雙極電暈放電及其在空氣凈化中的應(yīng)用

連秀云，繆勁松，楊冰彥，韓若愚，歐陽吉庭

(北京理工大學(xué)物理學(xué)院，北京 100081)

空氣凈化(即去除空氣中的污染物)是改善空氣質(zhì)量的必要措施，污染物主要有四大類：顆粒物(PMx)、微生物(細(xì)菌、真菌、霉菌和病毒等)、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)和無機(jī)物。這些污染物可能也會產(chǎn)生交叉影響，如空氣傳播的大量的微生物和揮發(fā)性有機(jī)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(chǎn)生的各種活性物質(zhì)可以與微生物和揮發(fā)性有機(jī)物發(fā)生復(fù)雜的物理、生物、化學(xué)反應(yīng)，具有無化學(xué)殘留、操作安全、快速高效的優(yōu)勢[5-6]。低溫等離子體的產(chǎn)生方式有多種，如電暈放電、微波放電、介質(zhì)阻擋放電和等離子體射流等。在大氣壓環(huán)境中，電暈放電是最具優(yōu)勢的放電形式之一，具有電流小、低功耗、低噪聲等特點(diǎn)；同時(shí)電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)能將活性物質(zhì)轉(zhuǎn)移到更遠(yuǎn)的地方[7]，在靜電除塵、電離風(fēng)機(jī)、強(qiáng)化換熱、流動控制等方面有廣泛應(yīng)用[8]。近年來，基于電暈放電的凈化器也備受關(guān)注[9]，尤其是小型化、便攜式設(shè)備，成為空氣凈化裝置的發(fā)展方向之一。

本文設(shè)計(jì)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(fēng)特性、殺菌效率和VOCs的去除效果，并測試了其循環(huán)氣量、副產(chǎn)物殘余、噪聲等性能。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)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(fù)直流高壓電源(DW-P203/N203)。接地電極為外徑45 mm，內(nèi)徑40 mm的鋁環(huán)。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(zhì)板，形成“針-介質(zhì)板-針”的雙極電暈結(jié)構(gòu)。所有放電實(shí)驗(yàn)均以空氣為介質(zhì)，在大氣壓條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃、相對濕度為42%(水蒸氣濃度約為10.5mg/L)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup

正、負(fù)電暈針上的施加電壓由數(shù)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(lián)的微安電流表測量；放電圖像由CCD相機(jī)(Canon-EOS-550D)拍攝,電暈離子風(fēng)速由熱線風(fēng)速儀(DT-8880)測量；放電產(chǎn)生的發(fā)射光譜(OES)及其中的活性物質(zhì)通過光譜儀(Zolix Omni λ-5008)測量和分析；放電產(chǎn)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(shù)字分析儀(INTERSCAN 4160)測量，放電裝置產(chǎn)生的噪聲由噪音計(jì)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(shí)驗(yàn)室常用的菌株之一[10]。實(shí)驗(yàn)中，將儲存在固體培養(yǎng)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(biāo)記物(M200 Pro，瑞士泰康)測定。本實(shí)驗(yàn)初始菌濃度為108 CFU/mL。培養(yǎng)皿分為對照組和實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組培養(yǎng)皿置于接地電極下方的不同位置，進(jìn)行不同電壓和時(shí)間條件的處理，對照組不作處理,然后將兩組培養(yǎng)皿倒置于恒溫(37 ℃)培養(yǎng)箱中過夜培養(yǎng)，最后用電泳儀電泳槽及成像分析系統(tǒng)(PowerPac Basic)對菌板進(jìn)行拍照成像，計(jì)數(shù)采用活菌計(jì)數(shù)法。

2 結(jié)果和討論

2.1 放電特性

2.1.1 電暈電流和放電圖像

當(dāng)施加的電壓US達(dá)到擊穿電壓Ubr(間隙出現(xiàn)放電輝光，微安表剛開始有讀數(shù)時(shí)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(jīng)典湯森關(guān)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(xiàn)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(shí)，針-介質(zhì)板-針電極結(jié)構(gòu)下放電的CCD相機(jī)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(shí)無介質(zhì)板的放電圖像。CCD曝光時(shí)間皆為200 ms。

圖3 (a) 針-介質(zhì)-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(zhì)板-針雙極電暈(圖3a)的操作電壓比傳統(tǒng)(圖3b)更高，后者結(jié)構(gòu)的過電壓超過4 kV就會產(chǎn)生針電極間的直接擊穿。同時(shí)新結(jié)構(gòu)的放電通道明顯比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)要長得多。

新結(jié)構(gòu)下兩電暈針的放電發(fā)光通道并沒有貼緊介質(zhì)板，而是離表面有一定間隙；離子沿介質(zhì)板沿表面(軸向)向外運(yùn)動。

新結(jié)構(gòu)的正極電暈放電通道形態(tài)不同于負(fù)電暈，發(fā)光的強(qiáng)度要高于負(fù)電暈，這也直觀地反映了正、負(fù)電暈放電的機(jī)制不同。

2.1.2 離子風(fēng)特性

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

ΔU/kV

ΔU/kV圖4 (a) 不同間隙下的離子風(fēng)速與過電壓的關(guān)系；(b) 間隙d=9 mm時(shí)不同結(jié)構(gòu)下的風(fēng)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(fēng)速，發(fā)現(xiàn)雙極電暈離子風(fēng)速V隨過電壓呈線性增加，如圖4(a)，這也與理論結(jié)果一致[11]。最大風(fēng)速達(dá)1.2 m/s，此時(shí)電暈電壓也較高。不同針電極間隙的離子風(fēng)速變化規(guī)律基本相同，這與傳統(tǒng)的單極電暈結(jié)構(gòu)的結(jié)果也一致[12]。

電暈離子風(fēng)速還受到電極結(jié)構(gòu)影響。在本工作中，正、負(fù)電暈電極之間插入了介質(zhì)板，這使所能施加的正常工作電壓更高，如本實(shí)驗(yàn)中可高達(dá)20 kV。另外，相比傳統(tǒng)的無介質(zhì)板的雙極電暈和單級電暈，相同過電壓下的離子風(fēng)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(fēng)速，如圖4(b)。

新型針-介質(zhì)板-針結(jié)構(gòu)雙極電暈?zāi)軌颢@得更大的離子風(fēng)速度的主要原因是介質(zhì)板的作用，這包括幾個方面：1)介質(zhì)板對正、負(fù)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(yùn)行電壓，離子風(fēng)速相應(yīng)提高。2)介質(zhì)板上沉積的表面電荷平衡了當(dāng)?shù)氐谋砻娲怪彪妶?，使沿平行表面的電場增?qiáng)，有利于離子向外移動，產(chǎn)生強(qiáng)的離子風(fēng)。

這種強(qiáng)的離子風(fēng)可以覆蓋更大的范圍，同時(shí)可以將活性物質(zhì)推向更遠(yuǎn)的地方，有利于提高活性物質(zhì)的作用范圍和效果。

2.1.3 發(fā)射光譜和活性物質(zhì)

單、雙極電暈放電的發(fā)射光譜如下圖5所示。

可以看到，兩種放電產(chǎn)生的粒子種類相同，其發(fā)射譜線均以氮和氧的譜線為主。最大強(qiáng)度出現(xiàn)在337.1 nm處，對應(yīng)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(yīng)于O(3p5P)態(tài)至O(3s5S)態(tài)的躍遷。

同等條件下，雙極電暈放電的強(qiáng)度比單極電暈放電更強(qiáng)，產(chǎn)生的譜線強(qiáng)度更大，如雙極電暈放電產(chǎn)生的OH-309 nm的譜線強(qiáng)度為804 a.u.，而單極電暈放電產(chǎn)生的OH-309 nm的譜線強(qiáng)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(fā)性有機(jī)物時(shí)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(fā)性有機(jī)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(guān)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(guān)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(shí)驗(yàn)條件下最高接近10×10-6。低于GB 28232-2020《臭氧消毒器衛(wèi)生要求》[14]規(guī)定的閾值15×10-6。

2.2 雙極電暈空氣凈化器設(shè)計(jì)

基于上述裝置，我們設(shè)計(jì)了一種適用于室內(nèi)的小型空氣凈化器,如圖7所示。整個“針-板-針”雙極電暈結(jié)構(gòu)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(zhì)板厚度為2 mm。接地電極環(huán)正對針電極固定在腔體一側(cè)，腔體上開有與內(nèi)環(huán)面積相等的圓孔以保證離子風(fēng)流出。兩個針電極通過良好絕緣的導(dǎo)線連接到正負(fù)高壓直流電源，可在6～20 kV電壓范圍內(nèi)穩(wěn)定放電。為保證內(nèi)部空氣流通，在腔體正對環(huán)的另一側(cè)留有空氣入口?？赏ㄟ^調(diào)整工作電壓控制放電狀態(tài)，滿足不同環(huán)境條件下的使用需求。

圖7 雙極電暈放電空氣凈化器的結(jié)構(gòu)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(jù)GB/T1888-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[15]和GB 3095-2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16]的要求在30 m3房間內(nèi)進(jìn)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(jìn)行雙極電暈放電的殺菌機(jī)理研究和滅菌效果測試,所有操作均在無菌環(huán)境下進(jìn)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(huán)在培養(yǎng)皿表面的投影被視為計(jì)數(shù)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，雙極電暈放電可實(shí)現(xiàn)直接殺菌。

圖8 PowerPac Basic下不同處理時(shí)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(shí)間增加，活菌數(shù)量越來越少。當(dāng)滅菌時(shí)間t=6 min時(shí)，在直接殺菌區(qū)域已看不到活菌，即滅菌效率可達(dá)100%。

由于同等條件下雙極電暈放電的放電強(qiáng)度、離子風(fēng)速度以及產(chǎn)生的活性粒子濃度均高于傳統(tǒng)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(shí)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(yǎng)皿放置在地電極下方h=0，5，10，15 mm處進(jìn)行不同時(shí)間的處理，相應(yīng)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(shí)，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(nèi)滅菌效率即可達(dá)到100%，但單極電暈放電需要8 min左右才能完全殺滅細(xì)菌。這也可以證明離子風(fēng)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(guān)。電暈放電所產(chǎn)生的短壽命活性粒子包括N、HO2、OH等，當(dāng)距離較近時(shí)，這些短壽命活性粒子對滅菌效率具有重要影響，而當(dāng)距離較大時(shí)，這些短壽命活性粒子在到達(dá)培養(yǎng)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(dǎo)。然而，長壽命的活性粒子雖然可以抵達(dá)培養(yǎng)皿菌株并與其發(fā)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(nèi)，我們使用此空氣凈化器對初始濃度為1.06 mg/m3的HCHO進(jìn)行了降解試驗(yàn)。圖10(a)和(b)分別給出了在8kV過電壓下HCHO的脫除率隨時(shí)間的變化以及在處理時(shí)間為120min時(shí)HCHO的脫除率隨功率的變化。

可以看出，HCHO濃度隨處理時(shí)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(yōu)于GB/T1888-2002所規(guī)定的“室內(nèi)空氣HCHO含量不超過0.10 mg/m3”的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

甲醛的去除效率還與放電功率有關(guān)，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(dá)到90%左右后功率的影響不再明顯，此時(shí)最低平均功率約500 mW，而平均功率1W時(shí)的去除效率增加非常小。這也表明，在實(shí)際凈化器設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(chǎn)生的高能電子轟擊HCHO使其降解。這種機(jī)制只能發(fā)生在放電區(qū)，即含HCHO的空氣需要通過電暈區(qū)。由于電暈放電產(chǎn)生的離子風(fēng)可促進(jìn)有限空間的空氣流動，因而有利于促進(jìn)這種降解機(jī)制的發(fā)生。2)電暈放電產(chǎn)生的活性物質(zhì)ROS，RNS的強(qiáng)氧化性使HCHO降解[17]。由于活性粒子在空間的傳播和擴(kuò)散，加上離子風(fēng)的作用，這一降解機(jī)制可以發(fā)生在較大區(qū)域。

2.3.3 空氣循環(huán)

GB/T18801-2015《空氣凈化器》[18]中將換風(fēng)量作為室內(nèi)空氣凈化器性能的評價(jià)指標(biāo)之一，它主要由凈化器的風(fēng)速決定。本工作中沒有使用機(jī)械風(fēng)扇，完全依靠雙極電暈產(chǎn)生的離子風(fēng)實(shí)現(xiàn)空氣流動和循環(huán)，但風(fēng)量可以滿足使用需求。例如在△U=8 kV時(shí)，離子風(fēng)速約為1 m/s，按照地電極出風(fēng)口口徑計(jì)算的風(fēng)量約為5 m3/h。對于給定空間，這一風(fēng)量可實(shí)現(xiàn)較好的空氣循環(huán)效果，從而實(shí)現(xiàn)對整個空間內(nèi)的所有細(xì)菌和揮發(fā)性有機(jī)物的有效去除。

2.3.4 臭氧和NOx副產(chǎn)物

電暈放電過程一般都伴隨臭氧和NOx等副產(chǎn)物的產(chǎn)生。雖然臭氧等活性物質(zhì)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(yuǎn)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(xù)運(yùn)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(chǎn)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(jī)械旋轉(zhuǎn)部件，故其產(chǎn)生的噪聲極小。圖11給出了沿電極中心軸線距出風(fēng)口50 cm處檢測噪聲隨放電電流的變化，其中包含房間內(nèi)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(nèi)，總噪聲均小于45 dB(A)，符合GB/T18801-2015規(guī)定的機(jī)器噪聲應(yīng)低于55 dB(A)的要求?？梢姡p極電暈凈化器的噪聲是非常小的。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于雙極電暈放電低噪聲的室內(nèi)空氣凈化器，對其放電特性、光譜特性、離子風(fēng)特性、空氣凈化特性等進(jìn)行了測試與分析，主要結(jié)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(zhì)板使所能施加的電壓更高，獲得更大的離子風(fēng)速(實(shí)驗(yàn)中約1.2 m/s)，從而提高空氣凈化效率。發(fā)射光譜表明雙極電暈放電產(chǎn)生了多種活性物質(zhì)，以氮、氧、臭氧和OH自由基等為主。

相同處理時(shí)間下，雙極電暈放電的殺菌效率優(yōu)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(nèi)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(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，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(yōu)良。由于沒有機(jī)械風(fēng)扇，雙極電暈放電的噪聲??；得益于離子風(fēng)效應(yīng)，本凈化裝置可獲得5 m3/h的換風(fēng)量；而在距離出氣口5 cm處測得放電穩(wěn)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(chǎn)生的副產(chǎn)物均未超出相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。