基于正交试验法的负氧离子发生参数优化

金浩，李睿，刘延星，贺学荣，王勇

（1.湖南泰瑞医疗科技有限公司民用氧研究所，湖南长沙，410000;2. 东莞理工学院机械工程学院，广东东莞，523000）

0 引言

被誉为空气维生素的负（氧）离子对人体健康有益，通过离子效应对人体起到镇静、镇痛、利尿、增进食欲、降低血压等功效[1]。自然界中的空气负（氧）离子主要来源于三种形式，一种是宇宙辐射、雷雨等环境因素释放出的电子和空气中的中性分子结合而产生的。一种是自然环境中的瀑布、海浪、雨水冲击等形成的水分子裂解产生的。还有一种即森林植被光合作用叶片通过光电效应释放的负（氧）离子。

目前，除了这些自然形成的空气负（氧）离子还有利用人工仪器生产出来的负（氧）离子.如同济大学李振海教授[2]研究的负（氧）离子净化技术是通过强电场产生空气负（氧）离子。通过吸附和沉降净化颗粒污染物的同时，针对部分微生物还能起到杀菌灭活的作用[3]。蒋刘卿[4]利用实验证明了水离子对固态颗粒物有良好的净化效果，优于传统负（氧）离子技术。目前市场上常用的负（氧）离子产品主要是源负（氧）离子技术产品和无源负（氧）离子技术产品，前者涉及的主要技术原理是利用外界能源使离子间碰撞产生负（氧）离子，应用这种技术制造开发的产品有空气净化器[5]；后者大都是利用那些无机非金属材料，此类材料自身具有能量并能通过自发极化产生负（氧）离子[6]。

但相对来说，人们更乐于接受自然状态下产生的负（氧）离子。森林周边存在的瀑布、溪流等自然环境能产生负（氧）离子，使森林本身始终处在一个高浓度负（氧）离子的环境中，这种环境在亚健康现象频发的当代，能够满足城市人群急于寻找空气清新、环境优美、食材安全的康养环境的需求[7]。

模拟瀑布、溪流在自然环境下产生负（氧）离子的方式，研发一种负（氧）离子发生装置，相比于传统电离式负（氧）离子发生的方式不会产生臭氧，且更贴近于自然地负（氧）离子发生方式。

1 原理与方法

1.1 材料与设备

试验时需采用压缩机为气源在水中模拟瀑布，本研究采用流量20L压力100kpa莱诺H-0200C无油压缩机、流量6L压力400kpa氧气罐、流量3L/5L压力40kpa制氧机作为气源；负（氧）离子发生装置采用不同类型孔径撞击模拟瀑布发生；在试验过程中试验流量调节阀、压力调节阀控制试验系统流量与压力；采用气体流量计与压力表检测实验装置流量与压力；检测负（氧）离子浓度装置为dplus DP6800-PRO空气负（氧）离子检测仪。

图1 dplus DP6800-PRO空气负（氧）离子检测仪

1.2 瀑布式负离子发生装置原理

瀑布离子发生装置主要采用水击式负离子发生的方式，根据勒纳德（Lenard）效应（喷筒电效应）的原理[8]，勒纳德（Lenard）效应是指液体在气体中喷散成雾状时本身可变为一种带电小滴的过程。研究发现，水滴是一个带电系统，常形成内外双电层，内层带有正电核，外层带有负电荷，水喷出或溅出时，由于水滴机械性分裂而致双电层分离，水滴的外层与空气中的分子或原子结合形成空气负离子，在空气中扩散。而水滴的内层则重新变为带双电层（外负内正）的小滴，并因较重而下沉，因此在喷散气雾的范围内便可得到高浓度的空气负离子，目前多用一定配方制成的药物溶液或矿泉水代替普通水，通过发生器所产生的带微粒，称为电-气溶胶，其直径在10-5～l0-6cm，大于重空气负离子，每一微粒带电荷可达 1600个电荷单位[9-10]，这就是人在瀑布和喷泉边，甚至在雨后所感受到的清新的、使人振奋的感觉的原因。

其中Z是指任意的气体分子为反应提供能量。低浓度的臭氧可以杀菌消毒，因为臭氧是一种强氧化剂，能破坏分解细菌的细胞壁，然后渗透进细菌内部，氧化分解细菌内部的酶，也可以直接与细菌发生作用分解DNA，RNA，蛋白质等大分子聚合物，从而使细菌的代谢过程和繁殖过程遭到严重的破坏[11]。但高浓度的臭氧对我们人体有着极大的危害，高浓度的臭氧会刺激和损害我们的眼睛、鼻子和喉咙，尤其是损伤我们的呼吸系统，容易对我们的肺部造成急性危害，比如支气管炎和肺气肿等。吸入高浓度的臭氧会使我们产生头昏脑胀，视线模糊、记忆力衰退等症状[12-13]。而本研究使用水机式负离子发生，完全不产生臭氧，杜绝了臭氧对人体的伤害。

1.3 不同孔截面积对负离子数量的影响

基于勒纳德（Lenard）效应需要使液体在气体中撞击喷散形成雾状使其带电形成负离子，因此气流的孔径会决定撞击速度，控制负离子发生的数量，若希望撞击速度v在4m/s，根据以下公式计算气孔截面积：

其中，Q为气体流量

S为气孔截面积

v为气体流速

其中，ρ水为水的密度

本研究采用此技术在湿化瓶中安装负离子发生装置，使用压缩机在水中模拟瀑布使液体在气体中撞击不锈钢壁机械分裂形成负离子在空气中扩散。

2 试验验证

2.1 瀑布式负离子发生装置试验验证

为了有效产生负离子，达到空气净化的目的。根据负离子发生原理采用0.8mm孔径、1.0mm孔径与1.2mm孔径并联通气源模拟瀑布产生负离子的形式发生负离子，气源流量选用5L、10L 和 15L做负离子产生负离子，压力分别选用 0.05Mpa、0.15Mpa、和 0.25MPa。

目标模糊。工科新教师培训有着较长过程，存在不同阶段，理应制定不同的阶段目标；工科新教师培训有着不同内容与要求，理应制定不同的具体目标。在培训实践中，阶段目标与具体目标常常模糊不清甚至缺失，未能形成培训目标系统。

试验采用L9（34）正交设计为孔径（A）、流量（B）和压力（C）三因素三水平试验。

孔径因素三水平：A1、A2、A3分别为0.8mm孔径单孔、1.0mm孔径与1.2mm孔径并联通气源模拟瀑布产生负离子的形式发生负离子

流量因素三水平：B1、B2、B3分别为5L、10L和15L做负离子产生负离子。压力因素三水平：C1、C2、C3分别为0.05Mpa、0.15Mpa、和 0.25MPa。

由负离子浓度检测数据（表 1）可以看出，各组数据中（A3B3C2）组合负离子浓度最高，负离子浓度平均达到 21.4万/cm2。

表 1 负离子浓度检测数据

表 2 负离子浓度方差分析

经方差分析（表2）三因素中流量因素对负离子浓度影响达极显著水平孔径次之而压力差异不显著。表明流量为主要因素对负离子影响效果最为明显。

表 3 各水平组合差异显著性

显著性测验（表3）表明：以（A3B3C2）组合负离子浓度最高与（A2B2C3）组合达极显著水平与（A2B3C1）、（A3B2C1）组合达显著水平 ；（A1B3C3）、（A1B2C2）、（A1B1C1）组合负离子浓度次之三者间无显著差异均与（A2B1C2）组合达显著水平；其余组合间无显著差异。因此以（A3B3C2）为最佳组合。

2.2 瀑布式负离子发生装置的应用

负离子空气净化器是一种利用自身产生的负离子对空气进行净化、除尘、除味、灭菌的环境优化电器，其与传统的空气净化机的不同之处是以负离子作为作用因子，主动出击捕捉空气中的有害物质。而传统的空气净化机是风机抽风，利用滤网过滤粉尘来净化空气，称为被动吸附过滤式的净化原理，需要定期更换滤网，而负离子空气净化器则无需耗材[14,15]。小粒径负离子，有良好的生物活性，易于透过人体血脑屏障，进入人体发挥其生物效应。

负离子不仅能促成人体合成和储存维生素，强化和激活人体的生理活动，因此它又被称为“空气维生素”。空气负离子还有镇静、催眠的作用。

(1)治疗疾病：①消烟、除尘；②改善空气结构；③改善肺功能；④改善心肌功能；⑤促进新陈代谢；⑥增强肌体抗病能力；⑦空气负离子对过敏性花粉热、支气管哮喘、上呼吸道粘膜炎等均能起到缓解或治愈作用。

(2)优化空气：空气中烟尘、粉尘、飘尘等带正电荷的颗粒物很容易吸附空气中的负离子，使得这些尘粒凝并，成为大粒子沉降下来，净化了空气，尤其是对粒径小至0.01μm的微粒和难以去除的飘尘，如香烟烟雾、致敏微粒等的凝并效果明显，对过敏性花粉热、支气管哮喘、上呼吸道黏膜炎等均能起到缓解或治愈作用。负离子抑菌机理在于负离子与细菌结合后，使细菌产生结构的改变或能量的转移，导致细菌死亡。负离子也能有效去除空气中的多种有害物质，如一些有害的化学物质和挥发性有机化合物 VOC等[16]。

3 结论与讨论

结果表明使用孔径1.2mm，流量15L，压力0.15kpm作为气源参数对瀑布离子发生装置模拟瀑布发生时产生的氧离子浓度最高，负（氧）离子浓度平均可达21.4万个/cm2。其中流量因素对负离子浓度影响达极显著水平孔径次之而压力差异不显著。表明流量为主要因素对负离子影响效果最为明显。因此在设计瀑布式负离子发生仪器时，应着重考虑流量与压力，可以参考本研究数据进行研发。因此，基于瀑布式负（氧）离子发生方式的负（氧）离子发生装置可产生不含臭氧的负（氧）离子，识别结果能够满足识别精度的要求。