靜電除塵實驗的設計

摘要： 根據靜電除塵原理，利用高壓靜電發生器和9伏疊層電池產生高壓、利用Arduino UNO R3開發板、PM2.5激光粉塵環境質量傳感器、RTC實時時鐘模塊、SD卡模塊等器材測量衛生香燃燒過程周圍空氣中在開啟靜電除塵前后PM2.5的變化。該實驗原理清晰、裝置簡單、操作方便，實驗數據實時、定量，實驗的可重復性強。該實驗可用于初中化學關于PM2.5與空氣質量指數的介紹或高中化學有關膠體的性質實驗；也可作為物理學科中靜電場的應用實驗。

關鍵詞： 傳感器; PM2.5; 靜電除塵; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2024）07-0068-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 引言

空氣質量日報是通過新聞媒體向社會發布的環境信息，可以及時準確地反映空氣質量狀況，增強人們對環境的關注，促進人們對環境保護工作的理解和支持，提高全民的環保意識，促進人們生活質量的提高。人教版義務教育教科書化學九年級上冊第31頁課題1“空氣”一節的資料卡片簡要介紹了空氣質量日報及空氣質量分級標準（表1）。空氣質量日報的主要內容包括“空氣質量指數”“空氣質量級別”“首要污染物”等。

空氣質量指數（Air Quality Index ，簡稱AQI）是依據常規監測的幾種空氣污染物濃度計算得到的。目前計入空氣質量評價的主要污染物為：二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、可吸入顆粒物（粒徑小于等于10微米的顆粒物，稱PM10）、細顆粒物（粒徑小于等于2.5微米的顆粒物，稱PM2.5）和臭氧等［1］。

PM2.5又被稱為細顆粒物，是造成空氣污染和霧霾天氣的主要污染物。PM2.5顆粒容易附著大量的有毒有害物質，而且在空氣中的停留時間長，對居民健康有著長久的危害并且影響了城市的正常發展。從2001年PM2.5被列為需重點觀測影響空氣質量物質以來，我國的大部分地區的PM2.5含量就遠遠超過世界衛生組織的安全標準［2］。

世界衛生組織（WHO）“2018年城市戶外空氣污染數據庫”顯示，中國則有58個城市入圍年均PM2.5濃度排名前一百的城市［3］。近十幾年來，“霧霾”天氣持續肆虐我國大部分地區，“霧霾”中的PM2.5顆粒對空氣造成了嚴重的污染，極大地影響了居民的正常生產生活。

為了響應國家“十四五”規劃中對于生態文明建設的要求，對空氣中的PM2.5含量進行實時監督和管控，具有極其重要的現實意義。對于中學生而言要牢固樹立保護環境的可持續發展意識，從自身做起，形成簡約適度、綠色低碳的生活方式；能對與化學有關的社會熱點問題作出正確的價值判斷，能參與有關化學問題的社會實踐活動是落實化學學科核心素養的內在要求。為此設計一套基于傳感器技術的靜電除塵實驗裝置。

2 實驗原理

現行高中物理教材中靜電除塵原理有如下描述：“如圖1，靜電除塵器由板狀收集器Ａ和線狀電離器Ｂ組成。Ａ連接到幾千伏高壓電源的正極，Ｂ連接到高壓電源的負極，它們之間有很強的電場，而且距Ｂ越近，電場強度越大。Ｂ附近的空氣中的氣體分子更容易被電離，成為正離子和電子。正離子被吸到Ｂ上，得到電子，又成為分子。電子在向著正極Ａ運動的過程中，遇到煙氣中的粉塵，使粉塵帶負電，粉塵被吸附到正極Ａ上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。靜電除塵用于粉塵較多的各種場所，除去有害的微粒或者回收物資，如回收水泥粉塵”［4］。

本實驗裝置就是利用這一原理進行設計和制作的（如圖2所示）。高壓靜電發生器可以產生大約幾萬到幾十萬伏特的高壓直流電，將此高電壓加在兩個曲率半徑相差很大的金屬陽極A（螺旋線圈—集塵極）和陰極B（中心細銅絲—放電極）上。通過如圖2（ａ）所示截面不難發現，中心放電極附近電場強度較大，這一高壓電場足以使空氣電離。如圖2（ｂ）所示，氣體電離后產生的電子與負離子附著在通過電場的塵粒上，使塵粒帶電。帶電塵粒在電場力的作用下，向帶正電的集塵極運動而沉積，最終將塵粒從空氣中分離并清除，實現除塵和空氣凈化。

3 實驗材料及實驗裝置

3.1 實驗材料

PM2.5激光粉塵環境質量傳感器V2一個、Arduino UNO R3開發板一塊、IO傳感器擴展板V7.1一塊、I2CS D2405 RTC實時時鐘模塊一個、SD卡存儲模塊一個、DC12V高壓靜電發生器一個、9伏疊層電池一個、激光筆一支、筆記本電腦（安裝Arduino IDE）一臺、透明有機玻璃管一段（φ60×600）、粗銅絲（φ10左右）、熱熔膠槍一把、礦泉水瓶一個、一次性塑料杯一只、衛生香一段、鐵架臺一套

3.2 實驗裝置示意圖

實驗裝置示意圖如圖3所示。

3.3 實驗裝置的制作

（1） 取1個礦泉水瓶，用剪刀剪去瓶底，剩下高為5cm的無底瓶子（如圖4所示）。另取一個一次性塑料杯，用剪刀剪去杯底（如圖5所示）。

（2） 用粗銅絲（漆包線更好）繞制彈簧狀螺旋線圈，放入有機玻璃管內；將無底礦泉水瓶裝入有機玻璃管上端，無底一次性塑料杯裝入下端，然后用熱熔膠固定；再將有機玻璃管固定于鐵架臺上。

（3） 將高壓靜電發生器輸出端正極與螺旋線圈相接，負極與中間直導線相接。

（4） 取一段香放入一細口瓶中，放置于靜電除塵器下方。

（5） 組裝好Arduino開發板及組件，并將PM2.5激光粉塵環境質量傳感器固定于有機玻璃管頂部。

3.4 實驗流程及程序

實驗流程如圖6所示。

PM2.5檢測程序的樣例程序詳見：

https：//wiki.dfrobot.com/PM2.5_laser_dust_sensor_SKU_SEN0177

4 實驗方法及數據處理

（1） 裝置搭建好后，初始化Arduino程序，打開組件中的串口監視器，開始采集實驗數據。

（2） 點燃香，觀察串口監視器數據變化，用激光筆照射除塵器并上下移動，觀察現象。

（3） 將9伏疊層電池正負極與高壓靜電發生器輸入端正負極相連接，開啟靜電除塵后觀察串口監視器數據變化。

（4） 開啟靜電除塵2～3分鐘后，用激光筆再次照射除塵器并上下移動，觀察現象。

（5） 反復斷開、連接9伏疊層電池與高壓靜電發生器輸入端，觀察串口監視器數據變化。

（6） 停止實驗，取出SD卡，將實驗數據導入Excel表格中，以時間為橫軸，PM2.5數據（單位：μg/M3）為縱軸作二維折線圖（見圖7）。

實驗數據表明：點燃衛生香后PM2.5由37μg/M3迅速增大，達到了PM2.5激光粉塵環境質量傳感器的最大量程，圖像出現平臺；開啟靜電除塵后，PM2.5又迅速回落，最小達23μg/M3，除塵效果良好。反復關閉或開啟靜電除，得到相似的實驗圖像。未開啟靜電除塵時，用激光筆照射時除塵器內部有明顯的丁達爾效應，開啟靜電除塵后，丁達爾現象大為減弱。

5 結語

中學階段靜電除塵實驗一般使用感應起電機產生高壓電，實驗時起電機所產生的電量較少，遇到空氣潮濕或儀器的絕緣不佳時，實驗效果更差。因此，本實驗用9伏疊層電池通過高壓靜電發生器產生高壓電，實驗操作方便、可靠。

PM2.5激光粉塵環境質量傳感器、RTC實時時鐘模塊和SD卡存儲模塊價格低廉，而且原代碼都是開源的；有Arduino基礎的學生能夠自主編程，有利于促進學生綜合學習能力的提升。

利用傳感器技術將實驗數據實時化、定量化和可視化，不僅能使學生學會靜電除塵的原理和方法，而且可使學生真實地感受到煙塵中微小顆粒物的存在，從而加強學生的環保意識，充分認識到減少和消除環境污染的重要意義。

參考文獻：

［1］王晶，鄭長龍主編. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 31.

［2］李鵬. 環境空氣中PM2.5自動監測方法的比較與應用［J］. 環境與發展， 2019， 31（9）： 173～175.

［3］常娟. 環境空氣PM2.5濃度變化特征及防治措施研究［J］. 資源節約與環保， 2022，246（5）： 46.

［4］彭前程主編. 普通高中教科書·物理·必修第三冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 21.