静电除尘实验的设计

摘要： 根据静电除尘原理，利用高压静电发生器和9伏叠层电池产生高压、利用Arduino UNO R3开发板、PM2.5激光粉尘环境质量传感器、RTC实时时钟模块、SD卡模块等器材测量卫生香燃烧过程周围空气中在开启静电除尘前后PM2.5的变化。该实验原理清晰、装置简单、操作方便，实验数据实时、定量，实验的可重复性强。该实验可用于初中化学关于PM2.5与空气质量指数的介绍或高中化学有关胶体的性质实验；也可作为物理学科中静电场的应用实验。

关键词： 传感器; PM2.5; 静电除尘; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2024）07-0068-04 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

1 引言

空气质量日报是通过新闻媒体向社会发布的环境信息，可以及时准确地反映空气质量状况，增强人们对环境的关注，促进人们对环境保护工作的理解和支持，提高全民的环保意识，促进人们生活质量的提高。人教版义务教育教科书化学九年级上册第31页课题1“空气”一节的资料卡片简要介绍了空气质量日报及空气质量分级标准（表1）。空气质量日报的主要内容包括“空气质量指数”“空气质量级别”“首要污染物”等。

空气质量指数（Air Quality Index ，简称AQI）是依据常规监测的几种空气污染物浓度计算得到的。目前计入空气质量评价的主要污染物为：二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、可吸入颗粒物（粒径小于等于10微米的颗粒物，称PM10）、细颗粒物（粒径小于等于2.5微米的颗粒物，称PM2.5）和臭氧等［1］。

PM2.5又被称为细颗粒物，是造成空气污染和雾霾天气的主要污染物。PM2.5颗粒容易附着大量的有毒有害物质，而且在空气中的停留时间长，对居民健康有着长久的危害并且影响了城市的正常发展。从2001年PM2.5被列为需重点观测影响空气质量物质以来，我国的大部分地区的PM2.5含量就远远超过世界卫生组织的安全标准［2］。

世界卫生组织（WHO）“2018年城市户外空气污染数据库”显示，中国则有58个城市入围年均PM2.5浓度排名前一百的城市［3］。近十几年来，“雾霾”天气持续肆虐我国大部分地区，“雾霾”中的PM2.5颗粒对空气造成了严重的污染，极大地影响了居民的正常生产生活。

为了响应国家“十四五”规划中对于生态文明建设的要求，对空气中的PM2.5含量进行实时监督和管控，具有极其重要的现实意义。对于中学生而言要牢固树立保护环境的可持续发展意识，从自身做起，形成简约适度、绿色低碳的生活方式；能对与化学有关的社会热点问题作出正确的价值判断，能参与有关化学问题的社会实践活动是落实化学学科核心素养的内在要求。为此设计一套基于传感器技术的静电除尘实验装置。

2 实验原理

现行高中物理教材中静电除尘原理有如下描述：“如图1，静电除尘器由板状收集器Ａ和线状电离器Ｂ组成。Ａ连接到几千伏高压电源的正极，Ｂ连接到高压电源的负极，它们之间有很强的电场，而且距Ｂ越近，电场强度越大。Ｂ附近的空气中的气体分子更容易被电离，成为正离子和电子。正离子被吸到Ｂ上，得到电子，又成为分子。电子在向着正极Ａ运动的过程中，遇到烟气中的粉尘，使粉尘带负电，粉尘被吸附到正极Ａ上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。静电除尘用于粉尘较多的各种场所，除去有害的微粒或者回收物资，如回收水泥粉尘”［4］。

本实验装置就是利用这一原理进行设计和制作的（如图2所示）。高压静电发生器可以产生大约几万到几十万伏特的高压直流电，将此高电压加在两个曲率半径相差很大的金属阳极A（螺旋线圈—集尘极）和阴极B（中心细铜丝—放电极）上。通过如图2（ａ）所示截面不难发现，中心放电极附近电场强度较大，这一高压电场足以使空气电离。如图2（ｂ）所示，气体电离后产生的电子与负离子附着在通过电场的尘粒上，使尘粒带电。带电尘粒在电场力的作用下，向带正电的集尘极运动而沉积，最终将尘粒从空气中分离并清除，实现除尘和空气净化。

3 实验材料及实验装置

3.1 实验材料

PM2.5激光粉尘环境质量传感器V2一个、Arduino UNO R3开发板一块、IO传感器扩展板V7.1一块、I2CS D2405 RTC实时时钟模块一个、SD卡存储模块一个、DC12V高压静电发生器一个、9伏叠层电池一个、激光笔一支、笔记本电脑（安装Arduino IDE）一台、透明有机玻璃管一段（φ60×600）、粗铜丝（φ10左右）、热熔胶枪一把、矿泉水瓶一个、一次性塑料杯一只、卫生香一段、铁架台一套

3.2 实验装置示意图

实验装置示意图如图3所示。

3.3 实验装置的制作

（1） 取1个矿泉水瓶，用剪刀剪去瓶底，剩下高为5cm的无底瓶子（如图4所示）。另取一个一次性塑料杯，用剪刀剪去杯底（如图5所示）。

（2） 用粗铜丝（漆包线更好）绕制弹簧状螺旋线圈，放入有机玻璃管内；将无底矿泉水瓶装入有机玻璃管上端，无底一次性塑料杯装入下端，然后用热熔胶固定；再将有机玻璃管固定于铁架台上。

（3） 将高压静电发生器输出端正极与螺旋线圈相接，负极与中间直导线相接。

（4） 取一段香放入一细口瓶中，放置于静电除尘器下方。

（5） 组装好Arduino开发板及组件，并将PM2.5激光粉尘环境质量传感器固定于有机玻璃管顶部。

3.4 实验流程及程序

实验流程如图6所示。

PM2.5检测程序的样例程序详见：

https：//wiki.dfrobot.com/PM2.5_laser_dust_sensor_SKU_SEN0177

4 实验方法及数据处理

（1） 装置搭建好后，初始化Arduino程序，打开组件中的串口监视器，开始采集实验数据。

（2） 点燃香，观察串口监视器数据变化，用激光笔照射除尘器并上下移动，观察现象。

（3） 将9伏叠层电池正负极与高压静电发生器输入端正负极相连接，开启静电除尘后观察串口监视器数据变化。

（4） 开启静电除尘2～3分钟后，用激光笔再次照射除尘器并上下移动，观察现象。

（5） 反复断开、连接9伏叠层电池与高压静电发生器输入端，观察串口监视器数据变化。

（6） 停止实验，取出SD卡，将实验数据导入Excel表格中，以时间为横轴，PM2.5数据（单位：μg/M3）为纵轴作二维折线图（见图7）。

实验数据表明：点燃卫生香后PM2.5由37μg/M3迅速增大，达到了PM2.5激光粉尘环境质量传感器的最大量程，图像出现平台；开启静电除尘后，PM2.5又迅速回落，最小达23μg/M3，除尘效果良好。反复关闭或开启静电除，得到相似的实验图像。未开启静电除尘时，用激光笔照射时除尘器内部有明显的丁达尔效应，开启静电除尘后，丁达尔现象大为减弱。

5 结语

中学阶段静电除尘实验一般使用感应起电机产生高压电，实验时起电机所产生的电量较少，遇到空气潮湿或仪器的绝缘不佳时，实验效果更差。因此，本实验用9伏叠层电池通过高压静电发生器产生高压电，实验操作方便、可靠。

PM2.5激光粉尘环境质量传感器、RTC实时时钟模块和SD卡存储模块价格低廉，而且原代码都是开源的；有Arduino基础的学生能够自主编程，有利于促进学生综合学习能力的提升。

利用传感器技术将实验数据实时化、定量化和可视化，不仅能使学生学会静电除尘的原理和方法，而且可使学生真实地感受到烟尘中微小颗粒物的存在，从而加强学生的环保意识，充分认识到减少和消除环境污染的重要意义。

参考文献：

［1］王晶，郑长龙主编. 义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 31.

［2］李鹏. 环境空气中PM2.5自动监测方法的比较与应用［J］. 环境与发展， 2019， 31（9）： 173～175.

［3］常娟. 环境空气PM2.5浓度变化特征及防治措施研究［J］. 资源节约与环保， 2022，246（5）： 46.

［4］彭前程主编. 普通高中教科书·物理·必修第三册［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 21.