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功能性负离子材料的净化研究
空气污染问题已越来越为民众所关注 近几年来，环境污染问题、雾霾、PM2.5细悬浮颗粒物列入国家环保局日常监测对象等新闻屡屡出现于各大媒体，即使是以前并不怎么关心的时事普通民众也开始关注环境污染的问题，与此同时，市场在大量与空气净化、环境污染物消除的概念及相关商品越来越多的出现。在所有这些概念或者商品中，被誉为“空气中维生素”、 “健康环保卫士”的空气负离子技术备受许多民众的关注，在当今市场上，带有负离子或负离子净化字眼的产品备受百姓欢迎。 然而，就像许多人说的一样：理想很丰满，现实却很骨感。虽然关于空气负离子的概念及相关产品听起来高端、大气、上档次，但消费者在经过使用一段时间后，普遍感觉不理想，甚至许多人都感觉有受骗。 究其原因，我们会发现：实际上用空气负离子来净化空气在多年前就有，包括日本、美国等诸多发达国家的许多商家也有涉足此领域，虽然在初期有比较好的接受度，但后期用户在使用中发现的问题却是越来越多，最主要是有关这方面的研究也慢慢被许多研究人员放弃。主要原因是由于由于以下3项技术的瓶颈： 1) 空气负离子的成活时问极短。一般只有1~2分钟，最长只有4~5分钟。 2) 空气负离子净化机理是单一的利用其弱电性吸附空气中微小污染物，使其成为带电的大离子沉落在地面等的表面，这实际上是不能从根本性消除空气污染物。 3) 空气负离子的产生伴随着臭氧、氮氧化物等副有害气体等的产生。 以上原因导致了空气负离子净化技术并没有得到大量推广使用，倒成了市场许多商家炒作的概念。不过话说回来，虽然目前实际发展不理想，但是从技术上来讲，空气负离子做为解决环境污染的一种方法却获得了许多研究人员及民众的认可，其对人体健康十分有益，研究证明，当空气中负离子浓度超过10000个/cm3时，对多种人体健康疾病有良好的辅助治疗作用。因此，空气负离子对空气污染物的净化功能也使其已成为评价旅游环境空气清洁程度的重要指标之一，世界卫生组织也定义：当空气中负离子浓度达到1500个/cm3时才算是清新空气。
负离子对人体健康的促进作用
世界卫生组织定义的新鲜空气标准中关于空气负离子 而实际上，目前市场上负离子产生功能的技术其实不只有空气负离子净化机，近几年在新材料领域一种能增加空气中有益健康的负离子量的材料被广泛应用于建材、日用、纺织制品等行业上。产生负离子功能产品已逐渐走入人们的生活。日本从事负离子材料研究和生产的企业有近500家,开发的各类负离子制品有上千种,特别是在负离子功能纺织品方面开发应用较多。韩国对负离子材料的研发次于日本,也推出了很多负离子材料和制品。 我国科研人员也积极追踪国际材料发展的前沿,近几年各种负离子功能制品(如负离子涂料、纺织品、陶瓷砖、木地板等)在国内市场上陆续出现。其中，负离子功能纺织品及负离子功能建筑材料是近年发展的新方向，负离子功能材料在一定物理刺激下，会激发产生负离子，具有稳定精神、促进新陈代谢和血液循环、恢复疲劳、维持健康等保健功效，因此目前越来越受到人们和许多企业的重视。 那么什么是功能性负离子材料，其实际效果究竟如何呢?广州极端科技有限公司是一家依靠的进口检测仪器销售、服务商，在负离子检测领域拥有多年探索及深厚的专业背景，公司提供包括空气负离子检测仪、矿石（固体）负离子检测仪在内的完整负离子检测设备销售及相关技术咨询，同时公司一直关注负离子技术的发展。对于目前功能性负离子材料研究知识的缺乏，今天，我们就带大家来好好认识一下功能性负离子材料在净化方面的应用。
经济型空气负离子检测仪（日本KEC-900 空气负离子检测仪）
专业型空气负离子检测仪（日本COM-3200pro 专业型空气负离子检测仪）
功能性负离子材料检测仪（日本COM-3010pro 矿石负离子检测仪）
COM-3010pro 矿石负离子检测仪对负离子材料的负离子释放效能进行检测 l 认识负离子及负离子产生的技术 空气负离子(negative air ions简称NAI)其实就是指带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称。空气负离子主要包含有：02-、H-、H302-、02- (H20)n、OH- (H2O)n及CO4-(H2O)2等。其中02-占20％左右，比例最大，相对最稳定。 自然界空气中负离子的主要来源是由于宇宙射线、阳光紫外线、岩石土壤中的放射性元素放出的射线激发，以及雷电电击激发、风暴、瀑布、海浪冲击磨擦等作用，另外，雨水的分解，森林、植物的光合作用所制造的新鲜空气等也含有负离子。而人造负离子则主要采用高压静电场、高频电场、紫外线、放射线和水的撞击等方法使空气电离，产生负离子。 目前市场上常见的空气负离子净化器主要原理就是利用内置的负离子发生器形成电晕放电(3kV~10kV左右)产生高浓度的空气负离子，然后借助于风机和其他手段，将负离子吹送向所需处。电晕放电易产生臭氧、氮氧化物等有害气体，这也使得很多的用户使用后会出现恶心、呕吐、头晕等反应。 近年来，人们发现，许多天然矿石(见表1)会产生空气负离子，一些无机氧化物复合粉体也可在空气中诱发负离子，有的稀土复合盐也具有导致空气中分子电离的功能。许多学者都进行了该系列的系统研究，研究发现了，处理后的天然矿石能够释放高浓度的空气负离子(韩国和日本已做到了超过5000个／cm3 )，且无副效应，符合环保要求。目前，许多的学者、厂家都在开发这方面的负离子材料，成为材料科学中的热点之一。 表 1 可以释放负离子的功能材料
l 功能性负离子材料的生产方式 当前应用负离子技术最多的是选择织物为载体。负离子织物一般是将能产生负离子的天然矿石超微化，制成微米级或纳米级超微粉体，之后。通过共混纺丝法、涂层法、接枝法等手段制备出负离子纤维。 从外形看，功能性负离子材料与传统纺织品并无在差异，因此，功能性负离子材料在秀气、柔软待特性上也与传统纺织品相差不大。目前，基于传统纺织工艺的功能性负离子材料制作工艺大体都差不多，但是不同的制作工艺也会导致其性能稍有不同。据上海交通大学研究发现，超微化后的天然矿石与空调滤料结合在一起并不会多增加系统阻力，其数据如表2。因此，有厂商根据多重过滤理论重新制定了材料的制作工艺，将能产生负离子的超微化天然矿石复合到其它过滤手段中。比如说，河北工业大学将能产生负离子的电气石与TiO 复合成薄膜，电气石促进Ti02光催化反应的同时，又能激发更多的空气负离子，从而能够加强对有机污染物分子的分解圈。 表 2 原滤料与功能性负离子滤料的透气性对比
l 功能性负离子材料的净化机理 我们知道，空调上是安装有空气过滤网的，因此空气中绝大部分直径大于5 um的悬浮颗粒物都能够过滤掉；但是常规过滤网对于直径小于5 um的悬浮颗粒物却无能为力，但实验中，恰恰直径小于5 um的悬浮颗粒物在数量上占空气悬浮总粒子的90％以上，对人体危害最大，特别是直径小于2.5 um的可吸人性悬浮颗粒（PM2.5细颗粒物）则可以穿过肺泡直到进血液及至全身而带来毒害，而且PM2.5细颗粒物几乎是永久性悬浮于大气中。 目前PM2.5细颗粒物的危害已为普通民众了解，其治理也是目前环境治理的主要对象，但是其的难度非常大，据实验发现，传统方法对于直径小于10 um而特别是小至0.5 um的悬浮颗粒（如工业生产中产生的飘尘等）的治理效果普遍不佳，且治理费用高昂，但是如果运用负离子来净化，不但有特别明显的沉降去除的效果，而且综合治理费用要低很多。 综合起来，功能性负离子材料在空气净化方面的作用原理包括如下几点：
负离子的净化原理示意 1) 功能性负离子材料的物理作用 负离子源选用天然矿石，且如把它超微化后运用到织物之中，这可使天然矿石的物理吸附起作用，又能使织物的纤维过滤效应起作用。 2) 天然矿石的物理吸附 天然矿物被破碎后，比表面积增加， 由于表面断键的存在而具有自发地吸附外来离子或分子以降低表面能的倾向，矿物颗粒越细，比表而积越大，吸附作用越强。此外，矿物还具有表面官能团如表面羟基、表面盐基(S2-、CO32-等)，这使得超微化的天然矿石更易吸附污染物。 3) 负离子的弱电性 空气负离子在自身的电荷作用下容易吸附空气中微小污染物和其它带电的污染物，从而使污染物的重量和体积增大，集聚的污染物或由于重力作用而沉降，或由于体积过大被过滤，从而使得空气得到很好的净化。 4) 纤维过滤效应 当把负离子粉末负载到纤维中如滤料中时，根据纤维过滤机理可知，载体的纤维材料、细度等都能影响空气污染物与纤维拦截、惯性、重力沉降和扩散四种过滤效应。由上述可见，原来的纤维过滤效率得到加强。 5) 化学效应 负离子净化的化学效应的根源被认为是空气负离子在结构上与超氧化物自由基(02-)相似，具有相似的生物活性，从而具有强氧化性能。1970年，英国科学家Huyser在研究空气负离子跟氯仿反应时，便发现有CCl3活性离子存在； 2o02年，美国科学家Daniels和Himta及他们的同事对空气负离子净化方面进行了大量的研究后，发现空气负离子还能与一些室内VOCs进行化学反应。2004年，台湾远东大学教授Chih Cheng Wu和Grace W．M．IJee选取了VOCs中三种有机物甲醛、氯仿和已二烯为典型，使之与空气负离子进行反应，得到了较好的净化效果。 l 功能性负离子材料的净化效果 早些年，国内一些学者对电晕放电产生的空气负离子做了净化研究。在实验条件下，研究人员发现，负离子的除菌效果超过浓度为3％的过氧乙酸的杀菌效果。在室内用人工负离子作用2小时，室内空气中的悬浮微粒、细菌总数和甲醛等的浓度都有明显的降低。下面是负离子对空气中不同污染物的具体净化实验： 1) 负离子材料对氮氧化物的净化 氮氧化物(NOx)通常指一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)的混合物，是室内的主要污染物之一。NOx易于侵入呼吸道深部细支气管及肺泡。长期吸入低浓度NOx可引起肺气肿、肺水肿等呼吸道疾病，严重时，也能引起慢性阻塞性肺疾病。 负离子材料对氮氧化物有强烈的吸附分解作用。其原理如下： 0H + NO=HNO2，OH + HN02=H20 +NO2 0H + N02=HN03 图1是实验详细数据，由试验可见实验仓中氮氧化物浓度逐渐降低，说明负离子材料对氮氧化物的吸附过程减慢，逐渐将其净化；而空白对比仓中的氮氧化物浓度也由于沉降、损耗等的关系有所下降。
图 1 涂有负离子材料的实验仓中NOx浓度对比 2) 负离子材料对甲醛的净化 甲醛是室内空气的主要污染物之一，也是污染最严重、最普遍、人们最为关注的污染物，同时是对健康影响最大的污染物，它属高挥发性有机化合物(VVOC)类室内有机污染物。 负离子材料对甲醛具有净化作用。其原理如下： OH + HCHO=H2O+CHO，OH +CH0=HCOOH OH +HCOOH=H20 + CO2 由图2可见，空白仓中甲醛浓度的变化较大，其最终浓度仍较高；而加入负离子材料的实验仓中甲醛浓度急剧下降(说明材料对甲醛也有强烈的吸附作用)，随后甲醛浓度略有变化，最终降到极低的水平，说明负离子材料对甲醛具有净化作用。
图 2 涂有负离子材料的实验仓中甲醛浓度对比 3) 负离子材料对其它污染物的净化 此外，国内还有许多学者还做了空气负离子对其它污染物的净化实验，他们所得出的实验结果如表3、表4。 表 3 稀土激活产生负离子内墙涂料对NH3的净化效果（mg/m3）
表 4 实验房和对照房涂刷负离子材料施工结束不同时间后室内VOC浓度（ppm）
上述的各实验的条件和环境状态虽然不同，但他们都证明了空气负离子是可以净化室内空气的，且都有明显的效果。这对于研究室内空气品质方面，是颇有借鉴价值的。对于具体的负离子数目所对应的净化效率，笔者的工作正在进行之中。 l 结语 负离子材料释放出高浓度的空气负离子可以用来净化室内空气品质，其净化机理包括天然矿石的物理吸附、负离子的弱电性、纤维过滤效应和空气负离子本身的强氧化性。通过众多负离子材料的试验研究表明，空气负离子净化室内空气的效果显著。但负离子数目对应的净化效率的量化工作还有待于进一步试验。 整理：广州极端科技有限公司 广州极端科技有限公司-专业的环境质量检测专家，为您提供多种PM2.5(大气细颗粒物)检测仪、空气负离子检测仪、矿石负离子检测仪、有毒/可燃气体检测仪、甲醛检测仪、空气质量检测仪、核辐射检测仪、放射线污染检测仪、个人剂量报警仪、电磁辐射检测仪、远红外放射率检测仪、水污染检测仪、土壤污染检测仪以及相关检测服务等。 德国安诺尼（Aaronia AG）－极具优势的EMF/EMC电磁兼容测试、信号测试系统、电磁辐射检测专家，专业生产各类领先的专业型电磁辐射分析/检测仪、频谱分析仪、无线信号测试天线及配套系统。 德国安诺尼（Aaronia AG）中国总代理：广州极端科技有限公司 地址：广州市天河区中山大道中235号 电话、传真：020-34898196、34709296 更多问题，欢迎您的咨询！ |
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