基于靜電霧化的空氣凈化器的設計*

黃南海，汪志成

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌 330013）

0 引言

科技發展迅速，人們越來越關注室內空氣質量的提升。室內空氣凈化器技術成為提升室內空氣質量的關鍵技術之一。目前，國內外針對空氣凈化的主要技術有：纖維過濾、活性炭吸附、靜電除塵、低溫等離子體、光催化、紫外燈和臭氧等技術[1]。纖維過濾技術有很好的過濾效果，但需要定時更換，壽命短，維護成本高[2]?；钚蕴课郊夹g具有廣泛的吸附能力，但是吸收容量有限，易滋生微生物，需要頻繁更換，容易造成二次污染[3]。靜電除塵技術具有較好的微生物凈化效果，但是對于氣體污染物幾乎沒有效果。低溫等離子體技術利用產生的高能粒子殺菌，且等離子功率和VOCs降解效率成正比，但是等離子功率越高，有毒副產物就越多。光催化技術可以快速有效地降解VOCs，但是光催化反應不完全時容易產生有毒中間產物[4]。紫外燈照射法直線傳播，且照射強度與距離的平方成反比，穿透能力弱，照射位置有限；臭氧消毒法對消毒環境要求高，需要環境濕度大于70%，消毒時需要人員回避，對金屬有腐蝕作用[5]。為此，本文設計了一種基于高壓靜電霧化的空氣凈化系統，在高壓電場中霧化的消毒液滴荷電后增強了對空氣雜質的吸附能力和吸附面積，可以有效地吸附沉降空氣雜質顆粒并且對空氣中的病菌進行消殺；具備創新性的機械結構設計和智能控制電路，有效解決空氣除塵和空氣滅菌的雙重問題。對于室內新型空氣凈化器的設計與研究具有重大的意義。

1 靜電霧化空氣凈化機理

1.1 液滴霧化

液滴帶電是靜電霧化的首要條件，常見的液體荷電方法主要分為3 種：直接荷電法、電暈荷電法、感應荷電法[6]。在本文設計中主要采用感應荷電方法，液滴在破碎過程中，隨著液滴上的電荷量增加，液滴表面的電荷排斥力增加，那么液滴就會分解成更小的液滴。Rayleigh 極限表示了穩定狀態下液滴尺寸和最大帶電量qmax的關系如下：

式中：γ為液體的表面張力；ε0為真空介電常數；d為液滴直徑。

標準大氣壓下，當液滴的帶電量超過Rayleigh極限的40%～50%時，液滴將破碎成小液滴[7]，液體開始霧化。

1.2 液滴荷電

液滴荷電捕集粉塵顆粒的過程中，帶電液滴的庫侖力將發揮重要作用，電環境的引入是液滴荷電除塵區別于常規噴霧除塵的關鍵[8]。單一的液滴的荷電量難以表現，為此系統采用荷質比概念來表征液滴的荷電效果，如下式所示：

式中：κ為液滴荷質比；q為荷電量；M為液滴群質量；qm為液體質量流量；I為電流值；t為測量時間。

1.3 液滴除塵滅菌

1.3.1 靜電霧化除塵

如圖1 所示，靜電霧化除塵由多種力學共同作用，主要包括靜電、慣性碰撞、攔截、重力、擴散等力學表現[8]。其中靜電作用表現與粉塵粒子是否帶相反電性有關；慣性碰撞對于粒徑在1 μm以上的粉塵作用明顯；攔截作用表現在液滴與粉塵顆粒的距離相對粉塵粒徑較小時發生；重力作用主要表現在粉塵粒徑受地表重力影響時發生；擴散作用表現在粉塵粒徑小于0.1 μm 時，粉塵在氣流中的布朗運動易與液滴發生碰撞而產生的作用。系統的除塵主要與靜電作用和慣性碰撞機理有關，靜電霧化荷電液滴具有粘滯力和庫侖力的作用，促進靜電場中粉塵顆粒物的聚集沉降，同時靜電場本身也會對粉塵顆粒荷電，讓顆粒物的靜電作用和慣性碰撞作用更明顯，提升除塵效果。

圖1 靜電霧化捕集顆粒物

1.3.2 靜電霧化滅菌

根據上述靜電霧化及荷電機理，系統采用消毒藥劑作為霧化溶液時，霧化后的藥劑液滴表現出顆粒小、霧化均勻、捕集粒子能力強等特性。凈化器系統中，在靜電場的作用下，荷電的藥劑液滴的消殺病菌能力增強，均勻的霧化效果對于藥劑的使用效率也大大提高，有效避免了材料浪費或造成二次污染[9]。

2 凈化器的機械結構設計

基于高壓靜電霧化的空氣凈化器機械結構主要由過濾網柵、底部儲液倉（含水泵和水管）、高壓靜電霧化室（含霧化噴針、霧化電極、高壓發生器）、多橢圓紫外燈照射室（含紫外燈、過濾網、橢圓反射壁）、排風扇、機械外殼以及電路控制等組成。該系統裝置的三維模型圖使用SolidWorks 軟件設計而成，根據系統結構特性將其劃分為不同模塊，再將設計好的各個模塊進行裝配組合[10]。其結構如圖2所示。

圖2 凈化器機械結構示意圖

本系統結構設計中，在電路控制系統下，風扇開始工作，空氣經排風扇作用，通過主箱體外殼的活性炭進氣柵格進入主箱體，包裹在霧化室外表面的網柵霧化電極、循環霧化后沉降在主箱體底部的帶電溶液及霧化室中的霧化帶電溶液顆粒充分與空氣接觸，并持續對空氣中的病菌結構產生破壞，起到滅活細菌的作用，同時，空氣中的大顆粒污染物也被溶液顆粒吸附，達到空氣凈化的目的。凈化滅菌且被加濕后的空氣經過過濾網過濾掉大顆粒污染物和水汽后，充分暴露在紫外線的強光照射下，空氣中的病菌進一步被殺滅。同時，加濕后的空氣再次與帶有高壓靜電的高壓網柵發生作用，在殺滅病菌的同時，使得空氣電離產生一定的帶電粒子，在風扇作用下被排放到外部空間，空氣中的帶電粒子繼續對外部空間的病菌產生滅活作用。

3 凈化器智能控制硬件設計

3.1 硬件總體設計

在整個空氣凈化器系統中，智能電路控制部分起著至關重要的作用。其設計以STM32F103ZET6 單片機為主控單元，以液位傳感器和空氣質量傳感器組作為外部傳感器數據采集模塊，以藍牙、按鍵和OLED 液晶屏顯示作為外部的人機交互，根據傳感器監測數據及人機交互控制，驅動電源模塊對凈化器的風扇風速、紫外燈開關、水泵速率、高壓靜電場強進行調節管理、高效運行。凈化器智能控制系統硬件總體設計框圖如圖3 所示。

圖3 凈化器智能控制系統硬件總體設計框圖

3.2 系統適配電源模塊

穩定的電源供電方案是保證空氣凈化器正常持續工作的前提。系統采用220 V 家用電作為電源接入，采用變壓器將接入電源轉變為5 V和24 V。其中5 V作為系統中的的傳感器組和單片機供電，24 V 作為系統中的高壓包、風扇電機、水泵、紫外燈等部分供電。

3.3 傳感器數據采集模塊

3.3.1 粉塵傳感器

系統采用型號為ZPH01 的粉塵傳感器模塊作為PM2.5 數據采集的方案，傳感器采用粒子計數的原理捕捉1 μm 以上粒徑的顆粒物體，具備串口輸出數據的功能?？梢詫崟r監測空氣中的粉塵顆粒雜質含量，以反饋給凈化器系統調節工作的效率。

3.3.2 溫濕度傳感器

系統采用廣州奧斯公司生產的DHT1 型號溫濕度傳感器，用于監測系統中的溫度和適度情況。可以在環境溫度較高或者空氣比較干燥時，調節系統的靜電霧化程度以及風扇的風速。

3.3.3 二氧化碳濃度傳感器

系統采用型號為CCS811 的二氧化碳濃度傳感器，CCS811 是一款低功耗的數字氣體傳感器和8 位MCU，用來檢測室內空氣質量，包括CO2和VOCs，監測靈敏度高，可通過IIC信號與單片機直接通信[11]。

3.3.4 煙霧傳感器

系統采用型號為MQ-2 的煙霧濃度傳感器，傳感器具備數字量和模擬量輸出模式，為獲取精準的煙霧濃度數據，傳感器使用模擬量輸出后經ADC 轉換后傳送給的單片機處理[12]。該傳感器數據的獲取可以作為系統預判環境是否存在過高煙霧濃度，當煙霧濃度過高時觸發蜂鳴器報警，可以作為預防家庭消防安全的一部分。

3.4 人機交互模塊

3.4.1 藍牙通信

系統采用HC-05 型號藍牙模塊，采用串口通信方式與單片機連接，客戶端采用遵循藍牙協議的APP 控制軟件，當完成初始匹配后，遵循系統的自定義控制指令，在單片機（終端）完成指令信號收發后，按指令執行相應控制，即達到藍牙通信人機交互。

3.4.2 按鍵控制

系統設置開關機按鍵，用于空氣凈化器的啟動和關閉；設置工作模式調節按鍵，可以根據用戶的喜好調節空氣凈化器的工作狀態和工作模式。

3.4.3 OLED顯示

系統采用1.3 寸的藍色底OLED 顯示屏，選擇4 引腳IIC通信方式的接口型號，用于系統運行時傳感器數據的實時顯示、工作狀態顯示和人機交互時的操作指引顯示。

4 凈化器智能控制軟件設計

智能控制軟件由系統初始化程序、OLED 顯示程序、按鍵掃描程序、藍牙通信程序、傳感器初始化程序及數據采集程序、定時中斷處理程序、模式控制程序、風扇電機驅動程序、水泵控制單元、高壓包控制單元、紫外燈管控制單元、客戶端控制程序、省電保護程序和蜂鳴器報警監測程序等子程序以及主程序共同組成[13]。各子程序在單片機的運算處理下保證凈化器各功能穩定運行。模塊化的軟件設計便于系統的調試運行，同時使程序便于移植和調用，提升軟件的適用和兼容性能。軟件設計流程如圖4所示。

圖4 軟件設計流程

接入電源，系統開始工作，單片機根據傳感器數據的處理結果進行實時顯示以及執行相應的模塊程序，同時根據是否有按鍵或藍牙的控制信號，決定是否執行相應的操作子程序。

5 靜電霧化空氣凈化器實驗測試

5.1 實驗系統建立

裝置設計尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m 的透明亞克力立方體閉合空間作為凈化器的實驗環境，使用煙霧片產生濃度大于980 μg/m3的白色煙霧用來模擬惡劣環境的空氣條件，并將空氣凈化器放置在密閉空間內對煙塵進行循環凈化，在立方體頂端設計煙霧濃度風窗實時測量密閉空間內的煙霧濃度情況。

5.2 測量裝置簡介

由于PM10 以下的微粒對人體的危害巨大，因此需要測量PM10 以下的粒子濃度[14]。系統采用奧格瑞斯安心寶的家用空氣質量檢測儀，測量粒子質量選擇PM2.5。該測量裝置采用激光散射原理對粒子進行測量，可以手持式測量粒子濃度，且濃度測量范圍為0～999 μg/m3。

5.3 實驗方案及步驟

系統設計超聲波霧化沉降煙霧、靜電霧化沉降煙霧、自然沉降煙霧3 組對照實驗。超聲波霧化沉降煙霧和靜電霧化沉降煙霧的參數相同，保證變量一致的情況下進行對照。實驗一致采用1片煙霧片完全燃燒的標準煙霧環境為初始條件，測試該初始煙霧濃度為985 μg/m3。首先進行超聲波霧化沉降煙霧，分別測量0 s、20 s、40 s、60 s、80 s 時風窗口的煙霧質量濃度并記錄；隨后保持初始條件一致，進行靜電霧化沉降煙霧，分別測量0 s、20 s、40 s、60 s、80 s 時風窗口的煙霧質量濃度并記錄；最后保持初始條件一致，進行自然沉降煙霧，分別測量0 s、20 s、40 s、60 s、80 s 時風窗口的煙霧質量濃度并記錄，其中每一組實驗完成后需要對參與煙霧進行清除以保證下一組實驗不受干擾。為對比各組間煙霧沉降效率，定義如下：

式中：η為煙霧沉降效率；ρ0為粉塵初始濃度，mg/m3；ρt為t時間時粉塵濃度，mg/m3。

5.4 實驗數據分析

圖5 所示為超聲波霧化煙霧沉降、靜電霧化煙霧沉降、自然煙霧沉降的煙霧沉降效率對比柱形圖。由圖可知，在20 s 時超聲波霧化煙霧沉降效率達到87.41%，此時效率高于靜電霧化煙霧沉降效率；但在40 s 及以后時間，靜電霧化煙霧沉降效率超過超聲比霧化煙霧沉降效率，且最高達到99.09%；而期間自然煙霧沉降效率一致處于較低狀態，最高僅有34.92%。由此分析，自然煙霧沉降效率低下，主要依靠煙霧自身重力聚沉；靜電霧化荷電噴霧對于煙霧沉降的效率持續穩定，優于超聲波霧化后的煙霧沉降效率。

圖5 煙霧沉降效率對比

6 結束語

針對傳統空氣凈化器無法同時解決空氣凈化和空氣滅菌且不環保、易產生有毒副產物等問題，本文介紹了一種基于高壓靜電霧化原理的空氣凈化系統設計，經實驗測試發現，自然環境下空氣自主凈化能力弱，而高壓靜電霧化荷電噴霧對于空氣凈化的效率和效果明顯優于普通的霧化方式（如超聲波霧化）。系統設計創新性地將高壓靜電霧化應用于空氣凈化器結構中，增加了無臭氧型滅菌紫外燈，具有獨特的機械結構設計；采用高性能單片機和外圍多傳感器組合的硬件設計，加以智能的軟件控制程序驅動，組成了核心的控制單元，讓空氣凈化器平穩運行。