基于超聲等離子除塵技術(shù)的新型防霧霾口罩設(shè)計

魏夢波　常健

【摘 要】為了讓普通人民群眾在霧霾天氣得到更好的保護(hù)，設(shè)計了一種利用超聲等離子除塵技術(shù)的防霧霾口罩。相比于傳統(tǒng)口罩其具有攜帶方便、過濾效果好，同時具備換氣的功能。不但可以滿足長期處在特殊環(huán)境PM2.5下的人員和特殊工作人員需求，還可以用于日常生活。

【Abstract】In order to let people get better protection in fog weather， designing a prevent mist haze mask with ultrasonic plasma dust removal technology. Compared to the traditional mask， it has easy to carry， good filtering effect， also have the function of ventilation， not only can satisfy the personnel of PM2.5 has long been under special environment and special staff， but can be used for daily life.

【關(guān)鍵詞】口罩；PM2.5；超聲波除塵；等離子體

【Keywords】mask； PM2.5； ultrasonic dust-removal； plasma

【中圖分類號】TK402 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）03-0076-02

1 概述

霾是大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空氣中，使水平能見度小于10千米的空氣普遍混濁現(xiàn)象。我們?nèi)粘３Ｌ岬降摹办F霆”天氣，就是區(qū)域性能見度低于10千米的空氣普遍渾濁的現(xiàn)象。

目前，我國的工業(yè)發(fā)展造成了很多的環(huán)境污染問題，其中危害最為嚴(yán)重的就是霧霾。近些年來在各大城市中霧霾天氣已經(jīng)屢見不鮮，從原來的輕度污染到現(xiàn)在的重污染，“PM10”、“PM2.5”時不時“爆表”已經(jīng)反映了顆粒物污染已經(jīng)影響到了每一個人的生活。“PM10”可以被吸入呼吸道，而“PM2.5”則直接進(jìn)入肺泡和血液循環(huán)系統(tǒng)，尤其是亞微米粒子會分別沉積于上、下呼吸道和肺泡中，引起急性鼻炎和急性支氣管炎等一系列疾病。對于患有支氣管哮喘、慢性支氣管炎、阻塞性肺氣腫和慢性阻塞性肺疾病等慢性呼吸系統(tǒng)疾病的病人，霧霾天氣可使病情急性發(fā)作或急性加重。如果長期處于這種環(huán)境還會誘發(fā)肺癌。為了減少霧霾對人體的危害，一方面減少霧霾的產(chǎn)生，另一方面要做好個人防護(hù)。日常生活中，最常見的防護(hù)手段就是佩戴口罩。

2 市面上防霧霾口罩現(xiàn)狀分析

我國每年要消耗2億只以上的口罩，全國批準(zhǔn)生產(chǎn)“一次性使用口罩”的生產(chǎn)廠家為128家，在售的口罩品種不下1000種。由于缺少相應(yīng)的市場標(biāo)準(zhǔn)，市面上防霧霾口罩的質(zhì)量參差不齊。

目前的口罩僅僅能夠過濾直徑大于0.3微米的顆粒，而霾中細(xì)小粉粒狀的飄浮顆粒物直徑一般在0.01微米以下，可直接通過呼吸系統(tǒng)進(jìn)入支氣管，甚至肺部，由此可見現(xiàn)有口罩對霧霾的防治效果一般。

針對目前的市場需求和現(xiàn)有口罩的缺陷，設(shè)計了一種基于超聲等離子除塵技術(shù)的防霧霾口罩，該口罩設(shè)計專業(yè)，適用范圍廣，可以適用于長期處在特殊環(huán)境下的人員和特殊工作人員（環(huán)衛(wèi)工人、交警、化工企業(yè)人員、皮革造紙企業(yè)人員和長期在室外工作并且容易接觸污染空氣的人員），也可用作平時的防霧霾口罩。且可以循環(huán)利用，攜帶方便，透氣性好，防護(hù)性能好。該設(shè)計填補(bǔ)了現(xiàn)有市場的空白，也符合可持續(xù)發(fā)展的時代主題。

3 設(shè)計原理

利用直流電暈放電的方式產(chǎn)生等離子體，等離子體又構(gòu)成了等離子場。把正負(fù)高壓加在針狀電極上，電極附近區(qū)域的電場很強(qiáng)，加上由于電極的曲率半徑很小，從而在電極附近形成不均勻電場，使基態(tài)氣體在電暈放電的作用下電離成高密度的等離子體。等離子場中大量電子和正負(fù)離子在電場梯度的作用下，與空氣中的顆粒污染物發(fā)生非彈性碰撞，附著在上面，使之成為荷電離子。[1]

荷電離子進(jìn)入超聲場，在超聲場中做強(qiáng)烈的機(jī)械振動，此時粒子碰撞的可能性大大增加，粒子之間的內(nèi)聚力可以使2個粒子在一次碰撞之后凝聚在一起。同時在正負(fù)離子間庫侖力的作用下，兩個小粒子碰撞后凝聚成一個較大的粒子。不斷重復(fù)上述運(yùn)動，塵埃顆粒的體積、質(zhì)量不斷增大，達(dá)到一定的程度即可發(fā)生沉降。顆粒分子聚集沉降在時即可發(fā)生，在實驗室條件下當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到可以觀察到最初的、十分微弱的煙氣下降，實際應(yīng)用超聲場使用的是功率超聲且其聲強(qiáng)需達(dá)到，最好是接近或者超過。

據(jù)已有的實驗數(shù)據(jù)，使用的超聲波，等離子濃度在左右時，在內(nèi)可以將大小空間內(nèi)初始濃度為左右以上的顆粒物沉降。

4 新型防霧霾口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)分析

本文所設(shè)計的防霧霾口罩，主要由面罩和空氣凈化器兩部分組成，面罩和空氣凈化器之間由硅膠管連接。面罩原料采用可塑性橡膠，在使用時，通過浸泡溫水可以將其軟化，可以根據(jù)使用者不同的面部特征進(jìn)行調(diào)整。可以適用于不同年齡段的使用者，同時面罩可以循環(huán)使用，以避免造成二次污染。[2]

空氣凈化裝置利用濾層將污濁空氣中的大顆粒物除去，達(dá)到初步凈化的目的。將初步凈化后的空氣導(dǎo)入超聲等離子除塵裝置中，通過陰陽離子發(fā)射端，使顆粒物帶電成為荷電離子。在超聲波的機(jī)械振動下，小顆粒物團(tuán)聚成大的顆粒物沉降下來，達(dá)到最終凈化的目的。

空氣凈化裝置和面罩之間通過硅膠管連接，空氣泵一方面將已經(jīng)過濾好的空氣送入面罩中，另一方面解決了傳統(tǒng)口罩過濾層太厚而導(dǎo)致的呼吸不暢的問題。

4.1 技術(shù)分析

4.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在空氣凈化裝置的下面裝有空氣泵5，空氣經(jīng)過入口1在第一級濾層的過濾下，將較大的顆粒除去。之后被凈化過一遍的空氣，在等離子發(fā)射器8的發(fā)射端7的作用下變成荷電離子，在二級濾層3的過濾下又出去一部分顆粒物。已經(jīng)被過濾兩遍的空氣中所含的顆粒物的直徑非常小，在超聲波發(fā)射器9的發(fā)射端6的作用下，細(xì)小的顆粒物在機(jī)械振動的作用下，團(tuán)聚成大顆粒物沉淀下來。通過硅膠管將過濾好的空氣經(jīng)空氣出口11導(dǎo)入面罩，使用者通過面罩可以呼吸顆粒物濃度遠(yuǎn)低于污染水平的空氣。[3]

含有霧霾的空氣在經(jīng)過空氣凈化裝置3中三級濾層和超聲波等離子除塵技術(shù)的過濾下，已經(jīng)完全滿足使用者的健康需求。不但對含霾空氣做了市面上常見的濾層過濾，還應(yīng)用超聲等離子除塵將可吸入顆粒物濃度進(jìn)一步降低，能夠更好地保證使用者的健康。

空氣凈化裝置的外部實現(xiàn)設(shè)有綁帶，可以將其固定到使用者腰部，不會影響使用者的正常工作和生活。面罩和空氣凈化裝置采用硅膠管連接，面罩部分不用承受較大的力，使得面罩輕薄舒適。通過空氣泵使空氣流通，解決了使用者在佩戴以往口罩時呼吸不暢的問題。[4，5]

5 結(jié)語

該口罩不僅能夠有效地過濾PM2.5顆粒，保護(hù)人體的健康，而且空氣凈化裝置中的空氣泵同時可以保證呼吸順暢，提高口罩的舒適度，使配戴口罩者有更舒適的體驗。本設(shè)計也適應(yīng)有特殊情況的人群，可拆卸的過濾層可以避免不必要的浪費(fèi)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】徐從裕，胡雪卡，李星辰，等.基于等離子體技術(shù)的超聲波除塵方法研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2001（05）：748-753.

【2】李群. PM2.5顆粒聲場中的凝并特性實驗研究及數(shù)值模擬[D].保定：華北電力大學(xué)（河北），2007.

【3】凡鳳仙，袁竹林. 外加聲場對增加PM_（2.5）碰撞幾率的數(shù)值模擬研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2006（11）：12-16.

【4】袁竹林，凡鳳仙，姚剛，等.聲波對懸浮PM_（2.5）作用的數(shù)值模擬與實驗研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2005（04）：298-302.

【5】袁竹林，李偉力，魏星，等.聲波對懸浮PM_（2.5）作用的數(shù)值研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2005（08）：121-125.