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应用负高压脉冲技术提高植物空气净化能力的探讨
作者:管理员    发布于:2017-12-04 14:08:50    文字:【】【】【

  随着工业化、城市化和现代化的迅速发展,大气污染日益严重。尤其是在人口密集的大城市,由于空气受到各种工业及民用废气的过量集中排放使城市空气污染的形势更为严峻,而在高楼林立、活动空间相对较小的居住室内,现代化电气、建筑装饰材料的放射性及有害气体又再次加重了室内的污染。据美国环境保护协会的研究结果表明,室内空基金资助项目:国家自然科学基金((0977079)。

  气污染比室外高510倍,高可能达到室外空气污染的70倍。从而可使长期工作和生活在其中的人出现了学烟雾型“污染之后,正在进入以”室内污染“为标志气污染治理和修复,已成为经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题之。

  在目前的室内空气污染治理技术中,应用广的是低温等离子体技术,该技术利用电晕放电或介质阻挡放电产生包括大量高能电子、离子、中性粒子和粒子团的低温等离子体,通过高能电子和离子与气体中的各种分子碰撞产生的各种正负离子和0、02―等自由基以及H202、03(臭氧)等氧化剂将有害气体污染物氧化成无害物或低毒物。但是,这类技术共同的问题是能耗较高和伴随有臭氧产生,因此,目前利用此方法生产的各种负离子净化器都要考虑臭氧的消除,从而使成本提高的。

  植物是种天然的空气净化器,这是因为植物叶片不但能够放出02和H20,还可以释放空气负离子(negativeairions,NAI)。02对空气中的污染物具有吸收与同化作用,而NAI具有和超氧化物自由基0相似的结构,其不但能够吸附、聚集和沉降空气中的悬浮颗粒和污染物,杀灭细菌和病毒,还可以和空气中的有机物发生氧化反应,有效去除室内建筑材料挥发出的甲醛、苯、氨等有害气体和日常生活中剩饭剩菜的酸臭味、香烟味等异味。研究发现,空气质量恶化伴随着大气中空气负离子浓度的下降,NAI已被作为评价环境和空气质量的重要标准之一。因此,设法提高空气中NAI浓度就成为空气污染治理的新思路。

  然而,在正常情况下,单株植物叶片释放02和H20以及NAI的能力很弱,其引起的生态效应极为有限。如果能够设法使植物产生NAI的能力倍增,催速其内02和H20的蒸腾和离解过程,就有可能开发出高效率、低能耗和绿色环保的空气污染治理新技术,从而在室内空气污染治理和修复上取得突破。有鉴于此,本文对应用高压脉冲电场激励植物提高叶片NAI产生和发射能力进行了探讨,希望能够大幅度提高植物在空气污染治理中的作用,进而开发出绿色环保和高效节能的空气污染治理新技术。

  1材料与方法1.1材料高电压技术中,一般多采用变压器电压变换原理获得终端的升压变换。但是,利用变压器进行低频升压极为困难,这是因为变压器的线包对低频电流的感抗与阻抗极小,低频高电压将在线包中产生短路瞬间损坏电源或变压器本身。为了解决此问题,在设计中以晶振为时基源,经分频获得一定频率值的高频脉冲,然后通过加载110Hz范围内的低频脉冲将其调制为间歇式的高频脉冲串,该脉冲串用以激励高压输出电路中LC振荡回路将电压预升约至1kV,经变压器二次升压后获得间歇式的高频高压脉冲,再利用高压小电容的低通滤波作用滤掉高频成分,后获得脉宽为50100ms范围内的低频高压脉冲,脉冲电压与电流分别由电压表与微安表来监测。

  由可以看出,电路设计中利用小型遥控开关,可随时切断或接通激励与驱动电路的工作电源,增强了仪器使用的安全性。如果输出发生过大的短路电流时,反馈信号亦能使遥控开关自动断开100V电源,达到过载自动保护的目的。当高压电极针对植物进行脉冲放电刺激时,高压电流的传导回路为空气介质,由于空气介质的阻抗值很高,因此该系统的输出功率很小,能耗极低。

  1.3作用方式和测量方法按所示的作用方式,利用自行研制的上述设备将单极高压电极针插入植物根际土壤对盆栽长叶吊兰进行根部刺激与NAI测量。测试环境为16m2见方的小室,室内在自然状态下具有较好保温、保湿性能,无可觉察的空气流动。测试过程中花盆通过木凳与地面绝缘,空气离子测量仪进气口正对花盆并保持与花盆面等高。分别测量室内自然环境、刺激空气、刺激无花盆土和刺激吊兰根际土壤时的空气负离子NAI与空气正离子(positiveairi-ons,PAI)的浓度,刺激时负脉冲高压Up一20kV,频率/=1Hz.在各种刺激过程的测量之中,都保持单极探针为相同高度与竖直方向。

  NAI的测量采用日本Andes公司研制的ITC201A型便携式智能型空气离子测量仪,该仪器能够设定每次测量的时间长度,并自动监测测量时的环境温度与湿度,其环境温湿度及NAI或PAI的测量结果可以由其配置的软件以图谱方式由计算机显示输出。

  脉冲调制负高压脉冲发生器原理框图Fig. 2结果与讨论2.1空气中NAI和PAI的背景值刺激状态下,由ITC201A空气离子测量仪与其配置软件测得的温度(171)C和相对湿度(68±2)的条件下空气中PAI和NAI浓度随时间的变化曲线。由其配置软件计算得出的图谱曲线中PAI浓度小103cm3、大值为216X103cm3,10min内的积分平均值为1小值为0.03X103cm3、大值为空气中PAI浓度的背景值2.2负高压脉冲刺激空气时NAI和PAI浓度=1m,H=0.6m、负高压脉冲对空气放电刺激时,由ITC201A空气离子测量仪与其配置软件测得的温度(171)C和相对湿度(68士2)的条件下空气中PAI和NAI浓度随时间的变化曲线。由其配置软件计算得出的图谱曲线中PAI浓度小值为0cm3、大值为2. 103cm3,10min内的积分平均值为0.空气中NAI浓度的背景值Fig.负高压脉冲刺激空气时NAI浓度Fig.负高压脉冲刺激空气时PAI浓度Fig.负高压脉冲刺激无花盆土时空气PAI浓度Fig. 2.3刺激无花土壤时空气中NAI和PAI浓度和为L=1m,H=0.6m、负高压脉冲刺激无花盆土时,由ITC201A空气离子测量仪与其配置软件测量得出的温度(17±1)C和湿度(68士2)的条件下空气中PAI和NAI浓度随时间的变化曲线。由其配置软件计算得出的图谱曲线中PAI浓度小值为0cm3、大值为5. 10min内的积分平均值为0.;NAI浓度小值为0 12cm3、大值为0 103cm3,10min内的积分平均值为0 2.4刺激吊兰根际土壤时空气中NAI和PAI浓度和0为L =0.6m、负高压脉冲刺激吊兰的根际土壤时,由FTC201A空气离子测量仪与其配置软件测量得出的温度(17±1)度(682)的条件下空气中PAI和NAI浓度随时间的变化曲线。由其配置软件计算得出的图谱曲线中PAI浓度小值为Ocm3、大值为3 103cm3,10min内的积分平均值为0. 103cm3,10min内的积分平均值为上述图谱结果表明,刺激空气和无花盆土时NAI和PNI产生了脉冲式的尖峰,但NAI浓度并无显著提高,但刺激吊兰植物时NAI在几分钟内升至到一平稳值,且其倍增效应极为明显。与此同时,刺激时PAI浓度明显降低,因而NAI的相对浓度显著提高。

  0负高压脉冲刺激吊兰时空气中NAI浓度Fig.负高压脉冲刺激无花盆土时空气NAI浓度负高压脉冲刺激吊兰时空气中PAI浓度Fig. 2.5负高压脉冲电场作用时的背景电流与NAI电流脉冲电场激励植物NAI倍增效应还可以由高压脉冲电流的变化予以证实。上述各种不同刺激过程中的高压脉冲电流表的测量结果如1所示。

  由1可见,利用峰值电压为一20kV的脉冲电压刺激空气和无花盆土时,出现了约60A空气介质的电离电流由表1的结果可知,NAI随距离增加迅速衰减,但在无鼓风的情况下辐射范围(直径)可达4m.而PAI因其数值本身较小,随距离变化不甚明显。

  2.7采用负高压脉冲技术时的空气质量评价目前,用NAI评价空气质量的指标常见的有单极系数9、安培空气质量评价系数Ci、空气负离子系数P和森林空气离子评价指数Fci等,其中应用广的是单极系数g和安培空气质量评价系数C.单极系数g指空气中正离子与负离子的比值,其计算公式为表1NAI浓度和PAI浓度随距离的变化表2空气质量等级划分等级空气质量空气质量评价系数Ci清洁清洁中等允许临界值表3空气质量的指标值与级数Tab.数。许多研究表明,在通常的陆地上,q值约为1.2,大多数学者认为q< 1,才能给人以舒适感。

  空气离子评价系数CI指空气中离子浓度接近自然界空气离子化水平的程度,计算公式为离子浓度。依据式(2)定义的空气质量评价标准见表2.负离子系数>0.5时,空气清洁度高,对人体有益。负离子系数越大,空气清洁度越高,空气负离子的保健功能越强。

  近年来,有人认为,式(2)中安倍空气离子评议系数Ci模型以城市居民生活区为研究对象,对城市居民区负离子状况的评价结果较好,而对于森林旅游区中空气负离子的评价,应用森林空气离子评价指数Fci来评价按式(4)得到Fci值越大,空气质量等级越高。

  将上述各项的测量结果代入式(1)(4),得到的各种情况下空气质量评价指数如表3所示。

  在表3中室内空气的单极系数q很大,空气离子评价系数Ci、空气负离子系数P很小,空气质量很差,远低于满足人体健康需求的临界值之下,目前我国城市家庭室内空气质量状况大多属于这种情况。用负脉冲高压对空气放电时,由于空气中的负离子浓度升高、正离子浓度下降,单极系数q减小,空气离子评价系数Ci和空气负离子系数P增大,空气质量有所改善,达到了清洁的标准。当用负高压脉冲刺激吊兰的根际土壤时,在距离植物1m处,NAI浓度与刺激空气时相比增加了264倍,超过了鼎湖山国家自然保护区中心飞水潭瀑布附近测量项目室内空气刺激空气刺激盆土刺激吊兰98.1X103cm3的水平,空气质量达到清洁的A级标准。这时若按照森林空气离子评价指数Fci来评价,Fci也达到了极高水平。

  3结论由上述的测量结果可知,用低频负高压脉冲电场刺激植物的根际土壤时,在相同的作用方式与相同的测量条件下,刺激植物时的NAI值远大于无刺激情况下的空气NAI背景值、刺激无花盆土时NAI背景值、刺激空气介质时的NAI背景值;其次刺激植物时的脉冲电流也有明显增加,说明了脉冲电场介导下由植物可释放高浓度的NAI.试验中用手触摸植物叶尖有针刺之感更证实了这点。

  通过植物产生的NAI与各种人工空气负离子发生器产生的NAI有很大的不同。人工空气负离子发生器产生NAI的方式完全是以空气电离为代价,伴随着空气负离子产生的同时使空气中的氧气分子的大量消耗和臭氧的增加。有资料显示,高浓度的人工空气负离子对人体是有害的,建议室内慎用人工空气负离子发生器。而植物本身是一种富含水及矿质元素的生物导体,在脉冲电场作用下,植物组织及其细胞内水溶液与矿质元素能够迅速的离解为带电离子,而根际的负脉冲电场必然会使植物细胞及组织内正电荷朝向根部流动,而负电荷将聚集于曲率半径小的叶尖处形成植物叶片的放电现象。有证据表明,负脉冲电场刺激植物时从植物叶尖处有大量的超氧阴离子自由基释出,这说明由此而产生的空气净化方式更加负有原生态的绿色环保。)利用负高压脉冲发生器刺激植物释放的空气负离子具有很多优点,由于植物通过众多叶片向外发射电子和负离子,克服了现今各种空气净化机中负离子发射的局域效应和就近效应,避免了金属发射高能电子和离子形成的能量过于集中,有效减少了氧气分子的电离效应,降低了臭氧产生,使NAI活性空间大为增加。实验发现,适当强度和频率的脉冲电场使植物生长状态良好,其熏香、保湿和美化等自然属性保持不变。

  4)利用几种空气质量评价指标对对测量结果的计算分析得出,该技术有效地改善了室内空气质量,使空气质量达到了A级的标准。因此,本文提出的应用负高压脉冲技术提高植物空气净化能力的思路为室内环境修复与治理提供了一种更加绿色环保的新思路。当然其中的机理、佳刺激条件以及离子分布的时空变化规律等等都有待于深入研究。相信其技术成熟与应用将导致新一代室内空气净化机一植物空气负离子发生器的出现。

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