- 頭條殺菌、阻斷病毒、除塵凈化！在空氣凈化領域大顯身手的離子風技術2022-03-06 作者：張明、李丁晨 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語離子風是氣體放電產生的高能電子推動中性粒子運動，從而在宏觀上表現為流體的一種現象。由于離子風具有低噪聲、低功耗、響應速度快和無機械運動部件等優點，在過去的數十年中，離子風的研究和應用取得了很大發展。 離子風的流動特點、攜帶帶電粒子等屬性，決定了其在不同領域的廣泛應用，主要有食品干燥、溫度控制、推進、助燃和空氣凈化等。離子風所具有的獨特優點使其應用前景光明，雖然離子風在很多領域還在實驗階段，并且一些關鍵問題還有待解決，但未來離子風的應用將會更加成熟。
等離子體在空氣凈化領域應用廣泛，氣體放電過程中產生的帶電粒子與待處理的空氣混合后，對有害微生物進行消殺，促進顆粒物的凝并，提高空氣質量。M. J. Gallagher等通過等離子體直接處理空氣，雖然殺菌效率可以高達97%，但放電產生的臭氧達到了28μg/L，會造成二次污染。由于離子風的流動性，可將電極產生的帶電粒子與空氣中的微生物充分混合，既可以提高殺菌效率，又能夠稀釋臭氧含量。
E. Timmermann等采用DBD作為等離子體源聯合離子風處理室內空氣，并與等離子體直接處理后的空氣做了對比，研究結果如圖1所示，等離子體直接處理空氣后臭氧含量高達15000μg/L，而殺菌率只有24%；但等離子體與離子風聯合處理后的臭氧含量僅為362μg/L，且殺菌率高達95%。
圖1 有無離子風情況下的影響對比
M. Schmidt等利用相同的原理分解空氣中的甲乙酮，結果顯示等離子體和離子風共同作用下分解率達94%。以上都是針對空氣中的細菌和有害氣體的研究，離子風由于攜帶活性粒子，還可以用于有關病毒的消殺，阻斷病毒的傳播途徑等。
在靜電除塵中，通過離子風對除塵效率也有著重要的影響。T. Yamamoto等通過實驗證明了靜電除塵過程中顆粒受電場、來流和離子風的共同作用。離子風影響顆粒物的驅進速度和荷電時間，從而影響除塵效率。
離子風對除塵效率的影響與來流速度有關，Liang W.J.等對電除塵效率的數值計算的結果顯示，當來流速度大于0.6m/s，離子風對除塵效率的影響可以忽略；當來流速度小于0.2m/s，離子風能提高除塵效率。Wang Yifan等對蜂窩式靜電除塵器的除塵效率進行數值計算的結果顯示，離子風在這種電極結構中有促進顆粒凝聚，減小顆粒沉積死區的作用。Zhang Jianping等對離子風在線-筒電極除塵效率的數值計算結果表明，離子風可以促進PM2.5的收集，最高效率可達83.1%。然而，沈欣軍等]的研究表明離子風會在除塵器中形成渦流，阻礙顆粒物的捕集。
李慶等的研究結果表明，電極結構是離子風影響除塵效率的關鍵，因此可以通過改變電極結構來改變流場形態，從而提高凈化效果。Shen Heng等對五種不同形狀收集極的靜電除塵器流場的模擬計算結果顯示，電極形狀影響流場分布，從而影響除塵效率。如圖2a所示的傳統的線-板靜電除塵器，但二次揚塵會降低除塵效率。對此，T. Yamamoto等將線-板電極的集電極改造為袋狀結構，如圖2b所示，有效地抑制了二次揚塵，小粒徑顆粒的收集效率提升至80%。
圖2 線-板式電極靜電除塵器
近年來雙極性離子風也被用來凈化空氣。Chang Qianyun等]采用雙極性預荷電裝置輔助收集空氣中顆粒的研究表明，離子風可以加強不同極性顆粒物的混合，加速顆粒物的凝并，與沒有預荷電裝置靜電除塵器相比，除塵效率提高了12%。
雙極性電暈放電離子風顆粒收集裝置如圖3所示，V. T. Dau等]采用雙電極電暈放電離子風激勵器收集空氣中的顆粒物。針電極可產生雙極性的離子風，既可以促進正負極性顆粒凝并，也可以加快顆粒物的驅進速度，除塵效率可達到94%。
圖3 裝置示意圖
離子風在空氣凈化領域的應用已日漸成熟，在未來有望實現室內空氣凈化，但需要解決以下兩個問題：
（1）通過放電凈化空氣，主要是帶電粒子與空氣中的污染物的結合，在電場作用下消除污染物，因此需要優化電極結構，提高帶電粒子濃度，并使離子風將帶電粒子與空氣微生物和顆粒物充分混合，使得離子風的流場形態更有利于促進顆粒凝并。改變地電極形狀，影響流場形態，例如電源使用三相電源，可以提高運行電場強度；地電極使用波形電極，增加離子風的湍流度，也可以在高壓電極與地電極之間設置交流電場，帶電粒子可以與污染物充分接觸，加速污染物的沉降。
（2）放電過程中產生的臭氧如果不加以處理，會造成二次污染，因此需要抑制有害副產物的產生。在高壓電極附近安裝紫外線照射裝置可以有效抑制臭氧的產生；另外在凈化裝置前設置一個加濕器，空氣濕度的提高也可以有效抑制臭氧等副產物的產生。
以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》，論文標題為“離子風的應用研究進展”，作者為張明、李丁晨 等。
