高压静电吸附除尘新型板擦的研制

康易超，钟寿仙，林春丹，余 斌，赖晶晶

(中国石油大学，北京 102249)

使用传统黑板擦产生的大量粉尘一直严重危害着师生的身体健康。一个学生从小学到读完大学需要至少15年的时间，这期间要不可避免地遭受粉笔灰的侵袭;而一个教师大半时间是在粉笔尘灰中度过，所受的危害也是可想而知的。由任志刚等人的调查结果表明，中小学教师慢性病患病率较高，常见的疾病主要是慢性咽炎和声带疾病，而且均有随教龄增大而升高的趋势［1-2］。

为了改善这一现状，许多科研人员研究出了一系列的新型的“无尘粉笔”以降低教师在使用过程中的扬尘现象。然而，黄志刚等人［3］研究了无尘粉笔对粉笔尘粒度分布的影响后，发现这种“无尘粉笔”对人体的危害状况并没有明显的改善，与其它普通粉笔相比，小粒径粉尘所占的比例大大增加了。而现代医学表明粉尘的不同粒径对于人体的影响见表1［4］，小粒径粉尘是人体健康的主要威胁，这是“无尘粉笔”所不能解决的。

表1 不同粒径粉尘对人体的影响及所占比例

调查结果同时表明，粉尘对于师生的危害大小并不像普遍认为的与黑板座位之间的距离成反比，对比结果见表2［4］:虽然离教室越远粉尘的浓度越小，但是对人身体危害最大的小粒径粉尘却在迅速增大。因此，坐在教室较后排学生们的健康同样受到很大的威胁。

表2 不同位置粉笔尘的浓度与分散度

综上可见，要真正达到保护师生健康的目的，不但要降低粉尘的总浓度，还应该重点降低小粒径粉尘的浓度。

目前除去粉笔灰的产品主要分为两大类:机械除尘板擦和水除尘设备。机械除尘板擦是比较传统的工具，其缺陷为扬尘明显，吸附效果较差，污染环境，危害健康。水除尘方法和设备是部分教育机构使用的一种工具，其原理是在传统黑板上加装水洗系统以及水循环系统，利用由黑板顶部缓慢喷出的水幕达到除尘效果，其除尘效果明显，但造价太高，不便于市场大范围推广，水洗后待干时间太长，影响教学进度。

迄今为止，很多人在除尘工具的改进上做了各种各样的探索与研究，并且也取得了一定的成效。专利号为92228413的离心式吸气机有着阻力小，吸力强等优点，但是它的集尘箱太大;专利号为99208752x的除尘器扬尘少，但是结构过于复杂;专利号为02278259.1的电动吸尘装置吸尘效果好，但是工作噪音太大且有安全隐患。由于对小粒径粉尘较差的除尘效果或其它方面等问题，这些新型的产品都没有广泛地应用到板擦中。针对现有除尘工具存在的问题，本产品设计时从原理、工作性能以及对小粒径粉尘的处理方面做了改进。

1 新板擦构思设计

1.1 新板擦工作原理

本产品以静电吸附的原理为基础，从设计上既考虑了除尘，同时也考虑了降低较小粒径粉尘的比例。

黑板上飘落的粉尘在高压下静电感应带电产生静电吸附。静电吸附是指小颗粒粉尘在接有高压直流电源的阴极线(电晕极)和接地的阳极之间的高压电场中时，由于静电感应，粉尘颗粒内部靠近极板的一边会产生与相邻极板极性相反的电荷(另一侧产生相同数量的同极性电荷)，由于异性电荷相互吸引，使得粉尘带负电荷后在电场力的作用下向极板运动，到达阳极后放出所带电子，尘粒则沉积于极板之上。本新型板擦中，极板换作高压电网，大部分带电粉尘颗粒会由于较大的初速度而穿过两层高压电网中的空隙吸附于吸附性粘条上。达到除尘的效果［5］。

根据静电吸附的原理，设计并构想出了整个板擦的各个主要部分，着力要解决的问题是有效絮凝、吸尘。高压静电是通过变压电路来实现的，产生高压直流的电路系统，主要由高频振荡电路、倍增整流电路和高压金属网三部分组成。图1是静电除尘吸附板擦的工作原理示意图［6-7］。

图1 板擦工作原理图

1.2 新板擦模拟吸附实验装置研制

为了研究实际板擦极网的静电吸附效果，设计了相应的实验装置。为了有效的实现电压倍增，选用电蚊拍内置电路来改装成所需要的电路板(电路图见图2)［8］，考虑到实际应用的限制，决定利用导电性良好的金属铝网改装成形成高压静电场的电极板网(见图3)，用6 V的锂离子电池作为电源。现今市场上的家用电蚊拍的倍增电路大约可以产生1 500 V左右的瞬时电压，可以作为高压源。并按以下步骤制作了实验装置:

(1)将选好的两金属片按比实际粉笔擦外形大一点的大小剪裁，然后将两层按照电极板的要求用黑胶布绑在两根绝缘的木棒上，以便于进行实验。为防止金属网之间发生接触造成短路，在两层网板之间留有一定的空间空隙。

(2)将电蚊拍中拿出的已改装成倍增电路的电路板用导线连接在裁剪好的网状电极板上，为了使黑板擦吸附的粉尘能被更好的固定住，将黑色胶布贴于金属网的一侧，这样通过静电吸附的粉尘就可以粘牢在粘条上，便于进行观察对比。

(3)将6 V的锂离子电池连接到电路板上，由电源、倍增电路板、电极板这三部分形成的完整电路回路见图4。

图2 电蚊拍内置电路来改装电路图

图3 模拟的正负极板网

图4 静电吸尘电路

1.3 新板擦外观结构及选材设计

针对上述传统板擦存在的缺陷或不足，利用高压静电感应原理和高吸附性粘条相结合方式，对于板擦的不同部分(上表面、主体外观、内部)进行了结构和材料的设计(见图5～图7)，新板擦包括绝缘外壳，该绝缘外壳为上端未封闭的长方盒体;绝缘外壳的一个侧板可拆卸，该侧板朝向绝缘外壳的一面上垂直安装有隔板，隔板位于绝缘外壳内且将绝缘外壳内部分为上下两层，隔板能够随侧板从绝缘外壳中抽出;在隔板下方的绝缘外壳内安装有充电电池、充电插头和电路板;绝缘外壳的上端由下至上分别覆盖有第二高压电网和第一高压电网，且第一高压电网和第二高压电网之间绝缘安装;吸附粘条置于隔板上且吸附面朝向第二高压电网;第一高压电网的上方四周安装有擦拭部件;绝缘外壳的一侧面安装有启动开关;所述充电插头和电路板分别连接充电电池;电路板上设置有升压电路，启动开关连接在该升压电路中控制其通断，该升压电路的输出端的正、负端分别连接第一高压电网和第二高压电网。

图5 结构示意图

图6 绝缘外壳的一个侧面示意图

图7 隔层的结构示意图

2 板擦试验

将电源开关3闭合，然后握住绝缘壳体1，用擦拭部件2擦拭黑板上的待擦部位，同时一直按住启动开关4使其处于闭合状态，该过程中电路通电，由三极管VT和变压器TU构成的高频振荡器电路通电工作，把3 V直流电变成18 kHz左右的高频交流电，经变压器TU升压到500 V，再经二极管VD1～VD3、电容器C1～C3三倍压整流升高到1 500 V，加到第一金属网DW1和第二金属网DW2上。

2.1 板擦极网的模拟实验

如图8～9所示，接通电源，从电板板的一侧缓缓洒下事先磨好的粉笔尘，以此模拟用板擦擦黑板时掉落下来的粉尘。粉尘在经过极板的时候会由于静电感应作用带电，之后粉尘产生絮凝并在异性极网的吸附作用下穿过电极网的空隙落于极网的另一侧。为了便于观察吸附效果，在极网的另一侧贴上黑色的胶布。由图5可以清楚地看到由于絮凝现象形成了很多大的颗粒。实验对比结果可以看出，有许多的粉尘通过静电感应吸附在黑色胶布上(中间黄色的部分)，还有一部分粉尘吸附在了极板网上，这两部分对应的即为吸附于板擦内部的粉尘，即此装置能有效地控制粉尘的飘扬与掉落。

图8 吸附实验装置图

图9 粉尘吸附实验

实验结果显示大量的粉尘能够被吸附，并且有较明显的小颗粒粉尘絮凝现象，这些都较传统的板擦有了很大的提高。

2.3 本产品与传统板擦对比

由于除尘原理、内部结构的不同，使得新型的静电除尘板擦较传统板擦有很大的优势，见表3。

3 结 论

实验表明利用静电除尘原理使小颗粒粉尘发生絮凝并被吸附是可行的，考虑到实际应用等因素的前提下，通过进一步的设计组装，制作出了一款新型的静电吸附除尘黑板擦样品。

文章中设计的静电吸附除尘黑板擦利用高压静电感应原理和高吸附性相结合，能够在吸附飘落下来的粉笔灰的同时，使对人体危害最大的小颗粒粉尘絮凝，有效改善由于大量粉尘吸入给师生带来健康隐患的现状。本产品已获得专利号为ZL201320426068.7。它具有高吸附性，除尘效果好，除尘速度快，易清理，其成本较低，适于市场推广，对未来除尘工具的发展具有参考意义。

［1］田俊.福州市中小学教师健康状况及影响因素调查分析［R］.中国公共卫生，1996，12(6):257.

［2］任志刚，张亚增，程海明，等.粉笔尘对教师健康危害的研究［J］.中国学校卫生，2002，23(2).

［3］黄志刚，张晓光.粉笔尘粒度分布的测定及其对人体危害的分析［J］.环境保护科学，1987(3).

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