细颗粒物粒径分布对负离子净化效果影响的实测与分析

王俊腾，李志生，梁锡冠，李华刚，欧耀春

（广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006）

自2013年以来我国雾霾污染持续加重，对人们生活带来很大影响[1]，因此引起了社会、政府和公众的高度重视[2]。细颗粒物PM2.5(空气动力学当量直径 ≤2.5 μm的颗粒物)是雾霾污染的主要成分[3]，相比于PM10，它具有比表面积大、吸附能力强、扩散能力强、悬浮时间久、传播距离远等特点[4]。PM2.5能大量附集细菌、重金属离子以及化学物质等有毒有害物[5]，对人体呼吸系统、心血管系统以及免疫系统等有很大危害[6-8]。据相关研究表明，PM2.5浓度每升高10 μg/m3，呼吸系统和心血管疾病死亡率分别增加13.5%和9.3%[9]。由此可见PM2.5对人体健康影响很大[10-11]。

空气负离子又称为负氧离子，本身具有弱电性，能吸附空气中的细微污染物使其在静电力的作用下相互聚集，致使污染物体积和质量增大，最后在重力作用下沉淀或因体积增大而被拦截[12]。对空气有较好的消毒、杀菌和净化作用[13-14]，目前在通风管道及设备[15]、建筑室内以及特定的工业领域应用较为广泛[16]。目前已有部分实验和研究论证了空气负离子能有效抑制可吸入颗粒物和悬浮菌的浓度，改善室内空气品质[17]。

细颗粒物是影响室内空气品质的主要污染物之一，而现阶段人们每天约有80%～90%的时间在室内度过[18-20]，而且当室外污染严重时这一比例还会增加。较差的室内空气品质会影响人们的工作效率和身体健康[21]，因此针对建筑室内颗粒物的净化治理研究是十分必要的。负离子对颗粒物的净化过程可分为：负离子附着在颗粒物表面→颗粒物在静电力作用下聚集→颗粒物体积增大而沉降。本实验以广州市某个典型居民房间为例，通过添加人工污染源并加装负离子净化器，测试不同粒径颗粒物的浓度变化，得出不同粒径颗粒物浓度变化的线性回归方程，分析细颗粒物粒径分布对负离子净化效果的影响。为负离子对建筑颗粒物的净化治理研究提供理论依据和实验指导。

1 研究方法

1.1 实验方案

本实验进行时间为2019年9月～10月，以广州市某个典型居民房间为例，实验开始前点燃某品牌线型熏香1支，燃尽后开启房间内风扇1 min使颗粒物在房间内分布均匀，然后静止10 min使室内气流稳定。实验开始时打开位于房间内的负离子净化器，并启动便携式颗粒物测量仪器和空气负离子检测仪，约40 min后结束测量。本实验中颗粒物检测仪测量时间间隔为6 s，空气负离子检测仪测量时间间隔为1 min，颗粒物浓度为质量浓度，单位 μg/m3，而负离子浓度为离子数体积浓度，单位ions/cm3。本实验进行期间紧闭门窗，并严格控制室内外其他污染源。本研究进行了多次平行实验，验证了实验方法的准确性和科学性。实验中的大部分数据是在大浓度下测得，并对实验工况进行多次测量取平均值，通过排除实验数据奇高、奇低等非正常值来去除测量误差本身的影响，确保实验结果准确，即保证PM2.5的浓度变化属于负离子作用的影响，而不是属于测量误差。

1.2 测试房间、负离子净化器、测量仪器与人工污染源

本实验中测试房间位于广州市大学城，属于某一典型居民楼建筑，采用自然通风，内部有循环风扇。房间尺寸为5.0 m×3.6 m×3.0 m，按照《室内空气质量标准》中关于测点布置的规定，本实验中选取2个测点A和B，测点高度为h=1.2 m，模拟人体坐立呼吸区，该房间的平面图如图1所示。

图1 测试房间平面图Fig.1 Test room plan

本实验中负离子净化器型号为JHQ-802，其原理为：利用尖端直流高压产生高电晕，高速地放出大量的自由电子(e-)，电子立刻会被空气中的氧分子捕捉，从而生成空气负离子。该负离子净化器有内部风机，可将产生的负离子释放至空气中。该设备详细参数见表1，实物图见图2。

图2 负离子净化器实物图Fig.2 Physical diagram of anion purifier

表1 测量仪器参数表Table 1 Experimental equipment parameter table

本实验中所使用的颗粒物测量仪器为产自德国的便携式激光气溶胶谱仪(Model Mini-LAS 11-R)，采用高科技的激光检测和粒径谱分布技术，该仪器精度很高，而且厂家已对该仪器进行校准并颁发了校准证书。本仪器详细参数见表1，实物图见图3。

图3 便携式激光气溶胶谱仪实物图Fig.3 Physical diagram of Model Mini-LAS 11-R

本实验中所采用的空气负离子检测仪型号为WST-05，其测量原理为通过测量微电流和微电压来测定空气中负离子浓度，该仪器内包含温湿度模块，可同时测量温湿度。本仪器详细参数见表1，实物图见图4。

图4 空气负离子检测仪实物图Fig.4 Physical diagram of air negative ion detector

本实验中的人工污染源为线型熏香燃烧而成，该线型熏香的实物图见图5，其燃烧过程中产生的颗粒物粒径等级分布见图6。

图5 熏香实物图Fig.5 Physical diagram of incense

2 分析与讨论

图6 熏香燃烧过程中各粒径颗粒物等级分布Fig.6 Particle size distribution in the process of incense burning

本实验进行期间紧闭测试房间门窗，而且每组实验期间室外环境条件均相似，避免了室外环境对实验产生影响。实验进行期间保持室内温湿度相对恒定且无其他污染源，其中温度范围28～30 ℃，相对湿度范围58%～60%，因此可忽略室内温湿度变化对实验的影响。本实验所研究的颗粒物粒径分布为0～0.25，0.25～0.30，0.30～0.40，0.40～0.50，0.50～0.65，0.65～0.80，0.80～1.30，1.30～2.00，2.00～2.50 μm。实验中对照组即为测试时不开启负离子净化器的工况，实验组为测试时开启负离子净化器的工况。本文对实验工况进行多次测试，并取算术平均值作为最终实验结果。不同粒径范围的颗粒物浓度变化见图7所示，其中颗粒物浓度取值为实验中测点A和B的算术平均值。

由图7可知，对照组中0～0.25，0.25～0.30，0.30～0.40，0.40～0.50，0.50～0.65，0.65～0.80，0.80～1.30，1.30～2.00，2.00～2.50 μm 9种粒径的颗粒物浓度变化均为波动变化但整体呈稳定状态。而且小粒径颗粒物浓度所占比例较高，其中对照组中0～0.25，0.25～0.30，0.30～0.40，0.40～0.50，0.50～0.65，0.65～0.80，0.80～1.30，1.30～2.00，2.00～2.50 μm 9种粒径颗粒物浓度分别约为100，60，50，60，40，25，17，9，8 μg/m3。而对照组中9种粒径颗粒物浓度线性回归方程斜率均接近于0，甚至为正值。证明单靠自然衰减无法有效降低室内细颗粒物浓度。

与对照组相比，实验组中9种粒径颗粒物最终的浓度衰减值约分别为60，40，35，46，21，17，8，5，3 μg/m3。实验中9种粒径颗粒物浓度变化近似为线性，对颗粒物浓度变化进行线性拟合，发现颗粒物浓度变化的线性回归方程的斜率绝对值大小一定程度上反映了负离子对该种粒径颗粒物的净化效果。本研究中采用颗粒物线性回归方程斜率的绝对值大小表示该种粒径颗粒物的浓度衰减速率，而且能直接反应该种粒径颗粒物的净化效果。实验组中不同粒径颗粒物的浓度衰减情况见图8所示。

图7 不同粒径颗粒物质量浓度变化图Fig.7 The concentrations change of particulate matter with different particle sizes

图8 不同粒径颗粒物质量浓度衰减速率Fig.8 The concentration attention of particulate matter with different particle sizes

由图8可知，实验组中9种粒径颗粒物浓度变化的线性回归方程斜率绝对值分别为0.237，0.195，0.173，0.191，0.114，0.085，0.036，0.017，0.020。而且整体上颗粒物浓度变化的线性回归方程斜率绝对值随粒径的增大而减小，可见颗粒物粒径越小，其浓度衰减速率越快，净化效果越好，这与成霞[22]所研究的结论相似。分析可知，负离子对颗粒物的净化是静电吸附的过程，首先负离子附着于颗粒物表面，然后颗粒物之间在静电力作用下聚集成较大体积的颗粒物，进而在重力作用下沉淀或被过滤器等拦截。小粒径颗粒物体积小、质量轻、惯性力较小，因此在静电力作用下更易于聚集，故负离子对小粒径颗粒物的净化效果更好。而大粒径颗粒物体积、质量较大，惯性力大，因此在静电力作用下不利于聚集，故负离子对大粒径颗粒物的净化效果不如小粒径颗粒物。

本实验中首先测定负离子净化器的发生强度，即用空气负离子检测仪在距离负离子净化器发射端5 cm处进行测试，其结果见图9所示。对照组负离子浓度变化即为不添加人工污染源的情况，实验组负离子浓度变化即为添加人工污染源的情况，其结果见图10、图11所示。由于自然条件下室内空气中负离子浓度(本实验中约为200 ions/cm3)远低于负离子净化器发射强度，因此忽略自然条件下室内空气中负离子对实验的影响。

图9 负离子净化器发射强度Fig.9 The emission intensity of anion purifier

图10 对照组负离子体积浓度变化Fig.10 The change of negative ion concentration in control group

图11 实验组负离子体积浓度变化Fig.11 The change of negative ion concentration in experience group

由图9可知，本实验中负离子净化器发射口浓度约为4.5×105ions/cm3，由图10可知自然环境下使用负离子净化器时室内负离子体积浓度约稳定在1.2×104ions/cm3，这说明负离子在空气中传播时会因摩擦、碰撞等因素造成浓度上的衰减。由图11可知实验组中负离子体积浓度维持在500 ions/cm3以下，远低于对照组浓度，说明负离子在污染物较多的环境中存活时间很短，浓度很低，也表明了负离子利用率较高。随着净化时间的进行，实验组负离子浓度有缓慢上升的趋势。

3 结论

本实验通过在居民房间添加人工污染源和负离子净化器，实测并分析了负离子对不同粒径颗粒物的净化效果，得出以下结论。

(1) 与对照组相比，0～0.25，0.25～0.30，0.30～0.40，0.40～0.50，0.50～0.65，0.65～0.80，0.80～1.30，1.30～2.00，2.00～2.50 μm 9种粒径颗粒物最终的质量浓度衰减值分别约为60，40，35，46，21，17，8，5，3 μg/m3。而且每种粒径颗粒物浓度变化近似为线性。

(2) 实验组中9种粒径颗粒物的浓度变化线性回归方程斜率绝对值分别为0.237，0.195，0.173，0.191，0.114，0.085，0.036，0.017，0.020，斜率绝对值大小反映了负离子对该种粒径颗粒物的净化效果，其中负离子对小粒径颗粒物的净化效果优于大粒径颗粒物。

(3) 实验组中负离子浓度远低于对照组，说明负离子在污染物较多的环境中存活时间很短，也证明了负离子的利用率较高。