多针对板式负离子发生器中臭氧释放的量子效应

郝嘉雪，刘 波，黄旭楠，徐文华，张宏亮，

王国华5，苗启广1，李檀平6，贾 广1

(1.西安电子科技大学 计算机科学与技术学院，陕西 西安 710071；2.空军工程大学 空管领航学院，陕西 西安 710051；3.广东药科大学 医药信息工程学院，广东广州510006；4.复旦大学 环境科学与工程系，上海 200438；5.兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000；6.西安电子科技大学 物理学院，陕西 西安 710071)

1840年，德国舍拜恩在电解稀硫酸时，发现有一种特殊臭味的气体释出，因此将它命名为臭氧。臭氧作为地球的保护伞，能吸收大部分波长较短的射线(如吸收波长短于0.29 μm的紫外线)，使大气温度升高，并使地球上的生物免受过多紫外线伤害[1]。

臭氧是一种高效广谱无残留污染的气体消毒剂，具有强氧化性，在常温下极不稳定，随时可以分解成氧分子和氧原子，这时的氧原子具有极强的氧化能力和分解能力，一定浓度的臭氧具有杀菌消毒、除臭防霉、清新空气等功能[2]。随着人们对臭氧认识的深入以及臭氧技术的发展，臭氧已应用于许多行业和部门，在水处理、空气杀菌和食品行业等方面都有很多应用[3]。

近三年新冠肺炎在全世界的大流行显著地影响了公共安全和健康。截止2022年1月，全球共有近 38 032 万例病例和568万人死亡[4]。这次疫情是由一种新型冠状病毒(SARS-CoV-2)引起的，导致人类遭受严重的呼吸道和肺部感染[5]。SARS-CoV-2病毒具有高度传染性，通过飞沫和密切接触直接传播，或通过受感染的物体表面或气溶胶间接传播[6]。研究证实0.05×10-6和0.1×10-6的低浓度臭氧能够灭活新冠病毒，湿度升高能够显著提高臭氧的灭活新冠病毒能力[7-9]。

目前生产臭氧的方法大致有：电晕法[10]、电解法[11]、紫外线法、核辐射法、等离子体法等[12-14]。电晕放电按其电极结构分为线筒式、线板式和针板式等，可以作为一种安全高效的臭氧生产方法。场致电子发射是一种非热放电，研究设计的负离子发生器是针尖带直流负高压的放电器件。负离子发生器的一个应用是多针对板电晕放电，在针板电极之间会形成离子流，同时释放出一定量的臭氧。一般认为，负离子发生器中臭氧离子的释放分为两个步骤：

① 通过离子过程产生氧自由基：O2+e→O-+O；

臭氧离子向收集电极流动，形成离子流。根据理论推测，这些反应集中在距离负离子发射针0.2～0.6 mm 的范围内，称为化学反应活跃区。从距离负离子发射针更远的距离直到收集板的区间，称为臭氧离子漂移区[15]。通常认为到达收集电极的离子流和臭氧浓度是一个线性的关系[16]。

在负离子发生器中电极板间距与臭氧释放的关系研究中，不同的实验观察出现矛盾的结果，使得理论解释变得非常困难和复杂。在线板型负离子发生器的研究中，当线板间距从1.2 cm增加到2.1 cm，在13 kV时，臭氧浓度降为72%[17]。在线筒型负离子发生器的研究中，中轴线电极和外筒间距从0.65 cm增加到 1.10 cm，臭氧浓度随电源电压出现不同的变化趋势，在5 kV时，臭氧浓度显著增加，而在6 kV时，臭氧浓度显著下降，而且下降趋势随着电源电压增加保持不变[18]。

本实验室研究了在多针对板式负离子发生器中臭氧释放速率与针板间距离的变化关系。随着针板间距离的缩短，臭氧释放速率呈现不连续的台阶式跳跃上升，简称为臭氧释放量子效应，并对该效应进行了公式化定量描述。在以4种材料(铝，不锈钢，黄铜和红铜)为板电极的负离子发生器中，都观测到了类似的臭氧释放量子效应。以电子繁流理论为基础，考虑具有氧气分子电离电位的繁流微观理论，以电子加速产生氧自由基再产生臭氧离子的连锁反应为线索，对臭氧释放速率的量子化平台进行理论解释。

1 方 法

本实验室使用的“工字圆盘型负离子发生器”采用多针对板式(图1)，并采用钢针连接负离子发生器，使负离子发生器作为臭氧的发生装置。负离子发生器的升压模块把12 V直流转化为-8 kV的高压[19]；共有4组不锈钢钢针，每组有5个针，连接升压模块作为负高压输出，针尖间距为1 cm；不锈钢针正对着圆形板电极，板电极材料为铝、不锈钢、黄铜和红铜，直径为15 cm；针板间距为1.5 cm到10.5 cm，负离子发生器和收集板分别固定在工字塑料圆盘上，上下护板圆盘直径为16.5 cm，中轴外直径为5.5 cm。负离子发生器的输入电流为0.32 A，功率为3.8 W。

图1 多针对板式负离子发生器

2 实验结果

本实验室共制作76套负离子发生装置，其中根据板电极材料分别为19套铝片，19套不锈钢，19套红铜以及19套黄铜，每套的针板距离分别从初始1.5 cm逐步增加至10.5 cm结束，每次距离间隔增加0.5 cm。

如图2所示，在一封闭的容器内，容器空间体积为50 cm×40 cm×35 cm，将多针对板式负离子发生器接通电源，采用手持臭氧检测仪(型号为XLA-BX-03，深圳市普利通电子科技有限公司，量程范围为0～10×10-6)，每隔5 min到10 min测量密闭空间内的臭氧含量，测量时间通常为30 min。容器壁上开直径为1 cm的小孔，将臭氧检测仪金属进气管插入进行臭氧采集与测量。测量数据导入Microsoft Excel软件，根据容器体积和臭氧含量随时间的变化计算出臭氧释放速率。

图2 实验装置示意图

当板电极材料为铝板时，每次调整针板间隔距离后的臭氧释放速率，计算在密闭空间内多针对板式负离子发生器针板间距与臭氧释放速率的关系，结果如图3所示。

图3 多针对板式负离子发生器针板(铝板)间距与臭氧释放速率的关系

更换收集板材料为不锈钢，重复以上实验步骤，记下每次调整针板间隔距离后的臭氧释放速率，计算在密闭空间内多针对板式负离子发生器针板间距与臭氧释放速率的关系，结果如图4所示。

图4 多针对板式负离子发生器针板(不锈钢)间距与臭氧释放速率的关系

更换收集板材料为红铜，重复以上实验步骤，记下每次调整针板间隔距离后的臭氧释放速率，计算在密闭空间内多针对板式负离子发生器针板间距与臭氧释放速率的关系，其中当针板间距为8.5 cm(臭氧释放速率为0.002 mg/h)为数据异常点，图中没有画出，结果如图5所示。

图5 多针对板式负离子发生器针板(红铜)间距与臭氧释放速率的关系

更换收集板材料为黄铜，重复以上实验步骤，记下每次调整针板间隔距离后的臭氧释放速率，计算在密闭空间内多针对板式负离子发生器针板间距与臭氧释放速率的关系，其中当针板间距为9 cm(臭氧释放速率为0.016 mg/h)和10.5 cm时(臭氧释放速率为0.067 mg/h)为数据异常点，图中没有画出，结果如图6所示。

图6 多针对板式负离子发生器针板(黄铜)间距与臭氧释放速率的关系

当针板间距较小时，臭氧释放速率呈现连续的单指数变化关系；当针板间距较大时，臭氧释放速率偏离单指数类型的变化关系，呈现不连续的量子化平台和阶梯式跳跃。臭氧释放速率满足公式c=c0×2n。不同的电极材料所对应的公式参数如表1所示。

表1 不同电极板材料对应的公式参数

3 实验与结果分析

实验研究中发现，当缩短多针对板式负离子发生器的针板电极间距时，收集板采集的离子流呈现指数式连续上升，而臭氧释放速率和针板电极间距之间不是连续的指数衰减关系，而是呈现不连续的阶梯式跳跃上升的现象，出现了多个量子化平台。随着负离子发生器针板电极间距的缩短，铝材质的收集电极板呈现出了5～6个量子化平台，不锈钢材质的收集电极板只呈现出了4个量子化平台，红铜材质的收集电极板呈现出了5个量子化平台，而黄铜材质的收集电极板呈现出了6个量子化平台，即所谓的“臭氧释放量子效应”。目前还没有从文献中找到类似的实验记录或理论预测。

这些量子化平台可能与电子繁流汤生理论有关[20]，同时与收集板材质紧密相关。电子繁流汤生理论也被称为汤生电子雪崩理论。在放电过程中，电子将气体击穿，在碰撞过程中不断产生新的电子，使得电子个数得到迅速增加，臭氧离子的个数也迅猛增长，使得箱体内的臭氧含量不断增加。有研究显示，铝材质的收集板释放的臭氧浓度显著低于钢和不锈钢材质的收集板，表明不同材质对臭氧分解的能力有所不同[21]，并可能对臭氧释放的量子化平台造成影响，值得深入细致的分析研究。有研究表明，当多针对板式放电时，多个负离子发射针尖的间距对放电功率有显著的影响[22-28]，也可能会影响臭氧释放的量子化平台。

在实验中，笔者首次发现的臭氧释放量子效应，是微观电子世界量子行为在宏观世界的一种体现。霍尔效应是被物理学家霍尔在1879年发现的，德国物理学家克利青在强磁场下的半导体中发现了整数量子霍尔效应[29]，获得了1985年的诺贝尔物理学奖。美国物理学家崔琦、劳克林和施特默在更强磁场下发现了分数量子霍尔效应[30]，获得了1998年的诺贝尔物理学奖。霍尔效应是一种宏观量子效应[31]，是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现[32]。笔者在实验中观测到的臭氧释放量子效应，也是一种典型的宏观量子效应。目前观测的都是2的整数倍关系，可以视为“整数量子效应”。分数量子效应在目前的常温常压实验条件下没有观测到，但是在极端情况下，如强磁场、低温或特殊的收集板电极材料中，有可能观测到“分数量子效应”。笔者观测的现象提供了一种全新的技术方法可用于测量材料的微观特性和电晕放电特征。

文中的针板间距不是连续变化的，不能精确确定平台跳跃的间距。将来的实验中通过机械控制，采用激光测量针板间距[33]，以达到精确调整针板间距的目的，实现臭氧释放量子平台的精确确定。文中的负离子发生器为直流高压-8 kV；如果采用交变电流和电压，臭氧释放速率会受到调制，我们预期当电压低于某个阈值时，臭氧释放速率会降为零，将来的实验中会考虑观测调制效果。实验中的最大针板间距为10.5 cm，如果继续增大针板间距，臭氧释放速率很低，臭氧浓度变化很慢，极易出现测量不准确的情况。在将来设计的精密实验中可以进行更大针板间距的臭氧释放速率的测量。

实验中采用工字圆盘型结构，中间的塑料圆柱可能会阻碍空气的流动。下一步将对多针对板式负离子发生器进行结构改进。初步构想为两块平行板式结构，平行板四周用长螺钉固定，在保证空气流动性的同时方便调整距离。实验采用的密闭箱箱体比较小，可能达到一定浓度后，箱子里的臭氧饱和，从而影响数据变化速率的测量，下一步换用大体积箱子。采用手持检测仪检测臭氧浓度，每次测量时因插入角度、读数误差或量程较小的原因可能造成测量不准确，下一步采用在密封箱内放置高精度臭氧检测仪，通过连接计算机实现实时准确的测量。负离子发射针电极的针尖直径、针尖个数、针尖材料(不锈钢针、镀金针和碳毛刷)和针尖间距对臭氧释放的量子化平台的影响，值得进一步研究。此外，不同的外加电压，以及不同介质浓度混合比，湿度，气压，温度等都有可能会影响空气分子的电离、离子的迁移、臭氧的生成、释放和分解过程；理论方面主要考虑量子繁流理论以及空气流动过程中的动力学对臭氧形成的影响，对臭氧释放量子效应的根源进一步深入探讨研究。

4 结束语

笔者提出以电子繁流理论为基础，考虑具有氧气分子电离电位的繁流微观理论以及空气流动过程中的动力学，以电子加速产生氧自由基再产生臭氧离子的连锁反应为线索，对臭氧释放速率的量子化平台进行深度探索。在不同的电极材料下发现的负离子发生器中臭氧释放的量子效应，可能与收集板材质密切相关；同时针尖直径、个数、材料、针尖间距以及不同的外加电压、温度、湿度、气压等都与量子化平台现象密不可分。具体过程和机理都值得仔细研究，需要对臭氧释放量子化平台的规律进行进一步总结探讨。