负离子瓷砖对单组分空气分子作用影响分析

李 强，吴飞翔，吴 兰 ，罗 斌，顾晓朦

（1.广东特地陶瓷有限公司，佛山528000；2.佛山市天工嘉荟文化科技有限公司，佛山528000）

关健词：负离子瓷砖；诱生负离子；单组分气体影响

1 前言

“负离子”具有明确的定义，指的是分子或原子在外界环境作用下而携带额外的电子，从而形成的具有负电荷的离子[1]。可见，具有获得电子能力的分子或原子，都能形成相应的“负离子”，其中负氧离子是获得一个或多个电子的氧气离子，空气中对电子有亲和力的只有O2、H2O和CO2，而H2O和CO2所占甚微，因此空气中存在的负离子大部分是负氧离子[2]。

空气负离子产生的机理主要分两种：自然条件、人为条件。自然条件下促使中性分子电离的能量来源主要有：Lenard效应，瀑布、水浪等通过撞击电离周围的空气；宇宙射线和太阳紫外线等因素的影响发生电离，被释放出的电子经过地球吸收后再释放出来很快又和空气中的中性分子结合，而成为负离子，或称为阴离子，这也是自然界产生负离子的主要原因；其它如植物尖端放电及光合作用中的光电效应；大气和地壳中的放射性物质的作用等[3]。人工方式下产生空气负离子主要有：负离子发生器、天然矿物电气石、人工合成负离子发生材料[4-5]。

负离子是不稳定的，其存在时间非常短暂，空气中负离子浓度的多少，受地理条件等特殊性影响而含量不同，与上述负离子产生的原因对应，一般在公园、郊区田野、海滨、湖泊、瀑布附近和森林中负离子含量较多，而在居住、工作环境及一些市区公共场所，负离子含量很低[6]。负离子瓷砖已成为行业近两年的主流产品，研究负离子瓷砖对环境空气中负离子产生影响，测试各种不同单组分气体条件下负离子瓷砖产生空气负离子的效果对比影响有重要意义。

2 负离子动态性对比实验

2.1 仪器及测试条件

负离子瓷砖样品（广东特地陶瓷有限公司）；手持型FS9000型辐射仪；日本COM-3200PRO II空气负离子检测仪；自制带气压表封闭单组分气体测试箱；温湿度计。环境温度为26℃，环境相对湿度为48%，环境本底辐射剂量为 0.09 μSv/h。

2.2 样品

实验样品大理石、釉面砖、耐磨砖、仿古砖，四种釉料主要化学组成列于表1。

2.3 单组分气体测试

将上述四种负离子瓷砖依次放入测试箱，保持测试箱内的温湿度（环境温度26℃，相对湿度为48%），每隔5min记录负离子诱生量数值及辐射剂量。再取上述实验中诱生负离子效果最佳的负离子瓷砖样品，放入带气压表的封闭测试箱内，分别充入氮气、氧气、和水蒸汽，同时记录测试箱内的温湿度（T=26℃，相对湿度为48%）及负离子诱生量数值。

2.4 结果与分析

测试在特制的测试器皿中进行，分为器皿盖敞开的开放空间和关闭的相对封闭空间两种情况，探讨四种不同负离子瓷砖在空气中的诱发负离子作用效果（T=26℃，RH=48%），采用辐射计量器和空气离子测试仪对样品的测试结果见表2和图2。

图1 单组分气体测试箱外观图

图2 四种负离子瓷砖诱生效果对比图

表1 四种负离子瓷砖样品基础釉料组成（wt%）

表2 不同负离子瓷砖在空气中的作用效果

在同样样品和环境条件下，在相对密闭空间中所产生负离子数量均高于开放空间中，这同自然界中，自然条件下动态生成的负离子的高浓度向低浓度扩散变化性一致。

3 单组分气体负离子浓度对比实验

3.1 负离子瓷砖对氮气、氧气、水蒸汽单组分气体的对比分析

选取在上一组实验中诱生负离子效果最佳的4#样品，放入上述气体箱中进行单一及混合气体对比实验。选择空气中单组分的氮气、氧气和水蒸汽，分别测试负离子瓷砖的产生效果。

在N2和O2的测试之前先往器皿中通入约5 min的相应气体进行排空气，而后在实验设置的时间内进行辐射剂量率和负离子诱生量的测试，而通入水蒸汽的环境则相当于是（自然空气+水蒸汽）的混合状态。测试结果列于表3，数据对比效果见图3。

3.2 结果与分析

辐射剂量率的影响：由测试结果可知，无论有无负离子瓷砖，环境的辐射剂量率大小变化不大，均为0.08～0.10 μSv/h的环境本底辐射剂量，且此辐射剂量率在正常范围内（0.52 μSv/h，ICRP），负离子瓷砖的使用并未显著增加环境中的辐射剂量率。

图3 负离子瓷砖4#对不同气体的作用效果对比

在环境条件一致情况下，空气中三组分N2、O2、H2O三者中，H2O分子对诱发负离子作用效果最显著，利用加湿器产生水蒸汽的环境应该是（空气+水蒸汽）的混合气体环境。

表3 4#负离子瓷砖对单一及混合气体作用的效果

空气湿度（H2O）对诱发环境负离子的效果分析：在单独通入水蒸汽的实验条件下，未放置负离子瓷砖的空白实验中，负离子数测量值也高达 17000以上，且随着水蒸气的通入时间增加，封闭测试环境湿度由55%升至65%，负离子瓷砖诱发的负离子数测量值升至23600，远远高于表2中的空白对比实验数值。无负离子瓷砖诱发条件下负离子数随着湿度增加而显著增大，这是因为此时含有来自于加湿器中超声波作用的水分子所致，水分子在超声波的高频震荡作用下被雾化为微米大小的超微粒子，部分分子间氢键化学作用力被打断同时产生了相当数量的负离子。故而在实验中湿度增大后，所测空间中的负离子数量总体均是呈现增加的态势。

在加入水蒸汽后，（N2+H2O）以及（O2+H2O）的混合气体环境下（RH分别为55%和65%），空间中负离子数量均少于单一通入水蒸汽空间（空气+H2O）的负离子数量。当通入混合气体时，由于水蒸气的体积百分比较单一水蒸气情况有所下降，故此时负离子瓷砖诱发的负离子数略小于通入水蒸汽环境的负离子数，但随着混合气体的通入时间增加，环境相对湿度增大，其产生的负离子的数量均呈现上升趋势。

实验中的数据却表明，同一负离子瓷砖样品在（空气+H2O）条件大于（N2+H2O）及（O2+H2O）条件下的负离子数量，且（空气+H2O）与（N2+H2O）混合气体环境中两者的负离子数值更为接近，这与空气中N2为主要成分（占78wt%）的特征是相符的。出现这些现象的原因，一方面可能是由于通入（N2+H2O）和混合（O2+H2O）气体的时候只通过阀门压力控制，由于N2分子量比O2小，在相同压力条件下相同时间内进入测试箱的N2分子数量大于O2，故而导致负离子数量增加；另一方面也与前述理论及实验现象一致，即纯氧（单一O2分子）的条件下并不利于空气负离子的产生。

值得一提的是，将含有水蒸汽的混合气体（O2+H2O）与（N2+H2O）中产生的负离子数量，对比空白实验（空气+H2O）的负离子数，得到的差值列于（表3）最右一列，可以发现，这些数值比正常空气状态下的数值略高。实验中对比同一块4#负离子瓷砖，测试其湿布擦拭前后空气中负离子数量的变化，测试结果发现，湿布擦拭负离子瓷砖表面后即刻测试所得的空气中负离子数量显著高于差值之前的值，这说明即使不是超声波的影响，仅在湿润的条件下，负离子瓷砖表面的水分子挥发，也能有效诱发更多的空气负离子。

4 结论

负离子瓷砖能显著提高封闭空间及环境空间的空气负离子量。负离子瓷砖在产生负离子的过程中，并不会显著增加环境中的辐射剂量。实验证明，在空气的各组成成分中，H2O对负离子诱生量影响最大，在没有水分子分解提供带电电荷情况下，纯组分氮气及氧气自身分解电荷产生负离子几率很小。