多針對板式負離子發(fā)生器中臭氧釋放的量子效應(yīng)

郝嘉雪，劉 波，黃旭楠，徐文華，張宏亮，

王國華5，苗啟廣1，李檀平6，賈 廣1

(1.西安電子科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710071；2.空軍工程大學(xué) 空管領(lǐng)航學(xué)院，陜西 西安 710051；3.廣東藥科大學(xué) 醫(yī)藥信息工程學(xué)院，廣東廣州510006；4.復(fù)旦大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系，上海 200438；5.蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；6.西安電子科技大學(xué) 物理學(xué)院，陜西 西安 710071)

1840年，德國舍拜恩在電解稀硫酸時，發(fā)現(xiàn)有一種特殊臭味的氣體釋出，因此將它命名為臭氧。臭氧作為地球的保護傘，能吸收大部分波長較短的射線(如吸收波長短于0.29 μm的紫外線)，使大氣溫度升高，并使地球上的生物免受過多紫外線傷害[1]。

臭氧是一種高效廣譜無殘留污染的氣體消毒劑，具有強氧化性，在常溫下極不穩(wěn)定，隨時可以分解成氧分子和氧原子，這時的氧原子具有極強的氧化能力和分解能力，一定濃度的臭氧具有殺菌消毒、除臭防霉、清新空氣等功能[2]。隨著人們對臭氧認識的深入以及臭氧技術(shù)的發(fā)展，臭氧已應(yīng)用于許多行業(yè)和部門，在水處理、空氣殺菌和食品行業(yè)等方面都有很多應(yīng)用[3]。

近三年新冠肺炎在全世界的大流行顯著地影響了公共安全和健康。截止2022年1月，全球共有近 38 032 萬例病例和568萬人死亡[4]。這次疫情是由一種新型冠狀病毒(SARS-CoV-2)引起的，導(dǎo)致人類遭受嚴重的呼吸道和肺部感染[5]。SARS-CoV-2病毒具有高度傳染性，通過飛沫和密切接觸直接傳播，或通過受感染的物體表面或氣溶膠間接傳播[6]。研究證實0.05×10-6和0.1×10-6的低濃度臭氧能夠滅活新冠病毒，濕度升高能夠顯著提高臭氧的滅活新冠病毒能力[7-9]。

目前生產(chǎn)臭氧的方法大致有：電暈法[10]、電解法[11]、紫外線法、核輻射法、等離子體法等[12-14]。電暈放電按其電極結(jié)構(gòu)分為線筒式、線板式和針板式等，可以作為一種安全高效的臭氧生產(chǎn)方法。場致電子發(fā)射是一種非熱放電，研究設(shè)計的負離子發(fā)生器是針尖帶直流負高壓的放電器件。負離子發(fā)生器的一個應(yīng)用是多針對板電暈放電，在針板電極之間會形成離子流，同時釋放出一定量的臭氧。一般認為，負離子發(fā)生器中臭氧離子的釋放分為兩個步驟：

① 通過離子過程產(chǎn)生氧自由基：O2+e→O-+O；

臭氧離子向收集電極流動，形成離子流。根據(jù)理論推測，這些反應(yīng)集中在距離負離子發(fā)射針0.2～0.6 mm 的范圍內(nèi)，稱為化學(xué)反應(yīng)活躍區(qū)。從距離負離子發(fā)射針更遠的距離直到收集板的區(qū)間，稱為臭氧離子漂移區(qū)[15]。通常認為到達收集電極的離子流和臭氧濃度是一個線性的關(guān)系[16]。

在負離子發(fā)生器中電極板間距與臭氧釋放的關(guān)系研究中，不同的實驗觀察出現(xiàn)矛盾的結(jié)果，使得理論解釋變得非常困難和復(fù)雜。在線板型負離子發(fā)生器的研究中，當線板間距從1.2 cm增加到2.1 cm，在13 kV時，臭氧濃度降為72%[17]。在線筒型負離子發(fā)生器的研究中，中軸線電極和外筒間距從0.65 cm增加到 1.10 cm，臭氧濃度隨電源電壓出現(xiàn)不同的變化趨勢，在5 kV時，臭氧濃度顯著增加，而在6 kV時，臭氧濃度顯著下降，而且下降趨勢隨著電源電壓增加保持不變[18]。

本實驗室研究了在多針對板式負離子發(fā)生器中臭氧釋放速率與針板間距離的變化關(guān)系。隨著針板間距離的縮短，臭氧釋放速率呈現(xiàn)不連續(xù)的臺階式跳躍上升，簡稱為臭氧釋放量子效應(yīng)，并對該效應(yīng)進行了公式化定量描述。在以4種材料(鋁，不銹鋼，黃銅和紅銅)為板電極的負離子發(fā)生器中，都觀測到了類似的臭氧釋放量子效應(yīng)。以電子繁流理論為基礎(chǔ)，考慮具有氧氣分子電離電位的繁流微觀理論，以電子加速產(chǎn)生氧自由基再產(chǎn)生臭氧離子的連鎖反應(yīng)為線索，對臭氧釋放速率的量子化平臺進行理論解釋。

1 方 法

本實驗室使用的“工字圓盤型負離子發(fā)生器”采用多針對板式(圖1)，并采用鋼針連接負離子發(fā)生器，使負離子發(fā)生器作為臭氧的發(fā)生裝置。負離子發(fā)生器的升壓模塊把12 V直流轉(zhuǎn)化為-8 kV的高壓[19]；共有4組不銹鋼鋼針，每組有5個針，連接升壓模塊作為負高壓輸出，針尖間距為1 cm；不銹鋼針正對著圓形板電極，板電極材料為鋁、不銹鋼、黃銅和紅銅，直徑為15 cm；針板間距為1.5 cm到10.5 cm，負離子發(fā)生器和收集板分別固定在工字塑料圓盤上，上下護板圓盤直徑為16.5 cm，中軸外直徑為5.5 cm。負離子發(fā)生器的輸入電流為0.32 A，功率為3.8 W。

圖1 多針對板式負離子發(fā)生器

2 實驗結(jié)果

本實驗室共制作76套負離子發(fā)生裝置，其中根據(jù)板電極材料分別為19套鋁片，19套不銹鋼，19套紅銅以及19套黃銅，每套的針板距離分別從初始1.5 cm逐步增加至10.5 cm結(jié)束，每次距離間隔增加0.5 cm。

如圖2所示，在一封閉的容器內(nèi)，容器空間體積為50 cm×40 cm×35 cm，將多針對板式負離子發(fā)生器接通電源，采用手持臭氧檢測儀(型號為XLA-BX-03，深圳市普利通電子科技有限公司，量程范圍為0～10×10-6)，每隔5 min到10 min測量密閉空間內(nèi)的臭氧含量，測量時間通常為30 min。容器壁上開直徑為1 cm的小孔，將臭氧檢測儀金屬進氣管插入進行臭氧采集與測量。測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入Microsoft Excel軟件，根據(jù)容器體積和臭氧含量隨時間的變化計算出臭氧釋放速率。

圖2 實驗裝置示意圖

當板電極材料為鋁板時，每次調(diào)整針板間隔距離后的臭氧釋放速率，計算在密閉空間內(nèi)多針對板式負離子發(fā)生器針板間距與臭氧釋放速率的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 多針對板式負離子發(fā)生器針板(鋁板)間距與臭氧釋放速率的關(guān)系

更換收集板材料為不銹鋼，重復(fù)以上實驗步驟，記下每次調(diào)整針板間隔距離后的臭氧釋放速率，計算在密閉空間內(nèi)多針對板式負離子發(fā)生器針板間距與臭氧釋放速率的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

圖4 多針對板式負離子發(fā)生器針板(不銹鋼)間距與臭氧釋放速率的關(guān)系

更換收集板材料為紅銅，重復(fù)以上實驗步驟，記下每次調(diào)整針板間隔距離后的臭氧釋放速率，計算在密閉空間內(nèi)多針對板式負離子發(fā)生器針板間距與臭氧釋放速率的關(guān)系，其中當針板間距為8.5 cm(臭氧釋放速率為0.002 mg/h)為數(shù)據(jù)異常點，圖中沒有畫出，結(jié)果如圖5所示。

圖5 多針對板式負離子發(fā)生器針板(紅銅)間距與臭氧釋放速率的關(guān)系

更換收集板材料為黃銅，重復(fù)以上實驗步驟，記下每次調(diào)整針板間隔距離后的臭氧釋放速率，計算在密閉空間內(nèi)多針對板式負離子發(fā)生器針板間距與臭氧釋放速率的關(guān)系，其中當針板間距為9 cm(臭氧釋放速率為0.016 mg/h)和10.5 cm時(臭氧釋放速率為0.067 mg/h)為數(shù)據(jù)異常點，圖中沒有畫出，結(jié)果如圖6所示。

圖6 多針對板式負離子發(fā)生器針板(黃銅)間距與臭氧釋放速率的關(guān)系

當針板間距較小時，臭氧釋放速率呈現(xiàn)連續(xù)的單指數(shù)變化關(guān)系；當針板間距較大時，臭氧釋放速率偏離單指數(shù)類型的變化關(guān)系，呈現(xiàn)不連續(xù)的量子化平臺和階梯式跳躍。臭氧釋放速率滿足公式c=c0×2n。不同的電極材料所對應(yīng)的公式參數(shù)如表1所示。

表1 不同電極板材料對應(yīng)的公式參數(shù)

3 實驗與結(jié)果分析

實驗研究中發(fā)現(xiàn)，當縮短多針對板式負離子發(fā)生器的針板電極間距時，收集板采集的離子流呈現(xiàn)指數(shù)式連續(xù)上升，而臭氧釋放速率和針板電極間距之間不是連續(xù)的指數(shù)衰減關(guān)系，而是呈現(xiàn)不連續(xù)的階梯式跳躍上升的現(xiàn)象，出現(xiàn)了多個量子化平臺。隨著負離子發(fā)生器針板電極間距的縮短，鋁材質(zhì)的收集電極板呈現(xiàn)出了5～6個量子化平臺，不銹鋼材質(zhì)的收集電極板只呈現(xiàn)出了4個量子化平臺，紅銅材質(zhì)的收集電極板呈現(xiàn)出了5個量子化平臺，而黃銅材質(zhì)的收集電極板呈現(xiàn)出了6個量子化平臺，即所謂的“臭氧釋放量子效應(yīng)”。目前還沒有從文獻中找到類似的實驗記錄或理論預(yù)測。

這些量子化平臺可能與電子繁流湯生理論有關(guān)[20]，同時與收集板材質(zhì)緊密相關(guān)。電子繁流湯生理論也被稱為湯生電子雪崩理論。在放電過程中，電子將氣體擊穿，在碰撞過程中不斷產(chǎn)生新的電子，使得電子個數(shù)得到迅速增加，臭氧離子的個數(shù)也迅猛增長，使得箱體內(nèi)的臭氧含量不斷增加。有研究顯示，鋁材質(zhì)的收集板釋放的臭氧濃度顯著低于鋼和不銹鋼材質(zhì)的收集板，表明不同材質(zhì)對臭氧分解的能力有所不同[21]，并可能對臭氧釋放的量子化平臺造成影響，值得深入細致的分析研究。有研究表明，當多針對板式放電時，多個負離子發(fā)射針尖的間距對放電功率有顯著的影響[22-28]，也可能會影響臭氧釋放的量子化平臺。

在實驗中，筆者首次發(fā)現(xiàn)的臭氧釋放量子效應(yīng)，是微觀電子世界量子行為在宏觀世界的一種體現(xiàn)。霍爾效應(yīng)是被物理學(xué)家霍爾在1879年發(fā)現(xiàn)的，德國物理學(xué)家克利青在強磁場下的半導(dǎo)體中發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)[29]，獲得了1985年的諾貝爾物理學(xué)獎。美國物理學(xué)家崔琦、勞克林和施特默在更強磁場下發(fā)現(xiàn)了分數(shù)量子霍爾效應(yīng)[30]，獲得了1998年的諾貝爾物理學(xué)獎。霍爾效應(yīng)是一種宏觀量子效應(yīng)[31]，是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現(xiàn)[32]。筆者在實驗中觀測到的臭氧釋放量子效應(yīng)，也是一種典型的宏觀量子效應(yīng)。目前觀測的都是2的整數(shù)倍關(guān)系，可以視為“整數(shù)量子效應(yīng)”。分數(shù)量子效應(yīng)在目前的常溫常壓實驗條件下沒有觀測到，但是在極端情況下，如強磁場、低溫或特殊的收集板電極材料中，有可能觀測到“分數(shù)量子效應(yīng)”。筆者觀測的現(xiàn)象提供了一種全新的技術(shù)方法可用于測量材料的微觀特性和電暈放電特征。

文中的針板間距不是連續(xù)變化的，不能精確確定平臺跳躍的間距。將來的實驗中通過機械控制，采用激光測量針板間距[33]，以達到精確調(diào)整針板間距的目的，實現(xiàn)臭氧釋放量子平臺的精確確定。文中的負離子發(fā)生器為直流高壓-8 kV；如果采用交變電流和電壓，臭氧釋放速率會受到調(diào)制，我們預(yù)期當電壓低于某個閾值時，臭氧釋放速率會降為零，將來的實驗中會考慮觀測調(diào)制效果。實驗中的最大針板間距為10.5 cm，如果繼續(xù)增大針板間距，臭氧釋放速率很低，臭氧濃度變化很慢，極易出現(xiàn)測量不準確的情況。在將來設(shè)計的精密實驗中可以進行更大針板間距的臭氧釋放速率的測量。

實驗中采用工字圓盤型結(jié)構(gòu)，中間的塑料圓柱可能會阻礙空氣的流動。下一步將對多針對板式負離子發(fā)生器進行結(jié)構(gòu)改進。初步構(gòu)想為兩塊平行板式結(jié)構(gòu)，平行板四周用長螺釘固定，在保證空氣流動性的同時方便調(diào)整距離。實驗采用的密閉箱箱體比較小，可能達到一定濃度后，箱子里的臭氧飽和，從而影響數(shù)據(jù)變化速率的測量，下一步換用大體積箱子。采用手持檢測儀檢測臭氧濃度，每次測量時因插入角度、讀數(shù)誤差或量程較小的原因可能造成測量不準確，下一步采用在密封箱內(nèi)放置高精度臭氧檢測儀，通過連接計算機實現(xiàn)實時準確的測量。負離子發(fā)射針電極的針尖直徑、針尖個數(shù)、針尖材料(不銹鋼針、鍍金針和碳毛刷)和針尖間距對臭氧釋放的量子化平臺的影響，值得進一步研究。此外，不同的外加電壓，以及不同介質(zhì)濃度混合比，濕度，氣壓，溫度等都有可能會影響空氣分子的電離、離子的遷移、臭氧的生成、釋放和分解過程；理論方面主要考慮量子繁流理論以及空氣流動過程中的動力學(xué)對臭氧形成的影響，對臭氧釋放量子效應(yīng)的根源進一步深入探討研究。

4 結(jié)束語

筆者提出以電子繁流理論為基礎(chǔ)，考慮具有氧氣分子電離電位的繁流微觀理論以及空氣流動過程中的動力學(xué)，以電子加速產(chǎn)生氧自由基再產(chǎn)生臭氧離子的連鎖反應(yīng)為線索，對臭氧釋放速率的量子化平臺進行深度探索。在不同的電極材料下發(fā)現(xiàn)的負離子發(fā)生器中臭氧釋放的量子效應(yīng)，可能與收集板材質(zhì)密切相關(guān)；同時針尖直徑、個數(shù)、材料、針尖間距以及不同的外加電壓、溫度、濕度、氣壓等都與量子化平臺現(xiàn)象密不可分。具體過程和機理都值得仔細研究，需要對臭氧釋放量子化平臺的規(guī)律進行進一步總結(jié)探討。