功能性負離子材料的凈化研究

空氣污染問題已越來越為民眾所關(guān)注

近幾年來，環(huán)境污染問題、霧霾、PM2.5細懸浮顆粒物列入國家日常監(jiān)測對象等新聞屢屢出現(xiàn)于各大媒體，即使是以前并不怎么關(guān)心的時事普通民眾也開始關(guān)注環(huán)境污染的問題，與此同時，市場在大量與空氣凈化、環(huán)境污染物消除的概念及相關(guān)商品越來越多的出現(xiàn)。在所有這些概念或者商品中，被譽為“空氣中維生素”、 “健康環(huán)保衛(wèi)士”的空氣負離子技術(shù)備受許多民眾的關(guān)注，在當今市場上，帶有負離子或負離子凈化字眼的產(chǎn)品備受百姓歡迎。

然而，就像許多人說的一樣：理想很豐滿，現(xiàn)實卻很骨感。雖然關(guān)于空氣負離子的概念及相關(guān)產(chǎn)品聽起來、大氣、上檔次，但消費者在經(jīng)過使用一段時間后，普遍感覺不理想，甚至許多人都感覺有受騙。

究其原因，我們會發(fā)現(xiàn)：實際上用空氣負離子來凈化空氣在多年前就有，包括日本、美國等諸多發(fā)達國家的許多商家也有涉足此領(lǐng)域，雖然在初期有比較好的接受度，但后期用戶在使用中發(fā)現(xiàn)的問題卻是越來越多，最主要是有關(guān)這方面的研究也慢慢被許多研究人員放棄。主要原因是由于由于以下3項技術(shù)的瓶頸：

1)空氣負離子的成活時問極短。一般只有1~2分鐘，最長只有4~5分鐘。

2)空氣負離子凈化機理是單一的利用其弱電性吸附空氣中微小污染物，使其成為帶電的大離子沉落在地面等的表面，這實際上是不能從根本性消除空氣污染物。

3)空氣負離子的產(chǎn)生伴隨著臭氧、氮氧化物等副有害氣體等的產(chǎn)生。

以上原因?qū)е铝丝諝庳撾x子凈化技術(shù)并沒有得到大量推廣使用，倒成了市場許多商家炒作的概念。不過話說回來，雖然目前實際發(fā)展不理想，但是從技術(shù)上來講，空氣負離子做為解決環(huán)境污染的一種方法卻獲得了許多研究人員及民眾的認可，其對人體健康十分有益，研究證明，當空氣中負離子濃度超過10000個/cm³時，對多種人體健康疾病有良好的輔助治療作用。因此，空氣負離子對空氣污染物的凈化功能也使其已成為評價旅游環(huán)境空氣清潔程度的重要指標之一，世界衛(wèi)生組織也定義：當空氣中負離子濃度達到1500個/cm³時才算是清新空氣。

負離子對人體健康的促進作用

世界衛(wèi)生組織定義的新鮮空氣標準中關(guān)于空氣負離子

而實際上，目前市場上負離子產(chǎn)生功能的技術(shù)其實不只有空氣負離子凈化機，近幾年在新材料領(lǐng)域一種能增加空氣中有益健康的負離子量的材料被廣泛應(yīng)用于建材、日用、紡織制品等行業(yè)上。產(chǎn)生負離子功能產(chǎn)品已逐漸走入人們的生活。日本從事負離子材料研究和生產(chǎn)的企業(yè)有近500家,開發(fā)的各類負離子制品有上千種,特別是在負離子功能紡織品方面開發(fā)應(yīng)用較多。韓國對負離子材料的研發(fā)次于日本,也推出了很多負離子材料和制品。

我國科研人員也積極追蹤國際材料發(fā)展的前沿,近幾年各種負離子功能制品(如負離子涂料、紡織品、陶瓷磚、木地板等)在國內(nèi)市場上陸續(xù)出現(xiàn)。其中，負離子功能紡織品及負離子功能建筑材料是近年發(fā)展的新方向，負離子功能材料在一定物理刺激下，會激發(fā)產(chǎn)生負離子，具有穩(wěn)定精神、促進新陳代謝和血液循環(huán)、恢復疲勞、維持健康等保健功效，因此目前越來越受到人們和許多企業(yè)的重視。

那么什么是功能性負離子材料，其實際效果究竟如何呢?廣州科技有限公司是一家依靠的進口檢測儀器銷售、服務(wù)商，在負離子檢測領(lǐng)域擁有多年探索及深厚的專業(yè)背景，公司提供包括空氣負離子檢測儀、礦石（固體）負離子檢測儀在內(nèi)的完整負離子檢測設(shè)備銷售及相關(guān)技術(shù)咨詢，同時公司一直關(guān)注負離子技術(shù)的發(fā)展。對于目前功能性負離子材料研究知識的缺乏，今天，我們就帶大家來好好認識一下功能性負離子材料在凈化方面的應(yīng)用。

經(jīng)濟型空氣負離子檢測儀（日本KEC-900 空氣負離子檢測儀）

專業(yè)型空氣負離子檢測儀（日本COM-3200pro 專業(yè)型空氣負離子檢測儀）

功能性負離子材料檢測儀（日本COM-3010pro 礦石負離子檢測儀）

COM-3010pro 礦石負離子檢測儀對負離子材料的負離子釋放效能進行檢測

l  認識負離子及負離子產(chǎn)生的技術(shù)

空氣負離子(negative air ions簡稱NAI)其實就是指帶負電荷的單個氣體分子和輕離子團的總稱?？諝庳撾x子主要包含有：0₂^-、H^-、H₃0₂^-、0₂^- (H₂0)_n、OH^- (H₂O)_n及CO₄^-(H₂O)₂等。其中0₂^-占20％左右，比例，相對。

自然界空氣中負離子的主要來源是由于宇宙射線、陽光紫外線、巖石土壤中的放射性元素放出的射線激發(fā)，以及雷電電擊激發(fā)、風暴、瀑布、海浪沖擊磨擦等作用，另外，雨水的分解，森林、植物的光合作用所制造的新鮮空氣等也含有負離子。而人造負離子則主要采用高壓靜電場、高頻電場、紫外線、放射線和水的撞擊等方法使空氣電離，產(chǎn)生負離子。

目前市場上常見的空氣負離子凈化器主要原理就是利用內(nèi)置的負離子發(fā)生器形成電暈放電(3kV~10kV左右)產(chǎn)生高濃度的空氣負離子，然后借助于風機和其他手段，將負離子吹送向所需處。電暈放電易產(chǎn)生臭氧、氮氧化物等有害氣體，這也使得很多的用戶使用后會出現(xiàn)、嘔吐、頭暈等反應(yīng)。

近年來，人們發(fā)現(xiàn)，許多天然礦石(見表1)會產(chǎn)生空氣負離子，一些無機氧化物復合粉體也可在空氣中誘發(fā)負離子，有的稀土復合鹽也具有導致空氣中分子電離的功能。許多學者都進行了該系列的系統(tǒng)研究，研究發(fā)現(xiàn)了，處理后的天然礦石能夠釋放高濃度的空氣負離子(韓國和日本已做到了超過5000個／cm³ )，且無副效應(yīng)，符合環(huán)保要求。目前，許多的學者、廠家都在開發(fā)這方面的負離子材料，成為材料科學中的熱點之一。

表 1 可以釋放負離子的功能材料

l  功能性負離子材料的生產(chǎn)方式

當前應(yīng)用負離子技術(shù)最多的是選擇織物為載體。負離子織物一般是將能產(chǎn)生負離子的天然礦石超微化，制成微米級或納米級超微粉體，之后。通過共混紡絲法、涂層法、接枝法等手段制備出負離子纖維。

從外形看，功能性負離子材料與傳統(tǒng)紡織品并無在差異，因此，功能性負離子材料在秀氣、柔軟待特性上也與傳統(tǒng)紡織品相差不大。目前，基于傳統(tǒng)紡織工藝的功能性負離子材料制作工藝大體都差不多，但是不同的制作工藝也會導致其性能稍有不同。據(jù)上海交通大學研究發(fā)現(xiàn)，超微化后的天然礦石與空調(diào)濾料結(jié)合在一起并不會多增加系統(tǒng)阻力，其數(shù)據(jù)如表2。因此，有廠商根據(jù)多重過濾理論重新制定了材料的制作工藝，將能產(chǎn)生負離子的超微化天然礦石復合到其它過濾手段中。比如說，河北工業(yè)大學將能產(chǎn)生負離子的電氣石與TiO 復合成薄膜，電氣石促進Ti0₂光催化反應(yīng)的同時，又能激發(fā)更多的空氣負離子，從而能夠加強對有機污染物分子的分解圈。

表 2 原濾料與功能性負離子濾料的透氣性對比

l  功能性負離子材料的凈化機理

我們知道，空調(diào)上是安裝有空氣過濾網(wǎng)的，因此空氣中絕大部分直徑大于5 um的懸浮顆粒物都能夠過濾掉；但是常規(guī)過濾網(wǎng)對于直徑小于5 um的懸浮顆粒物卻無能為力，但實驗中，恰恰直徑小于5 um的懸浮顆粒物在數(shù)量上占空氣懸浮總粒子的90％以上，對人體危害，特別是直徑小于2.5 um的可吸人性懸浮顆粒（PM2.5細顆粒物）則可以穿過肺泡直到進血液及至全身而帶來毒害，而且PM2.5細顆粒物幾乎是性懸浮于大氣中。

目前PM2.5細顆粒物的危害已為普通民眾了解，其治理也是目前環(huán)境治理的主要對象，但是其的難度非常大，據(jù)實驗發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)方法對于直徑小于10 um而特別是小至0.5 um的懸浮顆粒（如工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的飄塵等）的治理效果普遍不佳，且治理費用高昂，但是如果運用負離子來凈化，不但有特別明顯的沉降去除的效果，而且綜合治理費用要低很多。

綜合起來，功能性負離子材料在空氣凈化方面的作用原理包括如下幾點：

負離子的凈化原理示意

1)功能性負離子材料的物理作用

負離子源選用天然礦石，且如把它超微化后運用到織物之中，這可使天然礦石的物理吸附起作用，又能使織物的纖維過濾效應(yīng)起作用。

2)天然礦石的物理吸附

天然礦物被破碎后，比表面積增加， 由于表面斷鍵的存在而具有自發(fā)地吸附外來離子或分子以降低表面能的傾向，礦物顆粒越細，比表而積越大，吸附作用越強。此外，礦物還具有表面官能團如表面羥基、表面鹽基(S^2-、CO₃^2-等)，這使得超微化的天然礦石更易吸附污染物。

3)負離子的弱電性

空氣負離子在自身的電荷作用下容易吸附空氣中微小污染物和其它帶電的污染物，從而使污染物的重量和體積增大，集聚的污染物或由于重力作用而沉降，或由于體積過大被過濾，從而使得空氣得到很好的凈化。

4)纖維過濾效應(yīng)

當把負離子粉末負載到纖維中如濾料中時，根據(jù)纖維過濾機理可知，載體的纖維材料、細度等都能影響空氣污染物與纖維攔截、慣性、重力沉降和擴散四種過濾效應(yīng)。由上述可見，原來的纖維過濾效率得到加強。

5)化學效應(yīng)

負離子凈化的化學效應(yīng)的根源被認為是空氣負離子在結(jié)構(gòu)上與超氧化物自由基(0₂^-)相似，具有相似的生物活性，從而具有強氧化性能。1970年，英國科學家Huyser在研究空氣負離子跟氯仿反應(yīng)時，便發(fā)現(xiàn)有CCl₃活性離子存在； 2o02年，美國科學家Daniels和Himta及他們的同事對空氣負離子凈化方面進行了大量的研究后，發(fā)現(xiàn)空氣負離子還能與一些室內(nèi)VOCs進行化學反應(yīng)。2004年，中國臺灣遠東大學教授Chih Cheng Wu和Grace W．M．IJee選取了VOCs中三種有機物甲醛、氯仿和已二烯為典型，使之與空氣負離子進行反應(yīng)，得到了較好的凈化效果。

l  功能性負離子材料的凈化效果

早些年，國內(nèi)一些學者對電暈放電產(chǎn)生的空氣負離子做了凈化研究。在實驗條件下，研究人員發(fā)現(xiàn)，負離子的除菌效果超過濃度為3％的過氧乙酸的殺菌效果。在室內(nèi)用人工負離子作用2小時，室內(nèi)空氣中的懸浮微粒、細菌總數(shù)和甲醛等的濃度都有明顯的降低。下面是負離子對空氣中不同污染物的具體凈化實驗：

1)負離子材料對氮氧化物的凈化

氮氧化物(NO_x)通常指一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的混合物，是室內(nèi)的主要污染物之一。NOx易于侵入呼吸道深部細支氣管及肺泡。長期吸入低濃度NOx可引起肺氣腫、肺水腫等呼吸道疾病，嚴重時，也能引起慢性阻塞性肺疾病。

負離子材料對氮氧化物有強烈的吸附分解作用。其原理如下：

0H + NO=HNO₂，OH + HN0₂=H₂0 +NO₂

0H + N0₂=HN0₃

圖1是實驗詳細數(shù)據(jù)，由試驗可見實驗倉中氮氧化物濃度逐漸降低，說明負離子材料對氮氧化物的吸附過程減慢，逐漸將其凈化；而空白對比倉中的氮氧化物濃度也由于沉降、損耗等的關(guān)系有所下降。

圖 1 涂有負離子材料的實驗倉中NOx濃度對比

2)負離子材料對甲醛的凈化

甲醛是室內(nèi)空氣的主要污染物之一，也是污染最嚴重、、人們關(guān)注的污染物，同時是對健康影響的污染物，它屬高揮發(fā)性有機化合物(VVOC)類室內(nèi)有機污染物。

負離子材料對甲醛具有凈化作用。其原理如下：

OH + HCHO=H₂O+CHO，OH +CH0=HCOOH

OH +HCOOH=H₂0 + CO2

由圖2可見，空白倉中甲醛濃度的變化較大，其最終濃度仍較高；而加入負離子材料的實驗倉中甲醛濃度急劇下降(說明材料對甲醛也有強烈的吸附作用)，隨后甲醛濃度略有變化，最終降到極低的水平，說明負離子材料對甲醛具有凈化作用。

圖 2 涂有負離子材料的實驗倉中甲醛濃度對比

3)負離子材料對其它污染物的凈化

此外，國內(nèi)還有許多學者還做了空氣負離子對其它污染物的凈化實驗，他們所得出的實驗結(jié)果如表3、表4。

表 3 稀土激活產(chǎn)生負離子內(nèi)墻涂料對NH₃的凈化效果（mg/m³）

表 4 實驗房和對照房涂刷負離子材料施工結(jié)束不同時間后室內(nèi)VOC濃度（ppm）

上述的各實驗的條件和環(huán)境狀態(tài)雖然不同，但他們都證明了空氣負離子是可以凈化室內(nèi)空氣的，且都有明顯的效果。這對于研究室內(nèi)空氣品質(zhì)方面，是頗有借鑒價值的。對于具體的負離子數(shù)目所對應(yīng)的凈化效率，筆者的工作正在進行之中。

l  結(jié)語

負離子材料釋放出高濃度的空氣負離子可以用來凈化室內(nèi)空氣品質(zhì)，其凈化機理包括天然礦石的物理吸附、負離子的弱電性、纖維過濾效應(yīng)和空氣負離子本身的強氧化性。通過眾多負離子材料的試驗研究表明，空氣負離子凈化室內(nèi)空氣的。但負離子數(shù)目對應(yīng)的凈化效率的量化工作還有待于進一步試驗。

整理：廣州科技有限公司

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