基于超声等离子除尘技术的新型防雾霾口罩设计

魏梦波　常健

【摘 要】为了让普通人民群众在雾霾天气得到更好的保护，设计了一种利用超声等离子除尘技术的防雾霾口罩。相比于传统口罩其具有携带方便、过滤效果好，同时具备换气的功能。不但可以满足长期处在特殊环境PM2.5下的人员和特殊工作人员需求，还可以用于日常生活。

【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.

【關键词】口罩；PM2.5；超声波除尘；等离子体

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

【中图分类号】TK402 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）03-0076-02

1 概述

霾是大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空气中，使水平能见度小于10千米的空气普遍混浊现象。我们日常常提到的“雾霆”天气，就是区域性能见度低于10千米的空气普遍浑浊的现象。

目前，我国的工业发展造成了很多的环境污染问题，其中危害最为严重的就是雾霾。近些年来在各大城市中雾霾天气已经屡见不鲜，从原来的轻度污染到现在的重污染，“PM10”、“PM2.5”时不时“爆表”已经反映了颗粒物污染已经影响到了每一个人的生活。“PM10”可以被吸入呼吸道，而“PM2.5”则直接进入肺泡和血液循环系统，尤其是亚微米粒子会分别沉积于上、下呼吸道和肺泡中，引起急性鼻炎和急性支气管炎等一系列疾病。对于患有支气管哮喘、慢性支气管炎、阻塞性肺气肿和慢性阻塞性肺疾病等慢性呼吸系统疾病的病人，雾霾天气可使病情急性发作或急性加重。如果长期处于这种环境还会诱发肺癌。为了减少雾霾对人体的危害，一方面减少雾霾的产生，另一方面要做好个人防护。日常生活中，最常见的防护手段就是佩戴口罩。

2 市面上防雾霾口罩现状分析

我国每年要消耗2亿只以上的口罩，全国批准生产“一次性使用口罩”的生产厂家为128家，在售的口罩品种不下1000种。由于缺少相应的市场标准，市面上防雾霾口罩的质量参差不齐。

目前的口罩仅仅能够过滤直径大于0.3微米的颗粒，而霾中细小粉粒状的飘浮颗粒物直径一般在0.01微米以下，可直接通过呼吸系统进入支气管，甚至肺部，由此可见现有口罩对雾霾的防治效果一般。

针对目前的市场需求和现有口罩的缺陷，设计了一种基于超声等离子除尘技术的防雾霾口罩，该口罩设计专业，适用范围广，可以适用于长期处在特殊环境下的人员和特殊工作人员（环卫工人、交警、化工企业人员、皮革造纸企业人员和长期在室外工作并且容易接触污染空气的人员），也可用作平时的防雾霾口罩。且可以循环利用，携带方便，透气性好，防护性能好。该设计填补了现有市场的空白，也符合可持续发展的时代主题。

3 设计原理

利用直流电晕放电的方式产生等离子体，等离子体又构成了等离子场。把正负高压加在针状电极上，电极附近区域的电场很强，加上由于电极的曲率半径很小，从而在电极附近形成不均匀电场，使基态气体在电晕放电的作用下电离成高密度的等离子体。等离子场中大量电子和正负离子在电场梯度的作用下，与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，附着在上面，使之成为荷电离子。[1]

荷电离子进入超声场，在超声场中做强烈的机械振动，此时粒子碰撞的可能性大大增加，粒子之间的内聚力可以使2个粒子在一次碰撞之后凝聚在一起。同时在正负离子间库仑力的作用下，两个小粒子碰撞后凝聚成一个较大的粒子。不断重复上述运动，尘埃颗粒的体积、质量不断增大，达到一定的程度即可发生沉降。颗粒分子聚集沉降在时即可发生，在实验室条件下当声强达到可以观察到最初的、十分微弱的烟气下降，实际应用超声场使用的是功率超声且其声强需达到，最好是接近或者超过。

据已有的实验数据，使用的超声波，等离子浓度在左右时，在内可以将大小空间内初始浓度为左右以上的颗粒物沉降。

4 新型防雾霾口罩的结构设计和技术分析

本文所设计的防雾霾口罩，主要由面罩和空气净化器两部分组成，面罩和空气净化器之间由硅胶管连接。面罩原料采用可塑性橡胶，在使用时，通过浸泡温水可以将其软化，可以根据使用者不同的面部特征进行调整。可以适用于不同年龄段的使用者，同时面罩可以循环使用，以避免造成二次污染。[2]

空气净化装置利用滤层将污浊空气中的大颗粒物除去，达到初步净化的目的。将初步净化后的空气导入超声等离子除尘装置中，通过阴阳离子发射端，使颗粒物带电成为荷电离子。在超声波的机械振动下，小颗粒物团聚成大的颗粒物沉降下来，达到最终净化的目的。

空气净化装置和面罩之间通过硅胶管连接，空气泵一方面将已经过滤好的空气送入面罩中，另一方面解决了传统口罩过滤层太厚而导致的呼吸不畅的问题。

4.1 技术分析

4.2 整体结构设计

在空气净化装置的下面装有空气泵5，空气经过入口1在第一级滤层的过滤下，将较大的颗粒除去。之后被净化过一遍的空气，在等离子发射器8的发射端7的作用下变成荷电离子，在二级滤层3的过滤下又出去一部分颗粒物。已经被过滤两遍的空气中所含的颗粒物的直径非常小，在超声波发射器9的发射端6的作用下，细小的颗粒物在机械振动的作用下，团聚成大颗粒物沉淀下来。通过硅胶管将过滤好的空气经空气出口11导入面罩，使用者通过面罩可以呼吸颗粒物浓度远低于污染水平的空气。[3]

含有雾霾的空气在经过空气净化装置3中三级滤层和超声波等离子除尘技术的过滤下，已经完全满足使用者的健康需求。不但对含霾空气做了市面上常见的滤层过滤，还应用超声等离子除尘将可吸入颗粒物浓度进一步降低，能够更好地保证使用者的健康。

空气净化装置的外部实现设有绑带，可以将其固定到使用者腰部，不会影响使用者的正常工作和生活。面罩和空气净化装置采用硅胶管连接，面罩部分不用承受较大的力，使得面罩轻薄舒适。通过空气泵使空气流通，解决了使用者在佩戴以往口罩时呼吸不畅的问题。[4，5]

5 结语

该口罩不仅能够有效地过滤PM2.5颗粒，保护人体的健康，而且空气净化装置中的空气泵同时可以保证呼吸顺畅，提高口罩的舒适度，使配戴口罩者有更舒适的体验。本设计也适应有特殊情况的人群，可拆卸的过滤层可以避免不必要的浪费。

【参考文献】

【1】徐从裕，胡雪卡，李星辰，等.基于等离子体技术的超声波除尘方法研究[J].电子测量与仪器学报，2001（05）：748-753.

【2】李群. PM2.5颗粒声场中的凝并特性实验研究及数值模拟[D].保定：华北电力大学（河北），2007.

【3】凡凤仙，袁竹林. 外加声场对增加PM_（2.5）碰撞几率的数值模拟研究[J].中国电机工程学报，2006（11）：12-16.

【4】袁竹林，凡凤仙，姚刚，等.声波对悬浮PM_（2.5）作用的数值模拟与实验研究[J].燃烧科学与技术，2005（04）：298-302.

【5】袁竹林，李伟力，魏星，等.声波对悬浮PM_（2.5）作用的数值研究[J].中国电机工程学报，2005（08）：121-125.