曹澤新, 欒玉國, 劉 玲, 鞠麗平, 彭大維, 鐘 瑤

(1. 沈陽航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 沈陽 110136; 2. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034; 3. 沈陽航天航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部, 沈陽 110136)

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利用避雷針進(jìn)行靜電除霾防疫的技術(shù)研究

曹澤新1, 欒玉國1, 劉 玲2, 鞠麗平1, 彭大維3, 鐘 瑤2

(1. 沈陽航空航天大學(xué) 理學(xué)院, 沈陽 110136; 2. 沈陽師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 沈陽 110034; 3. 沈陽航天航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部, 沈陽 110136)

根據(jù)靜電除塵的原理,提出一種通過改裝避雷針,清除城市霧霾的方案。在霧霾天氣情況下,讓改裝的避雷針通過接閃器尖端在霧霾大氣中釋放負(fù)電,使得空氣中的可吸入顆粒物荷上帶負(fù)電,通過靜電感應(yīng),被地面吸附,從而快速清除霧霾,在較短的時間內(nèi)讓城市中的空氣得到凈化。以沈陽市為例計算,PM2.5值為200時,1 h清除約含245 t可吸入顆粒物的霧霾,約需用電10 000度,見效快,成本低,值得推廣。還可以用于空氣傳播流行病毒的城市衛(wèi)生防疫工作。

霧霾; 靜電除霾; 避雷針; 可吸入顆粒物

0 引 言

隨著近年來中國經(jīng)濟的發(fā)展,霧霾天氣在中國的各大城市,出現(xiàn)得越來越頻繁,而且部分城市的PM2.5不斷突破500的上限。霧霾天氣首先造成空氣的低能見度,容易引起交通堵塞,增加發(fā)生交通事故的風(fēng)險。同時,霧霾天氣還帶來城市空氣質(zhì)量明顯下降,嚴(yán)重影響人們身體健康。據(jù)北京市衛(wèi)生局統(tǒng)計,每次出現(xiàn)重度霧霾的天氣,來市屬各大醫(yī)院的呼吸科就診的患者就增加2～5成。國家氣候中心專家指出,PM2.5級別的空氣細(xì)小粒對嬰兒的致畸率和早產(chǎn)率是有著顯著的影響。2013年11月,世界衛(wèi)生組織宣布空氣污染物是地球上“最危險的環(huán)境致癌物質(zhì)之一”[1]。

盡管霧霾天氣的危害非常嚴(yán)重,但對霧霾天氣的治理還是缺乏有效的手段。2013年11月5日,中國發(fā)布的《氣候變化綠皮書:應(yīng)對氣候變化報告(2013)》指出,近50年來中國霧霾天氣總體呈增加趨勢[2]。其中,霧日數(shù)呈明顯減少,霾日數(shù)明顯增加,且持續(xù)性霾過程增加顯著。從霧霾天氣在世界范圍內(nèi)大范圍出現(xiàn)的情況上看,人們還沒有給出治理霧霾天氣的有效方案。

城市建筑上方的避雷針,主要用于建筑的避雷作用[3-4]。本文提出,通過改造城市建筑上方的避雷針,接入靜電高壓電源,使其成為一個放電陰極。在霧霾天氣情況下,該陰極釋放高壓負(fù)電荷,讓可吸入顆粒物帶上負(fù)電,被地面或者地面陽極吸附,就可以達(dá)到凈化空氣的效果。文中還以沈陽市的具體情況為例,論證了通過這種靜電感應(yīng)除塵機制,可以形成一個高效除霾而且成本低廉的可行技術(shù)方案。

1 使用避雷針靜電除霾的技術(shù)方案

避雷針清除霧霾的基本機制就是靜電除塵,其原理是通過高壓裝置讓放電陰極進(jìn)行電暈放電,使得粉塵粒子帶電,在空間電場作用下,被陽極板吸附,從而達(dá)到凈化空氣的效果[5-7]。靜電除塵技術(shù)常用于以煤為燃料的工廠、電站,收集煙氣中的煤灰粉塵,以及用于家居的除塵滅菌產(chǎn)品等。

用避雷針清除霧霾原理上和靜電除塵基本類似,即利用城市建筑物上的避雷針作為放電陰極,以單個建筑為單位,在城市范圍內(nèi)形成分布比較均勻覆蓋比較廣泛的高壓陰極點陣網(wǎng)。在需要進(jìn)行除霾或者城市衛(wèi)生防疫工作時,可通過避雷針的接閃器進(jìn)行電暈放電,讓空氣中的微小顆?；虿【鷰щ?被作為感應(yīng)陽極的地面或者陽極積塵裝置等吸附,起到高效清除城市霧霾以及城市衛(wèi)生防疫的作用[8-13]。

1.接閃器; 2.換向開關(guān); 3.靜電高壓發(fā)生器;4.接地引下線和接地線圖1 避雷針清除霧霾裝置示意圖Fig.1 Sketch of cleaning haze device with lightning rod

用避雷針進(jìn)行靜電除霾的技術(shù)方案如圖 1所示。 接閃器連接換向開關(guān)的一端, 換向開關(guān)的另一端和接地線的一個方向連接靜電高壓發(fā)生器的輸入端, 另一個方向連接接地引下線。 出現(xiàn)霧霾天氣, 需要清除霧霾時, 可以通過管理部門, 將全市的避雷針除霾裝置的換向開關(guān), 接通靜電高壓發(fā)生器, 讓接閃器作為陰極, 進(jìn)行電暈放電,清除霧霾。 其他天氣, 可讓避雷針連接接地引下線,繼續(xù)發(fā)揮避雷作用。

使用靜電除塵的方法全面清除城市霧霾,一定要充分利用城市建筑物上方的避雷針。否則樹立比建筑物還要高的陰極,進(jìn)行除霾,一方面新增占地面積,重新布置除霾裝置,成本高;另一方面靜電除霾所放的負(fù)電,多數(shù)會被避雷針直接引入地下,避雷針下方的大范圍可吸入小顆粒,缺乏負(fù)載電荷的機會,很難起到除霾的作用。而利用避雷針除霾,則有多方面的優(yōu)點:

1) 原理簡明, 結(jié)構(gòu)簡單, 對避雷針進(jìn)行改造, 接入一個靜電高壓裝置, 就可以進(jìn)行清除霧霾的工作。

2) 建設(shè)和使用成本低廉,容易實現(xiàn),本方案主要利用現(xiàn)有的避雷針裝置,接入靜電高壓發(fā)生器,其核心部件是一個高壓包,成本相對低廉。而使用裝置清除霧霾時,所用電力很少,相對于霧霾造成的環(huán)境破壞,使用成本可以忽略不計。

3) 避雷針放電除霾裝置工作后,能夠高效地發(fā)揮作用,可以在幾小時甚至一個小時以內(nèi),基本清除城市的嚴(yán)重霧霾,使用中裝置也不存在實質(zhì)損耗,可以長期重復(fù)使用。

4) 該裝置還可用于空氣傳播疾病的衛(wèi)生防疫工作,在城市發(fā)生空氣傳播疾病的疫情時,可以打開這個靜電高壓裝置進(jìn)行放電,電暈放電就能破壞細(xì)菌病毒細(xì)胞壁,并能讓空氣中的細(xì)菌或病毒等帶上負(fù)電而被吸附到地面上,再通過消毒劑噴灑地面,就可以有效阻斷細(xì)菌病毒的空氣傳播渠道,可用于城市范圍內(nèi)空氣傳播疾病的防控和大規(guī)模生化武器的防范。

2 避雷針除霾的效能分析

在考慮避雷針除霾的應(yīng)用過程中,以沈陽市為例,就城市霧霾的體量,以及霧霾覆蓋的廣闊范圍,以及大氣中的顆粒物總量,并估算清除城市霧霾所需要的總電量,和對應(yīng)的裝置數(shù)量等,給出估算過程和結(jié)果。計算結(jié)果表明,利用避雷針除霾,可以在1 h左右,基本清除城市上空的霧霾總量,所需的電量成本極低。就所需避雷針放電裝置數(shù)量而言,當(dāng)前城市建筑上的避雷針也可以滿足靜電除霾的需要,除非廣域無建筑物如大型湖面等情況,一般不需要另增新裝置。相關(guān)分析如下。

空氣PM2.5指數(shù)的數(shù)值,是指空氣中每立方米所含尺度在2.5 μm的可吸入顆粒物的重量,如PM2.5=200時,空氣中可吸入顆粒物濃度為200 μg/m3?？晌腩w粒物密度分布約為1～2.5 kg/m3。取顆粒物密度為1 kg/m3,可算得PM2.5=200的空氣中,可吸入顆粒物的密度約為n=3×109/m3。沈陽市市區(qū)面積為3 495.4 km2,霧霾的高度按350 m計算,則整個城市的可吸入顆粒物數(shù)量,在PM2.5=200時,約為3.675×1021個。讓這些顆粒物帶上需要的電量,就可以讓空氣得到凈化。

設(shè)避雷針的放電電壓為10 kV,高度為100 m,并把城市上空由避雷針組成放電陰極點陣,看成一個平板,則該平板和地面一起構(gòu)成一個平板電容,則空間中的電場強度約為100 V/m。以這個電場強度計算粉塵的飽和荷電量,由靜電除塵的飽和電荷計算公式[14]

(1)

式中:qs是粒子表面的飽和電荷;εr是粒子的相對介電常數(shù);導(dǎo)電粒子εr=∞;a為粒子半徑,未受干擾時的電場強度E0=5×105V/cm;ε0為真空介電常數(shù)。可算得線度在2.5 μm的粉塵的飽和電荷為qs=2.6×10-16C,即粉塵粒子的飽和電子數(shù)為ne=1 625。

要讓沈陽市的霧霾空氣得到有效凈化,根據(jù)上面的沈陽市可吸入顆粒物數(shù)量和單個可吸入顆粒物的所帶電量,需要讓沈陽市顆粒物全部帶電,所需要的總電荷量為

(2)

按照1 h除霾時間計算,讓沈陽市的空氣帶上上述總電荷量需要的電流強度為

(3)

設(shè)每個靜電發(fā)生裝置的功率為2 000W,放電電壓10kV的避雷針放電電流為0.5A,大約需要532個這樣的裝置。裝置工作電壓220V,則每個裝置的工作電流不到10A。因此1h內(nèi)清除城市存量霧霾,理想情況約需要1 000度電,以插頭效率為10%計算,沈陽市所需電量約為10 000度。

3 避雷針除霾方案的適用性討論和實驗驗證

靜電除塵技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高粉塵濃度(～100g/m3)的工業(yè)廢氣除塵,除塵效率可達(dá)99.9%,單臺靜電除塵裝置,處理廢氣量每小時可達(dá)到幾十萬到幾千萬立方[15],以800 000m3/h為例,1h處理的粉塵重量為80t。而PM2.5值等于200時,整個沈陽市上空可吸入顆粒物的總重量為200μg/m3×3 500km2×350m=245t。3臺這樣的靜電除塵設(shè)備,1h就可以清除城市全部霧霾。因此,從重量上看,靜電除塵技術(shù)也沒有瓶頸。而城市的高層建筑并不在少數(shù),以沈陽市為例,2015年高層建筑數(shù)量就達(dá)到4 000多個,完全可以滿足避雷針除霾的需要[16]。除霾效率和避雷針的密度有關(guān),局部區(qū)域如果避雷針的數(shù)量過于稀少,以至于影響了該區(qū)域的除霾速度,可以通過增加一定的桿式避雷針,解決這一問題。避雷針的分布,只要間隔不大于800m,沈陽市的靜電除霾方案,就可以通用于多數(shù)城市的除霾工作。

使用上述所給的相關(guān)數(shù)據(jù),表1給出了使用避雷針用于城市靜電除霾的適用參數(shù),結(jié)果表明,如果不考慮擴散所需時間,使用該方法可以在1min之內(nèi)進(jìn)行城市除霾。因此影響除霾效率的最大因素,取決于粒子的荷電速率。

在日常無風(fēng)的條件下,氣體分子的擴散速率約為40m/min,城市霧霾的高度一般為350m,也就是說,帶電的氣體分子跑到霧霾高層,讓高層的可吸入顆粒物帶上負(fù)電,需要的時間不到1min。在避雷針持續(xù)放電的情況下,霧霾高層的可吸入顆粒物能夠在10min之后,荷上負(fù)電,并被地面吸附。因此,霧霾的高度,對使用避雷針放電除霾來說,并不是問題。

表1 避雷針用于城市除霾的適用參數(shù)

同樣,城市區(qū)域只要沒有出現(xiàn)2個建筑物超過800 m的情形,那么城市多數(shù)區(qū)域,無論帶避雷針的建筑物怎樣分布,根據(jù)氣體擴散速率,都可以在10 min內(nèi),進(jìn)行有效除霾。出現(xiàn)直徑超過800 m的空域,只需要在其中間位置樹一個桿式避雷針,或者直接加長放電時間,就可以解決這些區(qū)域的除霾問題。因此,使用避雷針靜電除霾技術(shù),可以在1 h內(nèi),高效完成城市霧霾的清除工作。

除了以上的分析外,用0.5 m高,直徑約15 cm的有機玻璃透明圓筒和實驗室用5 ～50 kV靜電高壓發(fā)生器,制作了一個簡易的靜電除塵實驗裝置,頂部接入負(fù)極細(xì)銅絲,底部用鋁箔接地。在圓筒中充滿香煙濃煙和拉煙器產(chǎn)生的濃煙后,通上電,濃煙在幾秒鐘內(nèi)就被清除干凈,證實了靜電除霾裝置的有效性。該實驗裝置過于簡易,更系統(tǒng)的靜電除霾實驗及相關(guān)結(jié)果,將在后面的工作中繼續(xù)報道。

此外,該方案還有一個重要的作用,就是有效防止疾病在空氣中的傳播。通過本文所介紹的方法,可以由避雷針讓病毒帶電,被地面吸附消毒,從而有效切斷病毒的空氣傳播途徑,起到防治大規(guī)模流行病毒特別是一些惡性病毒如SARS的作用,保障城市人口的生命安全。

4 結(jié) 論

城市霧霾是一個越來越嚴(yán)重的環(huán)境問題,目前沒有有效辦法解決這一問題。這里給出的改造避雷針成為放電和引電的兩用裝置,根據(jù)靜電除塵原理,讓避雷針放電發(fā)揮除霾作用,根據(jù)上面的分析,是一個低成本高效率的城市除霾方案,有大規(guī)模應(yīng)用的環(huán)保價值。此外,使用該技術(shù)還可以有效隔斷空氣傳播病毒,為阻止大規(guī)模傳染性病毒的流行,提供了新的高效防治手段。

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Technology research on electrostatic haze using lightning rod

CAO Zexin1, LUAN Yuguo1, LIU Ling2, JU Liping1, PENG Dawei3, Zhong Yao2

(1. College of Science, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China; 2. College of Physical Science and Technology, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China; 3.College of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China)

Based on the principle of electrostatic precipitation,a program for clearing the haze in city with a modified lightning rod is proposed in the paper. In the haze weather, the modified lightning rod can release negative charges in the fog and haze atmosphere through the tip of the lightning reciever, which can charge the inhalable particles in the air with negative charges, and then the particles can be absorbed by the ground via electrostatic induction. With this the particles can be,the haze can be removed quickly, so that the city air can be purified within a relatively short period of time. In Shenyang City, for example, when the value of PM2.5 is at 200, about 245 tons of inhalable particles in the haze can be removed within 1 hours, and only 10 000 kilowatt hours are needed. Moreover, the technology has the advantage of quick effect,low cost, so it is worth popularizing. The technology in the paper can also be used for the work in city health and epidemic prevention from spreading the epidemic virus via air.

fog and haze atmosphere; electrostatic haze; lightning rod; inhalable particles

1673-5862(2017)02-0189-04

2017-02-06。

國家自然科學(xué)基金資助項目(51101105,51402197)。

曹澤新(1973-),男,安徽安慶人,沈陽航空航天大學(xué)副教授,博士。

X701.2; X513; P484

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2017.02.013