9 mm時不同結構下的風速比較Fig.4 (a) Ionic wind velocity versus over-voltage at different gaps;(b) Ionic wind velocity in different configurations

在地電極下方h=1 cm處測量離子風速，發現雙極電暈離子風速V隨過電壓呈線性增加，如圖4(a)，這也與理論結果一致[11]。最大風速達1.2 m/s，此時電暈電壓也較高。不同針電極間隙的離子風速變化規律基本相同，這與傳統的單極電暈結構的結果也一致[12]。

電暈離子風速還受到電極結構影響。在本工作中，正、負電暈電極之間插入了介質板，這使所能施加的正常工作電壓更高，如本實驗中可高達20 kV。另外，相比傳統的無介質板的雙極電暈和單級電暈，相同過電壓下的離子風速明顯更大，地電極下方1 cm處始終可獲得至少0.2 m/s的離子風速，如圖4(b)。

新型針-介質板-針結構雙極電暈能夠獲得更大的離子風速度的主要原因是介質板的作用，這包括幾個方面：1)介質板對正、負電暈針之間的絕緣起到重要作用，不能直接擊穿，使其間可能的火花(或電弧)放電被有效抑制，從而明顯提高了運行電壓，離子風速相應提高。2)介質板上沉積的表面電荷平衡了當地的表面垂直電場，使沿平行表面的電場增強，有利于離子向外移動，產生強的離子風。

這種強的離子風可以覆蓋更大的范圍，同時可以將活性物質推向更遠的地方，有利于提高活性物質的作用范圍和效果。

2.1.3 發射光譜和活性物質

單、雙極電暈放電的發射光譜如下圖5所示。

可以看到，兩種放電產生的粒子種類相同，其發射譜線均以氮和氧的譜線為主。最大強度出現在337.1 nm處，對應于氮分子第二正帶系中Δν=ν″-ν′=0輻射。

由于空氣中水蒸氣的存在，OH-309 nm的譜線也可以觀察到，另外，在光譜中還可以觀察到各種活性粒子(如O3、NOx)的重要來源：氧原子(O-777.2 nm)的譜線，對應于O(3p5P)態至O(3s5S)態的躍遷。

同等條件下，雙極電暈放電的強度比單極電暈放電更強，產生的譜線強度更大，如雙極電暈放電產生的OH-309 nm的譜線強度為804 a.u.，而單極電暈放電產生的OH-309 nm的譜線強度僅為467 a.u.。OH自由基作為重要的活性氧化物，在滅菌和去除可揮發性有機物時有非常重要的作用。

臭氧作為主要活性含氧粒子之一，具有高氧化性，在滅菌和去除揮發性有機化合物的過程中都起重要作用[13]。圖6給出了不同針電極間隙下，雙極電暈放電的臭氧濃度隨過電壓的變化關系。其中臭氧濃度在地電極下方h=5 mm處測量。

ΔU/kV圖6 臭氧濃度與過電壓的關系(電極外5mm)Fig.6 Ozone concentration versus over-voltage

可以看出，臭氧濃度隨過電壓的升高而增加，但受雙針電極的間隙影響不大，在本文實驗條件下最高接近10×10-6。低于GB 28232-2020《臭氧消毒器衛生要求》[14]規定的閾值15×10-6。

2.2 雙極電暈空氣凈化器設計

基于上述裝置，我們設計了一種適用于室內的小型空氣凈化器,如圖7所示。整個“針-板-針”雙極電暈結構安裝在一個10 cm×10 cm×15 cm的絕緣腔中，雙針間距d=9 mm,介質板厚度為2 mm。接地電極環正對針電極固定在腔體一側，腔體上開有與內環面積相等的圓孔以保證離子風流出。兩個針電極通過良好絕緣的導線連接到正負高壓直流電源，可在6～20 kV電壓范圍內穩定放電。為保證內部空氣流通，在腔體正對環的另一側留有空氣入口。可通過調整工作電壓控制放電狀態，滿足不同環境條件下的使用需求。

圖7 雙極電暈放電空氣凈化器的結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of Bipolar corona-based air purifier

2.3 凈化器性能

空氣凈化器的性能測試根據GB/T1888-2002《室內空氣質量標準》[15]和GB 3095-2012《環境空氣質量標準》[16]的要求在30 m3房間內進行。

2.3.1 滅菌效果

本文選用較難殺滅的金黃色葡萄球菌進行雙極電暈放電的殺菌機理研究和滅菌效果測試,所有操作均在無菌環境下進行。

圖8給出了8 kV過電壓下此空氣凈化器的殺菌效果。接地電極環在培養皿表面的投影被視為計數區域，在該區域內，雙極電暈放電可實現直接殺菌。

圖8 PowerPac Basic下不同處理時間的殺菌效果Fig.8 Sterilization effect at different treatment times by PowerPac Basic

可以看到，隨處理時間增加，活菌數量越來越少。當滅菌時間t=6 min時，在直接殺菌區域已看不到活菌，即滅菌效率可達100%。

由于同等條件下雙極電暈放電的放電強度、離子風速度以及產生的活性粒子濃度均高于傳統單極電暈放電，因此具有更好的滅菌效果。作為比較，我們也同時測試了單極電暈放電的殺菌效率。將涂有金黃色葡萄球菌的培養皿放置在地電極下方h=0，5，10，15 mm處進行不同時間的處理，相應條件下的滅菌效率如圖9所示。

可以看出，在同等條件下，雙極電暈比單極電暈具有更高的滅菌效率。如h=0，t=4 min時，雙極電暈的滅菌效率約為92%，而單極電暈的滅菌效率只約為75%。雙極電暈放電6 min內滅菌效率即可達到100%，但單極電暈放電需要8 min左右才能完全殺滅細菌。這也可以證明離子風速度和活性粒子濃度均對滅菌效率有一定影響。此外，隨著h的增加，殺菌效果逐漸降低，這可能與活性粒子的濃度和壽命有關。電暈放電所產生的短壽命活性粒子包括N、HO2、OH等，當距離較近時，這些短壽命活性粒子對滅菌效率具有重要影響，而當距離較大時，這些短壽命活性粒子在到達培養皿菌株之前幾乎已消失殆盡，滅菌效果主要由長壽命活性粒子如O3、HNO2主導。然而，長壽命的活性粒子雖然可以抵達培養皿菌株并與其發生作用，但隨距離增加，這些長壽命活性粒子的濃度將不斷衰減，因而滅菌效果也有所降低。

圖9 雙極電暈放電和單極電暈放電不同h下的殺菌效率Fig.9 Sterilization efficiency of bipolar corona and single corona discharge at different h

2.3.2 去除VOCs

以甲醛(HCHO)為VOCs模型物，在30 m3房間內，我們使用此空氣凈化器對初始濃度為1.06 mg/m3的HCHO進行了降解試驗。圖10(a)和(b)分別給出了在8kV過電壓下HCHO的脫除率隨時間的變化以及在處理時間為120min時HCHO的脫除率隨功率的變化。

可以看出，HCHO濃度隨處理時間的增加而逐漸減小，如圖10(a)所示。處理120 min后，空氣中HCHO含量降到0.10 mg/m3以下；200 min后低于0.06 mg/m3，去除效率增加至接近100%，優于GB/T1888-2002所規定的“室內空氣HCHO含量不超過0.10 mg/m3”的質量標準。

甲醛的去除效率還與放電功率有關，如圖10(b)所示，HCHO的去除效率隨著平均功率的增加而增加，達到90%左右后功率的影響不再明顯，此時最低平均功率約500 mW，而平均功率1W時的去除效率增加非常小。這也表明，在實際凈化器設計時并不需要太高的放電功率。

t/min

P/mW圖10 (a) HCHO的去除效率隨時間的變化;(b) HCHO的去除效率隨功率的變化Fig.10 (a) Variation of HCHO Removal efficiency with treatment time;(b) Variation of HCHO Removal efficiency with discharge power

雙極電暈放電對HCHO的降解途徑可能有以下幾個：1)放電過程中產生的高能電子轟擊HCHO使其降解。這種機制只能發生在放電區，即含HCHO的空氣需要通過電暈區。由于電暈放電產生的離子風可促進有限空間的空氣流動，因而有利于促進這種降解機制的發生。2)電暈放電產生的活性物質ROS，RNS的強氧化性使HCHO降解[17]。由于活性粒子在空間的傳播和擴散，加上離子風的作用，這一降解機制可以發生在較大區域。

2.3.3 空氣循環

GB/T18801-2015《空氣凈化器》[18]中將換風量作為室內空氣凈化器性能的評價指標之一，它主要由凈化器的風速決定。本工作中沒有使用機械風扇，完全依靠雙極電暈產生的離子風實現空氣流動和循環，但風量可以滿足使用需求。例如在△U=8 kV時，離子風速約為1 m/s，按照地電極出風口口徑計算的風量約為5 m3/h。對于給定空間，這一風量可實現較好的空氣循環效果，從而實現對整個空間內的所有細菌和揮發性有機物的有效去除。

2.3.4 臭氧和NOx副產物

電暈放電過程一般都伴隨臭氧和NOx等副產物的產生。雖然臭氧等活性物質對滅菌和去除VOCs是有利的，但其殘余可能危害人身。為確定凈化器的有害物殘余，我們測試了距離凈化器出口較遠的臭氧和NOx濃度。

前面看到，在靠近地電極的地方才有較高濃度的臭氧(如圖5，清潔空氣中5 mm處臭氧濃度約幾個×10-6)。但由于臭氧分解很快，故在凈化器出氣口下方約h=5 cm處，大氣中連續運行24 h的臭氧濃度僅為0.05×10-6，低于臭氧安全濃度(0.1×10-6)。

另外，雙極電暈產生的NOx濃度均小于0.1×10-6(約48.8 μg/m3)，低于GB 3095-2012中NOx<250 μg/m3的Ⅰ類限值。

2.3.5 噪聲

本凈化器沒有機械旋轉部件，故其產生的噪聲極小。圖11給出了沿電極中心軸線距出風口50 cm處檢測噪聲隨放電電流的變化，其中包含房間內的背景噪聲約32 dB(A)[19]。

I/μA圖11 雙極電暈放電噪聲隨電流的變化Fig.11 Variation of bipolar corona discharge noise with discharge current

可以看出，在放電電流小于14 μA部分，由于背景噪聲高于放電噪聲，幾乎檢測不到來自放電的噪聲。在電流大于14 μA部分，檢測噪聲隨電流的增大而增大，但在考察范圍內，總噪聲均小于45 dB(A)，符合GB/T18801-2015規定的機器噪聲應低于55 dB(A)的要求。可見，雙極電暈凈化器的噪聲是非常小的。

3 結論

本文設計了一種基于雙極電暈放電低噪聲的室內空氣凈化器，對其放電特性、光譜特性、離子風特性、空氣凈化特性等進行了測試與分析，主要結論如下：

雙極電暈放電的電流為μA量級，放電功率一般不超過1 W。插入介質板使所能施加的電壓更高，獲得更大的離子風速(實驗中約1.2 m/s)，從而提高空氣凈化效率。發射光譜表明雙極電暈放電產生了多種活性物質，以氮、氧、臭氧和OH自由基等為主。

相同處理時間下，雙極電暈放電的殺菌效率優于單極電暈，可在處理6 min后100%殺滅金黃色葡萄球菌。在120 min內使30 m3空間初始濃度為1.06 mg/m3的HCHO降解至0.1 mg/m3以下，達到相關標準，并且HCHO的去除效率隨著功率的升高而增大。

這種凈化器的性能優良。由于沒有機械風扇，雙極電暈放電的噪聲小；得益于離子風效應，本凈化裝置可獲得5 m3/h的換風量；而在距離出氣口5 cm處測得放電穩定后的臭氧濃度低于0.1×10-6，NOx濃度低于0.1×10-6，表明該裝置產生的副產物均未超出相關質量標準。