基于正交試驗法的負氧離子發生參數優化

金浩，李睿，劉延星，賀學榮，王勇

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

0 引言

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

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

但相對來說，人們更樂于接受自然狀態下產生的負（氧）離子。森林周邊存在的瀑布、溪流等自然環境能產生負（氧）離子，使森林本身始終處在一個高濃度負（氧）離子的環境中，這種環境在亞健康現象頻發的當代，能夠滿足城市人群急于尋找空氣清新、環境優美、食材安全的康養環境的需求[7]。

模擬瀑布、溪流在自然環境下產生負（氧）離子的方式，研發一種負（氧）離子發生裝置，相比于傳統電離式負（氧）離子發生的方式不會產生臭氧，且更貼近于自然地負（氧）離子發生方式。

1 原理與方法

1.1 材料與設備

試驗時需采用壓縮機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、流量6L壓力400kpa氧氣罐、流量3L/5L壓力40kpa制氧機作為氣源；負（氧）離子發生裝置采用不同類型孔徑撞擊模擬瀑布發生；在試驗過程中試驗流量調節閥、壓力調節閥控制試驗系統流量與壓力；采用氣體流量計與壓力表檢測實驗裝置流量與壓力；檢測負（氧）離子濃度裝置為dplus DP6800-PRO空氣負（氧）離子檢測儀。

圖1 dplus DP6800-PRO空氣負（氧）離子檢測儀

1.2 瀑布式負離子發生裝置原理

瀑布離子發生裝置主要采用水擊式負離子發生的方式，根據勒納德（Lenard）效應（噴筒電效應）的原理[8]，勒納德（Lenard）效應是指液體在氣體中噴散成霧狀時本身可變為一種帶電小滴的過程。研究發現，水滴是一個帶電系統，常形成內外雙電層，內層帶有正電核，外層帶有負電荷，水噴出或濺出時，由于水滴機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合形成空氣負離子，在空氣中擴散。而水滴的內層則重新變為帶雙電層（外負內正）的小滴，并因較重而下沉，因此在噴散氣霧的范圍內便可得到高濃度的空氣負離子，目前多用一定配方制成的藥物溶液或礦泉水代替普通水，通過發生器所產生的帶微粒，稱為電-氣溶膠，其直徑在10-5～l0-6cm，大于重空氣負離子，每一微粒帶電荷可達 1600個電荷單位[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提供能量。低濃度的臭氧可以殺菌消毒，因為臭氧是一種強氧化劑，能破壞分解細菌的細胞壁，然后滲透進細菌內部，氧化分解細菌內部的酶，也可以直接與細菌發生作用分解DNA，RNA，蛋白質等大分子聚合物，從而使細菌的代謝過程和繁殖過程遭到嚴重的破壞[11]。但高濃度的臭氧對我們人體有著極大的危害，高濃度的臭氧會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，容易對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使我們產生頭昏腦脹，視線模糊、記憶力衰退等癥狀[12-13]。而本研究使用水機式負離子發生，完全不產生臭氧，杜絕了臭氧對人體的傷害。

1.3 不同孔截面積對負離子數量的影響

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

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

本研究采用此技術在濕化瓶中安裝負離子發生裝置，使用壓縮機在水中模擬瀑布使液體在氣體中撞擊不銹鋼壁機械分裂形成負離子在空氣中擴散。

2 試驗驗證

2.1 瀑布式負離子發生裝置試驗驗證

為了有效產生負離子，達到空氣凈化的目的。根據負離子發生原理采用0.8mm孔徑、1.0mm孔徑與1.2mm孔徑并聯通氣源模擬瀑布產生負離子的形式發生負離子，氣源流量選用5L、10L 和 15L做負離子產生負離子，壓力分別選用 0.05Mpa、0.15Mpa、和 0.25MPa。

目標模糊。工科新教師培訓有著較長過程，存在不同階段，理應制定不同的階段目標；工科新教師培訓有著不同內容與要求，理應制定不同的具體目標。在培訓實踐中，階段目標與具體目標常常模糊不清甚至缺失，未能形成培訓目標系統。

試驗采用L9（34）正交設計為孔徑（A）、流量（B）和壓力（C）三因素三水平試驗。

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孔徑并聯通氣源模擬瀑布產生負離子的形式發生負離子

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

由負離子濃度檢測數據（表 1）可以看出，各組數據中（A3B3C2）組合負離子濃度最高，負離子濃度平均達到 21.4萬/cm2。

表 1 負離子濃度檢測數據

表 2 負離子濃度方差分析

經方差分析（表2）三因素中流量因素對負離子濃度影響達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負離子影響效果最為明顯。

表 3 各水平組合差異顯著性

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

2.2 瀑布式負離子發生裝置的應用

負離子空氣凈化器是一種利用自身產生的負離子對空氣進行凈化、除塵、除味、滅菌的環境優化電器，其與傳統的空氣凈化機的不同之處是以負離子作為作用因子，主動出擊捕捉空氣中的有害物質。而傳統的空氣凈化機是風機抽風，利用濾網過濾粉塵來凈化空氣，稱為被動吸附過濾式的凈化原理，需要定期更換濾網，而負離子空氣凈化器則無需耗材[14,15]。小粒徑負離子，有良好的生物活性，易于透過人體血腦屏障，進入人體發揮其生物效應。

負離子不僅能促成人體合成和儲存維生素，強化和激活人體的生理活動，因此它又被稱為“空氣維生素”。空氣負離子還有鎮靜、催眠的作用。

(1)治療疾病：①消煙、除塵；②改善空氣結構；③改善肺功能；④改善心肌功能；⑤促進新陳代謝；⑥增強肌體抗病能力；⑦空氣負離子對過敏性花粉熱、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。負離子抑菌機理在于負離子與細菌結合后，使細菌產生結構的改變或能量的轉移，導致細菌死亡。負離子也能有效去除空氣中的多種有害物質，如一些有害的化學物質和揮發性有機化合物 VOC等[16]。

3 結論與討論

結果表明使用孔徑1.2mm，流量15L，壓力0.15kpm作為氣源參數對瀑布離子發生裝置模擬瀑布發生時產生的氧離子濃度最高，負（氧）離子濃度平均可達21.4萬個/cm2。其中流量因素對負離子濃度影響達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負離子影響效果最為明顯。因此在設計瀑布式負離子發生儀器時，應著重考慮流量與壓力，可以參考本研究數據進行研發。因此，基于瀑布式負（氧）離子發生方式的負（氧）離子發生裝置可產生不含臭氧的負（氧）離子，識別結果能夠滿足識別精度的要求。