جوهر فرآیندهای یونیزاسیون و تحریک اتم ها. کاربرد یونیزاسیون برای حذف ترکیبات آلی فرار (VOCs) از هوا نمایش فرآیند یونیزاسیون الکترون های جفت نشده

الکترون های جفت شده

اگر در یک اوربیتال یک الکترون وجود داشته باشد به آن می گویند جفت نشده،و اگر دو نفر هستند، پس این الکترون های جفت شده.

چهار عدد کوانتومی n، l، m، m s وضعیت انرژی یک الکترون در یک اتم را کاملا مشخص می کند.

هنگام در نظر گرفتن ساختار پوسته الکترونی اتم های چند الکترونی عناصر مختلف، لازم است سه شرط اصلی را در نظر بگیریم:

· اصل پائولی،

· اصل کمترین انرژی،

قانون هوند.

مطابق با اصل پائولی یک اتم نمی تواند دو الکترون با مقادیر یکسان هر چهار عدد کوانتومی داشته باشد.

اصل پائولی حداکثر تعداد الکترون ها را در یک اوربیتال، سطح و زیرسطح تعیین می کند. از آنجایی که AO با سه عدد کوانتومی مشخص می شود n, ل, متر، سپس الکترون های یک اوربیتال معین فقط می توانند در عدد کوانتومی اسپین متفاوت باشند ام‌اس. اما عدد کوانتومی اسپین ام‌اسفقط می تواند دو مقدار + 1/2 و – 1/2 داشته باشد. در نتیجه، یک اوربیتال نمی تواند بیش از دو الکترون با مقادیر مختلف اعداد کوانتومی اسپین داشته باشد.

برنج. 4.6. حداکثر ظرفیت یک اوربیتال 2 الکترون است.

حداکثر تعداد الکترون ها در سطح انرژی 2 تعریف می شود n 2 و در سطح فرعی - مانند 2(2 ل+ 1). حداکثر تعداد الکترون های واقع در سطوح و زیرسطوح های مختلف در جدول آورده شده است. 4.1.

جدول 4.1.

حداکثر تعداد الکترون ها در سطوح کوانتومی و سطوح فرعی

سطح انرژی	زیرسطح انرژی	مقادیر احتمالی عدد کوانتومی مغناطیسی متر	تعداد اوربیتال ها در هر	حداکثر تعداد الکترون در هر
زیرسطح	مرحله	زیرسطح	مرحله
ک (n=1)	س (ل=0)
L (n=2)	س (ل=0) پ (ل=1)	–1, 0, 1
م (n=3)	س (ل=0) پ (ل=1) د (ل=2)	–1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2
ن (n=4)	س (ل=0) پ (ل=1) د (ل=2) f (ل=3)	–1, 0, 1 –2, –1, 0, 1, 2 –3, –2, –1, 0, 1, 2, 3

دنباله پر شدن اوربیتال ها با الکترون مطابق با انجام می شود اصل کمترین انرژی .

بر اساس اصل حداقل انرژی، الکترون ها اوربیتال ها را به ترتیب افزایش انرژی پر می کنند.

ترتیب پر شدن اوربیتال ها مشخص می شود قانون کلچکوفسکی: افزایش انرژی و بر این اساس پر شدن اوربیتال ها به ترتیب افزایشی مجموع اعداد کوانتومی اصلی و مداری (n + l) اتفاق می افتد و اگر مجموع برابر باشد (n + l) - به ترتیب افزایشی اعداد اصلی. عدد کوانتومی n.

به عنوان مثال، انرژی یک الکترون در سطح فرعی 4s کمتر از سطح فرعی 3 است د، از آنجایی که در مورد اول مقدار n+ l = 4 + 0 = 4 (به یاد بیاورید که برای س-مقدار زیرسطحی عدد کوانتومی مداری ل= = 0)، و در دوم n+ l = 3 + 2 = 5 ( د- سطح فرعی، ل= 2). بنابراین ابتدا زیرسطح 4 پر می شود سو سپس 3 د(شکل 4.8 را ببینید).

در 3 سطح فرعی د (n = 3, ل = 2) , 4آر (n = 4, ل= 1) و 5 س (n = 5, ل= 0) مجموع مقادیر پو لیکسان و برابر با 5 هستند. در صورت مساوی بودن مقادیر مجموع nو لابتدا سطح فرعی با حداقل مقدار پر می شود n، یعنی زیرسطح 3 د.

مطابق با قانون کلچکوفسکی، انرژی اوربیتال های اتمی در سری افزایش می یابد:

1س < 2س < 2آر < 3س < 3آر < 4س < 3د < 4آر < 5س < 4د < 5پ < 6س < 5د »

"4 f < 6پ < 7س….

بسته به اینکه کدام سطح فرعی در اتم آخرین پر شده باشد، تمام عناصر شیمیایی به دو دسته تقسیم می شوند 4 خانواده الکترونیکی : عناصر s-, p-, d-, f.

4 4d

3 4s

3پ

3س

1 2س

سطوح زیرسطوح

برنج. 4.8. انرژی اوربیتال های اتمی

عناصری که اتم های آنها آخرین اتم هایی هستند که زیرسطح s سطح بیرونی را پر می کنند نامیده می شوند عناصر s . U س-عناصر ظرفیتی، الکترون های s سطح انرژی بیرونی هستند.

U عناصر p زیر لایه p لایه بیرونی آخرین بار پر می شود. الکترون های ظرفیت آنها روی آن قرار دارند پ- و س-سطوح فرعی سطح خارجی. U د-عناصر در آخر پر می شوند د-سطح فرعی سطح ماقبل بیرونی و ظرفیت هستند س-الکترون های خارجی و د-الکترون های سطوح انرژی قبل از خارج.

U عناصر f آخرین پر شدن f-سطح فرعی سومین سطح انرژی بیرونی.

ترتیب قرارگیری الکترون در یک زیرسطح تعیین می شود قانون هاند:

در یک سطح فرعی، الکترون ها به گونه ای قرار می گیرند که مجموع اعداد کوانتومی اسپین آنها حداکثر مقدار مطلق را داشته باشد.

به عبارت دیگر، اوربیتال‌های یک سطح فرعی معین ابتدا توسط یک الکترون با همان مقدار عدد کوانتومی اسپین و سپس توسط الکترون دوم با مقدار مخالف پر می‌شوند.

به عنوان مثال، اگر لازم باشد 3 الکترون در سه سلول کوانتومی توزیع شود، هر یک از آنها در یک سلول جداگانه قرار می گیرند، یعنی. مداری جداگانه را اشغال کنید:

∑ام‌اس= ½ – ½ + ½ = ½.

ترتیب توزیع الکترون بین سطوح انرژی و سطوح فرعی در پوسته اتم، پیکربندی الکترونیکی آن یا فرمول الکترونیکی نامیده می شود. آهنگسازی پیکربندی الکترونیکیعدد سطح انرژی (عدد کوانتومی اصلی) با اعداد 1، 2، 3، 4...، زیرسطح (عدد کوانتومی مداری) - با حروف مشخص می شود. س, پ, د, f. تعداد الکترون ها در یک سطح فرعی با عددی نشان داده می شود که در بالای نماد سطح فرعی نوشته شده است.

پیکربندی الکترونیکی یک اتم را می توان به اصطلاح به تصویر کشید فرمول گرافیکی الکترونی. این نموداری از آرایش الکترون ها در سلول های کوانتومی است که نمایشی گرافیکی از یک اوربیتال اتمی هستند. هر سلول کوانتومی نمی تواند بیش از دو الکترون با اعداد کوانتومی اسپینی متفاوت داشته باشد.

برای ایجاد فرمول الکترونیکی یا گرافیکی الکترونیکی برای هر عنصر، باید بدانید:

1. شماره سریال عنصر، i.e. بار هسته آن و تعداد متناظر الکترون در اتم.

2. عدد دوره، که تعداد سطوح انرژی اتم را تعیین می کند.

3. اعداد کوانتومی و ارتباط بین آنها.

به عنوان مثال، یک اتم هیدروژن با عدد اتمی 1 دارای 1 الکترون است. هیدروژن عنصری از دوره اول است، بنابراین تنها الکترون که در اولین سطح انرژی قرار دارد را اشغال می کند. ساوربیتال دارای کمترین انرژی است. فرمول الکترونیکی اتم هیدروژن به صورت زیر خواهد بود:

1 N 1 س 1 .

فرمول گرافیکی الکترونیکی هیدروژن به صورت زیر خواهد بود:

فرمول های الکترونیکی و گرافیکی اتم هلیوم:

2 نه 1 س 2

2 نه 1 س

منعکس کننده کامل بودن پوسته الکترونیکی است که پایداری آن را تعیین می کند. هلیم یک گاز نجیب است که با پایداری شیمیایی بالا (بی اثری) مشخص می شود.

اتم لیتیوم 3 Li دارای 3 الکترون است، این عنصر از دوره II است، به این معنی که الکترون ها در 2 سطح انرژی قرار دارند. دو الکترون پر می شود س- تراز فرعی اولین تراز انرژی و الکترون سوم روی آن قرار دارد س- سطح فرعی سطح انرژی دوم:

3 لی 1 س 2 2س 1

والانس I

اتم لیتیوم دارای الکترونی است که در 2 قرار دارد س-زیرسطح، نسبت به الکترون های اولین سطح انرژی به هسته محدودتر است، بنابراین، در واکنش های شیمیایی، یک اتم لیتیوم می تواند به راحتی این الکترون را رها کند و به یون Li + تبدیل شود. و او -ذره باردار الکتریکی ). در این مورد، یون لیتیوم یک پوسته کامل پایدار از گاز نجیب هلیوم به دست می آورد:

3 Li + 1 س 2 .

لازم به ذکر است که، تعداد الکترون های جفت نشده (تک) تعیین می کندظرفیت عنصر ، یعنی توانایی آن در ایجاد پیوندهای شیمیایی با عناصر دیگر.

بنابراین، یک اتم لیتیوم دارای یک الکترون جفت نشده است که ظرفیت آن را برابر با یک تعیین می کند.

فرمول الکترونیکی اتم بریلیم:

4 1s 2 2s 2 باشید.

فرمول گرافیکی الکترونی اتم بریلیم:

2 والانس عمدتا

حالت 0 است

بریلیم دارای الکترون های زیر سطح 2 است که راحت تر از سایرین جدا می شوند. س 2، تشکیل یون Be +2:

می توان اشاره کرد که اتم هلیوم و یون های لیتیوم 3 Li + و بریلیم 4 Be + 2 ساختار الکترونیکی یکسانی دارند، یعنی. مشخص می شود ساختار ایزوالکترونیک

ساختار یک اتم شعاع، انرژی یونیزاسیون، میل ترکیبی الکترون، الکترونگاتیوی و سایر پارامترهای اتم را تعیین می کند. پوسته های الکترونیکی اتم ها خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و مهمتر از همه خواص شیمیایی اتم ها و مولکول ها و همچنین بیشتر خواص جامدات را تعیین می کنند.

ویژگی های مغناطیسی اتم

الکترون خود را دارد لحظه مغناطیسی، که در جهت موازی یا مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده کوانتیزه می شود. اگر دو الکترون که اوربیتال یکسانی را اشغال می کنند دارای اسپین های مخالف باشند (طبق اصل پائولی)، آنگاه یکدیگر را خنثی می کنند. در این حالت می گوییم که الکترون ها جفت شده است. اتم هایی که فقط الکترون های جفت دارند از میدان مغناطیسی رانده می شوند. چنین اتمی نامیده می شود دیامغناطیسی. اتم هایی که یک یا چند الکترون جفت نشده دارند به میدان مغناطیسی کشیده می شوند. به آنها دیامغناطیس می گویند.

گشتاور مغناطیسی یک اتم، که شدت برهمکنش اتم با میدان مغناطیسی را مشخص می کند، عملاً با تعداد الکترون های جفت نشده متناسب است.

ویژگی های ساختار الکترونیکی اتم های عناصر مختلف در ویژگی های انرژی مانند انرژی یونیزاسیون و میل الکترونی منعکس می شود.

انرژی یونیزاسیون

انرژی (پتانسیل) یونیزاسیون یک اتم E منحداقل انرژی لازم برای حذف یک الکترون از اتم تا بی نهایت مطابق معادله است

X = X + + ه −

مقادیر آن برای اتم های تمام عناصر جدول تناوبی شناخته شده است. به عنوان مثال، انرژی یونیزاسیون یک اتم هیدروژن با انتقال یک الکترون از 1 مطابقت دارد س-سطح فرعی انرژی (-1312.1 کیلوژول بر مول) به زیرسطح با انرژی صفر و برابر با 1312.1 کیلوژول بر مول است.

در تغییر اولین پتانسیل یونیزاسیون مربوط به حذف یک الکترون از اتم ها، تناوب به وضوح با افزایش عدد اتمی بیان می شود:

هنگام حرکت از چپ به راست در طول یک دوره، انرژی یونیزاسیون، به طور کلی، به تدریج افزایش می یابد؛ با افزایش عدد اتمی در گروه، کاهش می یابد. فلزات قلیایی دارای حداقل پتانسیل یونیزاسیون اول و گازهای نجیب حداکثر هستند.

برای همان اتم، انرژی های یونیزاسیون دوم، سوم و بعدی همیشه افزایش می یابد، زیرا یک الکترون باید از یک یون با بار مثبت حذف شود. به عنوان مثال، برای یک اتم لیتیوم، انرژی های یونیزاسیون اول، دوم و سوم به ترتیب 520.3، 7298.1 و 11814.9 کیلوژول بر مول هستند.

توالی انتزاع الکترون معمولاً دنباله معکوس پر شدن اوربیتال ها با الکترون مطابق با اصل حداقل انرژی است. با این حال، عناصری که پر شده اند د-اوربیتال ها استثنا هستند - اول از همه، آنها از دست نمی دهند د-، آ س-الکترون ها

میل الکترونی

میل ترکیبی الکترون اتمی آ e توانایی اتم ها برای اتصال یک الکترون اضافی و تبدیل شدن به یون منفی است. معیاری برای سنجش تمایل الکترون، انرژی آزاد شده یا جذب شده است. میل ترکیبی الکترون برابر با انرژی یونیزاسیون یون منفی X - است:

X - = X + ه −

اتم های هالوژن بیشترین میل الکترونی را دارند. به عنوان مثال، برای یک اتم فلوئور، افزودن یک الکترون با آزاد شدن 327.9 کیلوژول بر مول انرژی همراه است. برای تعدادی از عناصر، میل ترکیبی الکترون نزدیک به صفر یا منفی است، که به معنای عدم وجود آنیون پایدار برای این عنصر است.

به طور معمول، میل الکترونی اتم های عناصر مختلف به موازات افزایش انرژی یونیزاسیون آنها کاهش می یابد. با این حال، استثناهایی برای برخی از جفت عناصر وجود دارد:

عنصر	Eمن، kJ/mol	آ ه، kJ/mol
اف	1681	−238
Cl	1251	−349
ن	1402	7
پ	1012	−71
O	1314	−141
اس	1000	−200

توضیحی برای این موضوع می توان بر اساس اندازه های کوچکتر اتم های اول و دافعه الکترون-الکترون بیشتر در آنها ارائه داد.

الکترونگاتیوی

الکترونگاتیوی توانایی یک اتم یک عنصر شیمیایی برای تغییر یک ابر الکترونی در جهت آن هنگام تشکیل یک پیوند شیمیایی (به سمت عنصری با الکترونگاتیوی بالاتر) را مشخص می کند. فیزیکدان آمریکایی مولیکن تعریف الکترونگاتیوی را به عنوان میانگین حسابی بین پتانسیل یونیزاسیون و میل الکترونی پیشنهاد کرد:

χ = 1/2 ( Eمن + آ ه)

مشکل در استفاده از این روش این است که قرابت الکترون برای همه عناصر شناخته شده نیست.

کشف رادیواکتیویته پیچیدگی ساختار نه تنها اتم ها، بلکه هسته های آنها را نیز تایید کرد. در سال 1903، E. Rutherford و F. Soddy نظریه ای در مورد واپاشی رادیواکتیو ارائه کردند که به طور اساسی دیدگاه های قدیمی در مورد ساختار اتم ها را تغییر داد. بر اساس این نظریه، عناصر رادیواکتیو خود به خود تجزیه می‌شوند و ذرات α یا β آزاد می‌کنند و اتم‌های عناصر جدیدی را تشکیل می‌دهند که از نظر شیمیایی با عناصر اصلی متفاوت هستند. در همان زمان، پایداری جرم اتم های اصلی و اتم هایی که در نتیجه فرآیند فروپاشی تشکیل شده اند حفظ می شود. ای. رادرفورد در سال 1919 اولین کسی بود که تحول مصنوعی هسته ها را مطالعه کرد. در طی بمباران اتم های نیتروژن با ذرات α، او هسته های اتم های هیدروژن (پروتون ها) و اتم های هسته اکسیژن را جدا کرد. چنین دگرگونی هایی را واکنش های هسته ای می نامند، زیرا از هسته اتم های یک عنصر، هسته اتم های عناصر دیگر به دست می آید. واکنش های هسته ای با استفاده از معادلات نوشته می شوند. بنابراین، واکنش هسته ای مورد بحث در بالا را می توان به صورت زیر نوشت:

پدیده رادیواکتیویته را می توان با استفاده از مفهوم ایزوتوپ تعریف کرد: رادیواکتیویته تبدیل هسته های ناپایدار اتم های یک عنصر شیمیایی به هسته اتم های یک عنصر دیگر است که با آزاد شدن ذرات بنیادی همراه است. رادیواکتیویته ای که ایزوتوپ های عناصر موجود در طبیعت نشان می دهند رادیواکتیویته طبیعی نامیده می شود. سرعت تبدیل های رادیواکتیو برای ایزوتوپ های مختلف متفاوت است. مشخصه آن یک ثابت واپاشی رادیواکتیو است که نشان می دهد چند اتم از یک هسته رادیواکتیو در 1 ثانیه تجزیه می شود. مشخص شده است که تعداد اتم های یک هسته رادیواکتیو که در واحد زمان تجزیه می شود با تعداد کل اتم های این هسته متناسب است و به مقدار ثابت واپاشی رادیواکتیو بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر در طول یک دوره معین، نیمی از تعداد کل اتم های یک هسته رادیواکتیو تجزیه شود، در چنین دوره بعدی، نیمی از باقیمانده، یعنی نصف دوره قبل و غیره، تجزیه می شود.

طول عمر یک هسته رادیواکتیو با نیمه عمر آن مشخص می شود، یعنی دوره زمانی که در طی آن نیمی از مقدار اولیه این هسته تجزیه می شود. به عنوان مثال، نیمه عمر رادون 3.85 روز، رادیوم - 1620 سال، اورانیوم - 4.5 میلیارد سال است. این نوع تبدیلات رادیواکتیو شناخته شده اند: واپاشی α، فروپاشی β، شکافت هسته ای خود به خود (غیر عمدی). این نوع تبدیلات رادیواکتیو با انتشار ذرات α، الکترون ها، پوزیترون ها و پرتوهای γ همراه است. در فرآیند واپاشی α، هسته یک اتم عنصر رادیواکتیو، هسته یک اتم هلیوم را آزاد می کند، در نتیجه بار هسته یک اتم عنصر رادیواکتیو اولیه دو واحد کاهش می یابد و عدد جرمی در چهار به عنوان مثال، تبدیل یک اتم رادیوم به یک اتم رادون را می توان با معادله نوشت

واکنش هسته ای واپاشی β، که با آزاد شدن الکترون ها، پوزیترون ها یا حباب الکترون های مداری همراه است، نیز می تواند توسط این معادله نوشته شود.

جایی که e یک الکترون است. hν - کوانتوم تابش γ. ν o - پادنوترینو (ذره ای بنیادی که جرم و بار سکون آن برابر با صفر است).

احتمال واپاشی β به این دلیل است که مطابق با مفاهیم مدرن، یک نوترون می تواند تحت شرایط خاصی به پروتون تبدیل شود و یک الکترون و یک پادنوترینو آزاد کند. یک پروتون و یک نوترون دو حالت یک ذره هسته ای هستند - نوکلئون. این فرآیند را می توان با یک نمودار نشان داد

نوترون -> پروتون + الکترون + آنتی نوترینو

در طی واپاشی β اتم های یک عنصر رادیواکتیو، یکی از نوترون هایی که بخشی از هسته اتم است، یک الکترون و یک آنتی نوترینو آزاد می کند و به پروتون تبدیل می شود. در این حالت بار مثبت هسته یک عدد افزایش می یابد. این نوع واپاشی رادیواکتیو واپاشی الکترون (β - واپاشی) نامیده می شود. بنابراین، اگر هسته یک اتم یک عنصر رادیواکتیو یک ذره α آزاد کند، نتیجه هسته یک اتم یک عنصر جدید با عدد پروتون دو واحد کمتر است و زمانی که یک ذره β آزاد شود، هسته یک اتم جدید با پروتون شماره یک بزرگتر از اتم اصلی به دست می آید. این اصل قانون جابجایی سودی فجانس است. هسته های اتمی برخی ایزوتوپ های ناپایدار می توانند ذراتی را آزاد کنند که دارای بار مثبت +1 و جرمی نزدیک به جرم الکترون هستند. این ذره پوزیترون نامیده می شود. بنابراین، تبدیل احتمالی یک پروتون به یک نوترون مطابق نمودار است:

پروتون → نوترون + پوزیترون + نوترینو

تبدیل یک پروتون به یک نوترون تنها در صورتی مشاهده می شود که ناپایداری هسته ناشی از محتوای اضافی پروتون در آن باشد. سپس یکی از پروتون ها به نوترون تبدیل می شود و پوزیترون و نوترینویی که در این مورد به وجود می آیند از مرزهای هسته خارج می شوند. بار هسته ای یک بار کاهش می یابد. به این نوع واپاشی رادیواکتیو، واپاشی پوزیترون (β+-واپاشی) می گویند. بنابراین، به دلیل واپاشی β هسته یک اتم یک عنصر رادیواکتیو، اتمی از عنصر به دست می‌آید که یک جا به راست (β-واپاشی) یا به چپ (β+-واپاشی) منتقل می‌شود. عنصر رادیواکتیو اصلی کاهش بار هسته ای یک اتم رادیواکتیو توسط یک می تواند نه تنها در اثر واپاشی β+، بلکه در اثر کشش الکترون نیز ایجاد شود، در نتیجه یکی از الکترون های توپ الکترونی نزدیک به هسته توسط هسته گرفته می شود. . این الکترون با یکی از پروتون های هسته یک نوترون تشکیل می دهد: e - + p → n

تئوری ساختار هسته اتم در دهه 30 قرن بیستم توسعه یافت. دانشمندان اوکراینی D.D. ایواننکو و ای.ام. گاپون و همچنین دانشمند آلمانی دبلیو هایزنبرگ. بر اساس این نظریه، هسته اتم ها از پروتون های با بار مثبت و نوترون های الکتریکی خنثی تشکیل شده است. جرم نسبی این ذرات بنیادی تقریباً یکسان است (جرم پروتون 1.00728، جرم نوترون 1.00866). پروتون ها و نوترون ها (نوکلئون ها) توسط نیروهای هسته ای بسیار قوی در هسته قرار دارند. نیروهای هسته ای فقط در فواصل بسیار کوچک - در مرتبه 10 تا 15 متر - عمل می کنند.

انرژی ای که در هنگام تشکیل یک هسته از پروتون ها و نوترون ها آزاد می شود، انرژی پیوند هسته نامیده می شود و مشخصه پایداری آن است.

و ذرات معلق ریز (PM)

فرآیندهای یونیزاسیون هوای کنترل شده منجر به کاهش قابل توجه تعداد میکروب ها، خنثی سازی بوها و کاهش محتوای برخی از ترکیبات آلی فرار (VOCs) در هوای داخلی می شود. راندمان حذف مواد جامد معلق ریز (گرد و غبار) با استفاده از فیلترهای با راندمان بالا نیز با استفاده از یونیزاسیون هوا بهبود می یابد. فرآیند یونیزاسیون شامل تشکیل یون های هوا، از جمله سوپر اکسید O2.- (یون رادیکال دو اتمی اکسیژن)، که به سرعت با VOC های موجود در هوا و ذرات معلق (PM) واکنش می دهد. اهمیت شیمی یونیزاسیون هوا و پتانسیل آن برای بهبود قابل توجه کیفیت هوای داخلی با استفاده از مثال‌های تجربی خاص مورد بحث قرار می‌گیرد. .

پدیده‌های یونیزاسیون مرتبط با یون‌ها، رادیکال‌ها و مولکول‌های فعال شیمیایی در زمینه‌های مختلف هواشناسی، اقلیم‌شناسی، شیمی، فیزیک، فناوری، فیزیولوژی و بهداشت شغلی یافت می‌شوند. پیشرفت های اخیر در یونیزاسیون هوای مصنوعی، همراه با علاقه فزاینده به حذف VOCs و PM از هوا، منجر به توسعه فناوری های پیشرفته برای بهبود کیفیت هوای داخلی شده است. این مقاله درک درستی از خواص فیزیکی و شیمیایی یون های هوا ارائه می دهد و سپس استفاده از یونیزاسیون برای تصفیه هوا و حذف VOC و PM از آن را توصیف می کند.

ویژگی های فیزیکی یون های هوا.

بیشتر مواد موجود در کیهان یونیزه می شوند. در خلاء عمیق فضا، اتم ها و مولکول ها در حالت انرژی برانگیخته هستند و دارای بار الکتریکی هستند. در حالی که در زمین و جو زمین بیشتر مواد یونیزه نیستند. یک منبع انرژی به اندازه کافی قدرتمند برای یونیزاسیون و جداسازی بار مورد نیاز است. این می تواند منشا طبیعی یا مصنوعی (انسان زایی) داشته باشد و می تواند در نتیجه فرآیندهای هسته ای، حرارتی، الکتریکی یا شیمیایی آزاد شود. برخی از منابع انرژی عبارتند از: تابش کیهانی، تابش یونیزه کننده (هسته ای) از منابع زمینی، اشعه ماوراء بنفش، بار ناشی از اصطکاک باد، فروپاشی قطرات آب (آبشار، باران)، تخلیه الکتریکی (رعد و برق)، احتراق (آتش سوزی، جت های گاز سوز، موتورها) و میدان های الکتریکی قوی (تخلیه کرونا).

تأثیر انسان بر میزان یون های موجود در محیط:

● در طی فرآیند احتراق، هم یون ها و هم ذرات معلق به طور همزمان تشکیل می شوند. دومی، به عنوان یک قاعده، یون ها را جذب می کند، به عنوان مثال، در هنگام سیگار کشیدن یا سوزاندن شمع.

● در داخل خانه، وسایل مصنوعی و تهویه مصنوعی می توانند تعداد ذرات باردار موجود در هوا را کاهش دهند.

● خطوط برق جریان های یونی تولید می کنند. نمایشگرهای ویدئویی منجر به کاهش تعداد آنها می شود.

● دستگاه های مخصوص برای تصفیه هوا یا خنثی سازی شارژ آن یون تولید می کنند.

دستگاه های طراحی شده ویژه برای یونیزاسیون هوای مصنوعی نسبت به فرآیندهای طبیعی قابل کنترل تر هستند. پیشرفت‌های اخیر در ژنراتورهای یونی بزرگ منجر به در دسترس بودن تجاری ماژول‌های کم‌مصرف انرژی شده است که قادر به تولید یون‌های مورد نظر به شیوه‌ای کنترل‌شده با حداقل مقادیر فرآورده‌های جانبی مانند ازن هستند. ژنراتورهای یون در کنترل بار سطحی ساکن کاربرد پیدا کرده اند. یونیزه کننده های هوا (ژنراتورهای یون) به طور فزاینده ای برای تصفیه هوای داخل خانه استفاده می شوند.

یونیزاسیون فرآیند یا نتیجه فرآیندی است که طی آن یک اتم یا مولکول الکتریکی خنثی بار مثبت یا منفی پیدا می کند. هنگامی که یک اتم انرژی اضافی را جذب می کند، یونیزاسیون اتفاق می افتد و در نتیجه یک الکترون آزاد و یک اتم با بار مثبت ایجاد می شود. اصطلاح "یون هوا" به طور کلی به تمام ذرات هوا اطلاق می شود که دارای بار الکتریکی هستند و حرکت آنها وابسته به میدان های الکتریکی است.

دگرگونی های شیمیایی یون های هوا، چه طبیعی و چه به صورت مصنوعی، به ترکیب محیط، به ویژه به نوع و غلظت ناخالصی های گاز بستگی دارد. وقوع واکنش‌های خاص به ویژگی‌های فیزیکی اتم‌ها و مولکول‌های منفرد بستگی دارد، مانند پتانسیل یونیزاسیون، میل الکترونی، میل پروتون، گشتاور دوقطبی، قطبش پذیری و واکنش پذیری. یون های مثبت اصلی N 2 + , O 2 + , N + و O + خیلی سریع (در میلیونم ثانیه) به هیدرات های پروتونه تبدیل می شوند ، در حالی که الکترون های آزاد به اکسیژن متصل می شوند و یون رادیکال سوپراکسید 3 O 2 .- را تشکیل می دهند. همچنین می تواند هیدرات تشکیل دهد. این واسطه ها (ذرات میانی) در مجموع «یون های خوشه ای» نامیده می شوند.

سپس یون های خوشه ای می توانند با ناخالصی های فرار یا ذرات معلق واکنش دهند. یک یون خوشه در طول عمر کوتاه خود (حدود یک دقیقه)، می تواند تا 1000000000000 بار با مولکول های هوا در حالت پایه برخورد کند (10 12). برای جداسازی و شناسایی طیف های شیمیایی از فرآیندهای شیمیایی، هسته ای، فوتو و الکترویونیزاسیون استفاده می شود. تفکیک مولکول ها و واکنش ها در فاز گاز و روی سطح ذرات جامد به طور قابل توجهی طرح های واکنش عمومی را در رسانه های واقعی پیچیده می کند. خواص یون ها به دلیل واکنش های شیمیایی مداوم، بازآرایی های مولکولی، تشکیل خوشه های یونی مولکولی و ذرات باردار دائما در حال تغییر است. هیدرات های پروتون دار می توانند تا 1 نانومتر (0.001 میکرومتر) قطر داشته باشند و دارای تحرک 1-2 سانتی متر بر ولت بر ثانیه باشند. اندازه خوشه های یونی حدود 0.01-0.1 نانومتر است و تحرک آنها 0.3-1·10 -6 m2 /V s است. ذرات دوم از نظر اندازه بزرگتر هستند، اما مرتبه ای کم تحرک هستند. برای مقایسه، اندازه متوسط قطرات مه یا ذرات غبار تا 20 میکرون است.

حضور ترکیبی یون‌ها و الکترون‌ها منجر به ظهور یک بار فضایی، یعنی وجود یک بار جبران‌نشده آزاد در جو می‌شود. چگالی فضایی بار مثبت و منفی را می توان اندازه گیری کرد. در هوای صاف در سطح دریا، غلظت یون های هر دو قطبی حدود 200-3000 یون در سانتی متر مکعب است. تعداد آنها به طور قابل توجهی در هنگام باران و رعد و برق به دلیل فعال شدن طبیعی افزایش می یابد: غلظت یون های منفی به 14000 یون در سانتی متر مکعب و یون های مثبت به 7000 یون در سانتی متر مکعب افزایش می یابد. نسبت یون های مثبت به منفی معمولاً 1.1-1.3 است که در شرایط آب و هوایی خاص به 0.9 کاهش می یابد. کشیدن یک نخ سیگار تعداد یون های موجود در هوای اتاق را به 100-10 یون در سانتی متر مکعب کاهش می دهد.

یون ها و خوشه های یونی فرصت های زیادی برای برخورد و واکنش با هر گونه ناخالصی هوا، یعنی اساساً با تمام اجزای جو دارند. آنها در نتیجه واکنش با سایر اجزای فرار یا با اتصال به ذرات بزرگتر از طریق بار انتشار و بار میدانی از جو ناپدید می شوند. هرچه غلظت آنها بیشتر باشد، طول عمر یون ها کوتاه تر است (و بالعکس، در غلظت های کمتر طول عمر بیشتر است، زیرا احتمال برخورد کمتر است). طول عمر یون های هوا به طور مستقیم به رطوبت، دما و غلظت نسبی آثار مواد فرار و ذرات معلق بستگی دارد. طول عمر معمول یون های طبیعی در هوای پاک 100-1000 ثانیه است.

شیمی یونهای هوا

اکسیژن برای همه اشکال حیات ضروری است. با این حال، یک تعادل پویا بین تشکیل اکسیژن لازم برای زندگی از یک سو و محافظت در برابر اثرات سمی آن از سوی دیگر وجود دارد. 4 حالت اکسیداسیون شناخته شده برای اکسیژن مولکولی [O 2 ] n وجود دارد که n = 0، +1، -1، -2، به ترتیب برای مولکول اکسیژن، کاتیون، یون سوپراکسید و آنیون پراکسید (نوشته شده به عنوان 3 O 2، 3 O 2.+، 3 O 2.- و 3 O 2 -2). علاوه بر این، اکسیژن "معمولی" در هوا 3 O 2 در حالت "زمینی" (از لحاظ انرژی تحریک نشده) است. این یک "بی رادیکال" آزاد با دو الکترون جفت نشده است. در اکسیژن، دو جفت الکترون در لایه بیرونی دارای اسپین های موازی هستند که حالت سه گانه را نشان می دهد (بالانویس 3، اما معمولاً برای سادگی از آن حذف می شود). خود اکسیژن معمولاً گیرنده نهایی الکترون در فرآیندهای بیوشیمیایی است. از نظر شیمیایی خیلی فعال نیست و خود سیستم های زیستی را با اکسیداسیون از بین نمی برد. با این حال، پیش ساز سایر اشکال اکسیژن است که می تواند سمی باشد، مانند یون رادیکال سوپراکسید، رادیکال هیدروکسیل، رادیکال پراکسید، رادیکال آلکوکسی و پراکسید هیدروژن. مولکول های فعال شیمیایی دیگر شامل اکسیژن 1 O 2 و ازن O 3 هستند.

اکسیژن در حالت عادی خود با اکثر مولکول ها واکنش ضعیفی نشان می دهد، اما می توان آن را با دادن انرژی اضافی (طبیعی یا مصنوعی، الکتریکی، حرارتی، فتوشیمیایی یا هسته ای) و تبدیل آن به گونه های اکسیژن فعال (ROS) "فعال کرد". تبدیل اکسیژن به حالت واکنشی با افزودن یک الکترون را کاهش می گویند (معادله 1). مولکول دهنده ای که یک الکترون اهدا می کند اکسید می شود. نتیجه این کاهش جزئی اکسیژن سه گانه سوپراکسید O 2 ·- است. هم یک رادیکال (که با یک نقطه مشخص می شود) و هم یون (بار -1) است.

O 2 + e - → O 2 .- (1)

یون رادیکال سوپراکسید مهمترین رادیکال تولید شده در بدن انسان است: یک فرد بالغ با وزن 70 کیلوگرم حداقل 10 کیلوگرم (!) از آن را در سال سنتز می کند. تقریباً 98٪ از اکسیژن مصرف شده توسط تنفس میتوکندری به آب تبدیل می شود و 2٪ باقی مانده به سوپراکسید تبدیل می شود که در نتیجه واکنش های نامطلوب در سیستم تنفسی ایجاد می شود. سلول های انسانی به طور مداوم سوپر اکسید (و مولکول های فعال شیمیایی ناشی از آن) را به عنوان یک "آنتی بیوتیک" علیه میکروارگانیسم های خارجی تولید می کنند. بیولوژی یون های هوا و رادیکال های اکسیژن توسط کروگر و رید، 1976 بررسی شده است. سوپراکسید همچنین به عنوان یک مولکول سیگنال برای تنظیم بسیاری از فرآیندهای سلولی همراه با NO عمل می کند. . تحت شرایط بیولوژیکی، با خود واکنش نشان می دهد و در واکنش 2، پراکسید هیدروژن و اکسیژن تشکیل می دهد که به عنوان واکنش جهش شناخته می شود. این می تواند خود به خود یا توسط آنزیم سوپراکسید دیسموتاز (SOD) کاتالیز شود.

2 O 2 .- + 2 H + → H 2 O 2 + O 2 (2)

سوپراکسید می تواند هم یک عامل اکسید کننده (پذیرنده الکترون) و هم یک عامل کاهنده (دهنده الکترون) باشد. برای تشکیل رادیکال هیدروکسیل فعال (HO)، که توسط یون های فلزی و/یا نور خورشید کاتالیز می شود، بسیار مهم است. سوپراکسید با رادیکال اکسید نیتریک (NO.) واکنش داده و تشکیل می شود in vivoمولکول فعال دیگر پراکسی نیترات (OONO.) است. سپس سوپراکسید را می توان به پراکسید (O 2-2) کاهش داد - یک شکل فعال اکسیژن که در محیط آبی به شکل پراکسید هیدروژن (H 2 O 2) وجود دارد و برای سلامتی ضروری است.

سوپراکسید محصولی از تفکیک اسید ضعیف - رادیکال هیدروپراکسید HO 2 · است. در سیستم های آبی، نسبت مقادیر این دو ذره با اسیدیته محیط و ثابت تعادل مربوطه تعیین می شود. سوپراکسید همچنین می تواند در نتیجه یونیزاسیون منفی هوا تشکیل شود. تشکیل غلظت های کوچک در هوای مرطوب نیز توسط تحقیقات تایید شده است.

خوشه های یون سوپراکسید به سرعت با ذرات معلق در هوا و ترکیبات آلی فرار واکنش می دهند. در حالی که پراکسید هیدروژن یک عامل اکسید کننده است، ترکیب پراکسید هیدروژن و سوپراکسید (معادل 3) گونه بسیار واکنش پذیرتری تولید می کند، رادیکال هیدروکسیل، قوی ترین عامل اکسید کننده شناخته شده.

2 O 2 .- + H 2 O 2 → O 2 + OH . +OH - (3)

شناسایی ذرات منفرد شرکت کننده در واکنش های شیمیایی یک کار غیر ضروری است. یک شبیه‌سازی طرح واکنش می‌تواند شامل ده‌ها واکنش همگن و ناهمگن بین ذرات ذکر شده در بالا باشد.

گونه های فعال اکسیژن

اکسیژن، سوپراکسید، پراکسید و هیدروکسیل گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) نامیده می‌شوند و می‌توانند در انواع واکنش‌های ردوکس در محیط‌های گازی و آبی شرکت کنند. این ذرات فعال برای تجزیه مواد آلی موجود در جو، ذرات مه دود و برای تجزیه ازن (O 3) بسیار مهم هستند. رادیکال هیدروکسیل یک عامل کلیدی در تجزیه ترکیبات آلی فرار در تروپوسفر از طریق یک سری واکنش های شیمیایی پیچیده، از جمله اکسیداسیون (حذف الکترون ها از ترکیبات آلی) است که متعاقباً می تواند با مولکول های آلی دیگر در یک واکنش زنجیره ای واکنش دهد.

گونه های فعال اکسیژن هم در فضای زمین و هم در فضای بیرونی یافت شده اند. حسگرهای حالت جامد مبتنی بر SnO 2 که معمولاً برای تشخیص گازهای ردیابی استفاده می‌شوند، تحت تأثیر جذب شیمیایی اکسیژن و بخار آب قرار می‌گیرند. در دمای عملیاتی به اندازه کافی بالا، اکسیژن هوا بر روی سطوح کریستالی که دارای بار منفی هستند جذب می شود. در این حالت، الکترون‌های کریستال‌ها به سمت O 2 جذب شده حرکت می‌کنند و رادیکال‌های سوپراکسید تشکیل می‌دهند که سپس با CO، هیدروکربن‌ها و سایر ناخالصی‌های گازها یا بخارات واکنش می‌دهند. در نتیجه آزاد شدن الکترون ها بار سطحی کاهش می یابد که باعث افزایش رسانایی می شود که ثابت است. فرآیندهای شیمیایی مشابهی در اکسیداسیون فوتوکاتالیستی، سلول‌های سوختی اکسید جامد و فرآیندهای مختلف پلاسمایی غیر حرارتی یافت می‌شوند.

دانشمندان فضایی پیشنهاد می کنند که فعالیت غیرعادی خاک مریخ و کمبود ترکیبات آلی به دلیل تشعشعات فرابنفش است که باعث یونیزه شدن اتم های فلز و تشکیل گونه های اکسیژن فعال بر روی دانه های خاک می شود. سه رادیکال O·-، O 2 ·- و O 3 ·- که معمولاً تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش در حضور اکسیژن تشکیل می شوند، گاهی اوقات در مجموع گونه های اکسیژن فعال (ROS) نامیده می شوند. O 2 · کم فعال ترین، پایدارترین و محتمل ترین رادیکال اکسیژن است که در دمای معمولی روی زمین تشکیل می شود. از خواص شیمیایی آن می توان به واکنش با آب برای تشکیل یون های خوشه ای هیدراته اشاره کرد. دو ذره به هم پیوسته - هیدروکسید و هیدروپراکسید - می توانند مولکول های آلی را اکسید کنند. سوپراکسید با آب واکنش می دهد (معادل 4) و رادیکال های اکسیژن، پرهیدروکسیل و هیدروکسیل تولید می کند که به راحتی قادر به اکسیداسیون مولکول های آلی هستند.

2 O 2 .- + H 2 O → O 2 + HO 2 .- + OH .- (4)

سوپراکسید همچنین می‌تواند مستقیماً با ازن واکنش داده و رادیکال‌های هیدروکسیل تشکیل دهد (معادل 5).

2 O 2 .- + O 3 + H 2 O → 2 O 2 + OH - + OH . (5)

ما می توانیم طرح خلاصه زیر را فرض کنیم (معادل 6)، شامل چندین واکنش که در بالا توضیح داده شد. در آن، سوپراکسید تشکیل شده در طول یونیزاسیون هوا باعث اکسیداسیون ترکیبات آلی فرار مرتبط با ذرات معلق در هوا با اجزاء فلزی می شود:

C x H y + (x+y/4) O 2 → x CO 2 + (y/2) H 2 O (6)

این یک نمایش ساده شده است. برای هر یک از گونه های اکسیژن فعال (ROS)، چندین طرح واکنش فرضی یا تایید شده برای تبدیل آنها وجود دارد.

دگرگونی VOCهای منفرد، یعنی ناپدید شدن ذرات اصلی و تشکیل محصولات جانبی به جای دی اکسید کربن و آب، قبل و بعد از یونیزاسیون هوا، در کارهای علمی فرضیه و مدل شده است. این یک واقعیت شناخته شده است که پلاسمای غیر حرارتی فاز گازی که به صورت الکترونیکی در دمای اتاق و فشار اتمسفر تولید می‌شوند، می‌توانند غلظت‌های پایین VOC (10-100 سانتی‌متر بر متر مکعب غلظت) را در راکتور کرونای پالسی از بین ببرند. . بازده تخریب یا حذف (EDE) تقریباً بر اساس پتانسیل یونیزاسیون شیمیایی تخمین زده شد. یونیزاسیون و سایر فرآیندهای تخلیه تاج به ویژه برای تصفیه هوای حاوی غلظت اولیه نسبتاً کم VOC (100-0.01 سانتی متر مکعب بر متر مکعب) استفاده شده است. تعدادی از محققین خصوصی و دولتی ترکیبات شیمیایی را گزارش کرده اند که قابل پردازش هستند (جدول 1)، به این معنی که این مواد می توانند توسط یونیزاسیون هوا و فرآیندهای مربوطه از نظر شیمیایی تغییر یابند یا از بین بروند.

جدول 1. ترکیبات شیمیایی که می توانند با یونیزاسیون از هوا حذف شوند (*).

	نام			نام
	مونوکسید کربن			نفتالین
	اکسیدهای نیتروژن

				فرمالدئید
				استالدئید
				متیل الکل
				متیل اتیل کتون
				متیلن کلراید
	سیکلوهگزان			1،1،1-تری کلرواتان
				1،1،2-تری کلرواتان
				تتراکلرید کربن
	زایلن (o-, m-, p-)			تتراکلراتیلن
	1،2،4-تری متیل بنزن			هگزافلورواتان
	اتیل بنزن

*بازده بستگی به غلظت اولیه، رطوبت نسبی و محتوای اکسیژن دارد.

هنگامی که هوا یونیزه می شود، فرآیندهای مشابهی رخ می دهد، از جمله اکسیداسیون ترکیبات آلی توسط یون های دوقطبی و رادیکال های آزاد به محصولات فرعی میانی و در نهایت به دی اکسید کربن و آب. چهار فرآیند واکنش شامل یون‌های هوا امکان‌پذیر است: (1) ترکیب مجدد با یون‌های دیگر، (ب) واکنش با مولکول‌های گاز، (iii) اتصال به ذرات بزرگ‌تر، و (IV) تماس با یک سطح. دو فرآیند اول می توانند به حذف VOC ها کمک کنند. دو مورد آخر می توانند به حذف ذرات کمک کنند.

اصل عملکرد یونیزه کننده های هوا

یونیزه کننده های هوای دوقطبی، مولکول های باردار ایجاد می کنند. با به دست آوردن یا اهدای یک الکترون، یک مولکول بار منفی یا مثبت پیدا می کند. در حال حاضر از سه نوع سیستم یونیزاسیون فوتونی، هسته ای و الکترونیکی استفاده می شود. یونیزاسیون فوتون از منابع نرم اشعه ایکس برای حذف الکترون ها از مولکول های گاز استفاده می کند. پولونیوم-210 در یونیزه کننده های هسته ای استفاده می شود؛ به عنوان منبع ذرات α عمل می کند که هنگام برخورد با مولکول های گاز، الکترون ها را از بین می برند. مولکول هایی که الکترون های خود را از دست داده اند به یون های مثبت تبدیل می شوند. مولکول های گاز خنثی به سرعت الکترون ها را جذب کرده و به یون های منفی تبدیل می شوند. این نوع ژنراتورها دارای سوزن قطره چکان نیستند، بنابراین رسوبات مشکلی ندارند. با این حال، منابع اشعه ایکس و هسته ای باید با دقت نصب شده و همیشه نظارت شوند تا از خطرات ایمنی جلوگیری شود.

یونیزه کننده های الکترونی یا یونیزه کننده های تخلیه تاج از ولتاژ بالایی که به نوک امیتر یا شبکه اعمال می شود برای ایجاد یک میدان الکتریکی قوی استفاده می کنند. این میدان با الکترون‌های مولکول‌های مجاور برهمکنش می‌کند و یون‌هایی با همان قطبیت ولتاژ اعمالی تولید می‌کند. این یونیزرها بر اساس نوع جریان اعمال شده طبقه بندی می شوند: جریان پالسی، جریان مستقیم و جریان متناوب. یونیزه کننده های AC دوقطبی هستند، آنها به طور متناوب در هر چرخه یون های منفی و مثبت تولید می کنند. تشکیل سایر مواد شیمیایی به نوع جریان، حالت، غلظت یون های تک قطبی، نسبت یون های مثبت و منفی و رطوبت نسبی بستگی دارد. یونیزه کننده های AC، اولین نوع یونیزر الکترونیکی، دارای نوسانات ولتاژ ذاتی هستند و میدان های الکتریکی که تولید می کنند، از پیک های مثبت و منفی عبور می کنند.

مقدار یون های هوای تولید شده با استفاده از ضبط کننده های صفحه شارژ اندازه گیری می شود. یا می توان از میدان سنج الکترواستاتیکی برای ثبت تضعیف استاتیکی روی لایه های شیشه ای استفاده کرد. نظارت بر یون به شما امکان می دهد تعداد مشخصی از یون ها را برای عملکرد بهینه تولید کنید.

مهم است که بین انواع مختلف دستگاه های تصفیه هوای الکترونیکی تفاوت قائل شویم. یونیزه کننده های هوا، فیلترهای الکترواستاتیک و ژنراتورهای ازن اغلب با هم ترکیب می شوند، اما تفاوت های واضحی در حالت های عملکرد دارند.

یک سیستم یونیزاسیون هوا دارای اجزای مختلفی است: حسگرهایی برای نظارت بر کیفیت هوا (VOCs و PM)، نظارت الکترونیکی یون، و ماژول‌های یونیزاسیون برای تولید تعداد مورد نیاز یون. سیستم‌های یونیزاسیون هوای صنعتی به‌طور خودکار فرآیند یونیزاسیون را کنترل می‌کنند تا آب و هوای راحت را فراهم کنند، آلودگی میکروبی را کاهش داده و بوها را با شکستن و/یا حذف اجزای فرار و معلق در هوای داخلی خنثی کنند. سیستم های تصفیه هوای یونیزاسیون برای نصب مستقیم در یک فضای بسته یا در سیستم تامین هوای تهویه مرکزی طراحی شده اند. سپس هوا می‌تواند مستقیماً به فضای داخلی رها شود یا پس از مخلوط شدن با هوای بیرون بازگردد.

قرار دادن ماژول های یونیزاسیون در یک سایت خاص می تواند بر اساس منابع VOC و PM و شدت آنها باشد. دستگاه های یونیزاسیون را می توان مستقیماً در واحد مرکزی واحد تهویه مطبوع قرار داد تا کل جریان را درمان کند. آنها همچنین می توانند در کانال های موجود در پایین دست یک سیستم HVAC مرکزی (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) نصب شوند. همچنین امکان قرار دادن دستگاه های یونیزاسیون مستقل در اتاق های جداگانه برای رفع نیازهای فوری وجود دارد. عملکرد صحیح یک سیستم یونیزاسیون برای بهبود کیفیت هوای داخلی مستلزم بهینه سازی هفت عامل است که شرایط و الزامات خاص را توصیف می کند. هنگام کار با یونیزر هوای صنعتی، پارامترهای زیر کنترل می شوند: سطح مورد نظر شدت یون، قدرت و پوشش جریان هوا، رطوبت، کیفیت هوا و تشخیص ازن.

شکل 1. نمودار فرآیند یونیزاسیون هوا.

سنسور جریان، جریان حجمی هوا (بر حسب cfm) را اندازه گیری می کند. سنسور رطوبت میزان بخار آب موجود در هوا را اندازه گیری می کند. حسگر(های) کیفیت هوا نیاز نسبی به یونیزاسیون را تعیین می کند. این سنسورها می توانند در مجرای هوای برگشتی یا در ورودی هوای خارجی قرار گیرند. سنسور کیفیت هوای دیگری (اختیاری) می تواند نصب شود تا اطمینان حاصل شود که سطح ازن، که ممکن است در مقادیر کم به عنوان محصول جانبی تولید شود، کمتر از حد تعیین شده باشد. نوع دیگری از سنسور (همچنین اختیاری) می تواند برای اندازه گیری سطوح نسبی بخش های خاصی از ذرات معلق (PM) که می تواند با یونیزاسیون از هوا حذف شود، استفاده شود. سیگنال های حسگرها با استفاده از رایانه شخصی ضبط می شوند. پاسخ سیستم یونیزاسیون به صورت بصری در قالب چندین نمودار بلادرنگ نمایش داده می شود و همچنین برای استفاده بعدی ذخیره می شود. تمام اطلاعات از طریق یک مرورگر معمولی در شبکه در دسترس مشتری است.

آزمایشات عملی و مطالعات شی.

فناوری های یونیزاسیون از دیرباز در زمینه های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. کنترل تخلیه الکترواستاتیک (خنثی سازی بار توسط یون های هوا) در عملیات های فرآیند حساس مانند تولید نیمه هادی ها یا نانومواد بسیار مهم است. یونیزاسیون برای تصفیه هوا استفاده می شود که امروزه اهمیت ویژه ای دارد. ترکیبات آلی فرار (VOCs)، بوها، توسط گونه‌های فعال اکسیژن اکسید می‌شوند. ذرات معلق مانند دود تنباکو، گرده و گرد و غبار وقتی در معرض یون‌های هوا قرار می‌گیرند با هم جمع می‌شوند. باکتری ها و کپک های موجود در هوا خنثی می شوند. مزایای دیگر عبارتند از صرفه جویی در انرژی، زیرا هوای بیرون کمتر برای تهویه هوا استفاده می شود، و همچنین افزایش کلی راحتی در داخل خانه. سیستم های یونیزاسیون برای بهبود کیفیت هوا در فضاهای خانگی و اداری نصب شده است. آنها همچنین برای کنترل ترکیبات فرار و ذرات معلق در موسسات، اماکن تجاری و صنعتی نصب شده اند. فهرست کوتاهی از آزمایش های انجام شده بر روی اشیاء واقعی، تنوع کاربردهای ممکن را نشان می دهد (جدول II).

جدول II. اشیاء آزمایش بر روی یونیزاسیون هوا

یک شی	محل	کاربرد
مرکز مهندسی	شهر بزرگ	حذف VOC های خاص
مرکز پرداخت	فرودگاه بین المللی	حذف اگزوز هواپیما
هتل قدیمی	مرکز شهر	صرفه جویی در انرژی، بهبود کیفیت هوا
هتل مدرن	فرودگاه بین المللی	حذف اگزوز هواپیما
مرکز خرید	مرکز پایتخت	کنترل VOC، صرفه جویی در انرژی
مجلس نمایندگان		خنثی سازی بوها، VOCها، میکروب ها
مجموعه رستوران	میدان مرکزی	خنثی کردن بوهای آشپزخانه
رستوران مجزا	مرکز شهر	خنثی کردن بوهای آشپزخانه و دود تنباکو
کارخانه فرآوری گوشت	شهر بزرگ	خنثی سازی میکروب های موجود در هوا، بوی ناشی از زباله
نگهداری گوشت/محصول	سوپر مارکت	خنثی کردن بو و میکروب های آشپزخانه
آزمایشگاه تشریحی	دانشکده پزشکی	حذف فرمالدئید
آزمایشگاه پاتولوژی	بیمارستان	حذف جهانگردها
استادیوم فوتبال	شهر بزرگ	خنثی سازی بوها
کارخانه مبلمان	منطقه صنعتی	حذف دود تنباکو
چاپخانه	شهر کوچک	از بین بردن بخارات پاک کننده
سالن	شهر بزرگ	حذف VOCs (بوی لاک ناخن)
محل پردازش حیوانات	آزمایشگاه تحقیقاتی	از بین بردن بو و میکروب های موجود در هوا

سیستم یونیزاسیون هوا در یک مرکز مهندسی بزرگ (زیمنس AG، برلین) با چند صد کارمند در یک ساختمان چند طبقه نصب شد. کاهش در سطوح 59 VOC خاص متعلق به 9 کلاس مختلف از مواد اندازه گیری شد (جدول III). محتوای VOC با کروماتوگرافی گازی-طیف‌سنجی جرمی (GC/MS) در نمونه‌های جمع‌آوری‌شده در لوله‌های جاذب در طول دوره آزمایش، با و بدون یونیزاسیون تعیین شد. اگرچه VOC های 31 و 59 قبلاً زیر حد قابل تشخیص بودند، مقادیر آنها بالاتر از آن افزایش پیدا نکرد. مقدار کل VOCs 50٪ کاهش یافت. با در نظر گرفتن سطح شروع 112 میکروگرم بر متر مکعب و سطح عملکرد هدف 300 میکروگرم بر متر مکعب، این نتایج عالی هستند. سطوح مواد 20 و 59 کاهش یافت، سطوح سایر مواد افزایش نیافت. هیچ VOC جدیدی به عنوان محصولات یونیزاسیون ناقص شناسایی نشد.

علاوه بر این، در طول آزمایش، سطح ازن در اتاق به طور مداوم اندازه گیری شد، چه با یونیزاسیون و چه بدون یونیزاسیون. میانگین سطح در طول ماه آزمایش ppbv 0.7 بدون استفاده از یونیزاسیون و حداکثر مقدار ppbv 5.8 بود. این در مقایسه با حد نظارتی 100 ppbv است. میانگین سطح در طول یونیزاسیون ppbv 6.6 و حداکثر مقدار ppbv 14.4 بود. سطح ازن در فضای باز به طور مستقیم اندازه گیری نشد، اما محدوده احتمالی ppbv 10-20 محاسبه شد.

جدول III. سایت الف: مرکز مهندسی (الف).

جزء (#)	بدون یونیزاسیون، میکروگرم بر مترمربع	با یونیزاسیون، میکروگرم بر متر 3
ترکیبات معطر (20)
آلکان ها (13)		4-1 یا کمتر
ایزوآلکان ها (9)	4-1 یا کمتر
سیکلوآلکان ها (3)
الکل ها (8)
کتون ها (7)
استرها (3)
هیدروکربن های کلردار (9)	2-1 یا کمتر	2-1 یا کمتر
ترپن ها (5)	3-1 یا کمتر
کل VOCs (59)

آزمایش دیگری در یک مرکز پرداخت در نزدیکی یک فرودگاه بین المللی بزرگ (ویزا، زوریخ) انجام شد، جایی که کارکنان اداری در معرض دود اگزوز هواپیما و حمل و نقل زمینی قرار دارند. سطوح سه VOC با و بدون یونیزاسیون اندازه گیری شد (جدول IV). کاهش قابل توجهی در بوهای مضر ناشی از احتراق ناقص سوخت مشاهده شد.

جدول IV. شیء ب. مرکز توریستی.

مطالعات دیگری در حال حاضر برای ارائه نتایج کمی در مورد حذف آلاینده های خاص در کاربردهای مختلف در حال انجام است. شواهد حکایتی نیز از کارگران و مدیران کارخانه جمع آوری می شود که کاهش قابل توجهی در دود و بو و بهبود کلی در کیفیت هوای داخل خانه را گزارش می دهند.

یونیزاسیون هوا: به کجا می رویم ...

تأثیر نیروهای فیزیکی، وضعیت تجمع و جرم نه تنها بر نتیجه، بلکه بر روش تبدیل یک نوع ماده به ماده دیگر - به طور خلاصه شرایط تبدیل شیمیایی - یک مشکل فوری برای یک شیمیدان است. اخیراً مطالعه تجربی آغاز شده است. مشکلات زیادی در این زمینه از تحقیقات وجود دارد، اما مهمترین آنها این است که یافتن واکنشی که ماهیت ساده ای داشته باشد، بین موادی که می توانند به شکل خالص گرفته شوند و محصولاتی که می توانند دقیقاً تعریف شوند، رخ دهد، دشوار است. .

فن آوری های تصفیه هوا عبارتند از: (I) فیزیکی، (II) فیزیکوشیمیایی، و/یا (III) فرآیندهای الکترونیکی یا ترکیبی از آنها (جدول IV). فیلتراسیون PM شامل جمع آوری فیزیکی یا مکانیکی ذرات بر روی یک ماده متخلخل یا فیبری است. مکانیسم های حذف عبارتند از برخورد، ته نشینی و انتشار. فیلتراسیون فاز گاز شامل جذب VOCها بر روی یک سطح جامد با احتمال وقوع واکنش های شیمیایی است. جاذب‌های شیمیایی به اجزای فعال شیمیایی مانند اسیدها، بازها یا عوامل کاهنده یا با کاتالیزورها یا مواد فعال فوتوکاتالیستی آغشته می‌شوند.

تصفیه‌کننده‌های الکترونیکی هوا را می‌توان بر اساس نوع یونیزاسیون و حالت عملکرد طبقه‌بندی کرد. دستگاه های یونیزاسیون هوای دوقطبی ساده ترین هستند، در حالی که سایرین از انواع مختلفی از ترشحات پلاسما و کرونری استفاده می کنند. این دستگاه ها خوشه هایی از یون های منفی و/یا مثبت تولید می کنند. این یون ها PM را شارژ می کنند و فیلتر کردن آن را آسان تر می کنند. یون‌های خوشه‌ای نیز واکنش شیمیایی می‌دهند و VOCs را از بین می‌برند. اگرچه این فرآیند شبیه بسیاری از فرآیندهای اکسیداسیون شناخته شده است، اما با این وجود ظریف تر و پیچیده تر است. می توان آن را در دمای اتاق بدون حضور کاتالیزورهای جامد انجام داد. تفاوت یونیزه کننده های هوا با رسوب دهنده های الکترواستاتیکی این است که PM از طریق تماس مستقیم با یون های هوا به جای تماس با سطح باردار الکتریکی، بار الکتریکی به دست می آورد. یونیزه‌کننده‌های هوا نیز با ژنراتورهای ازن تفاوت دارند زیرا ذرات فعال به جای ازن، خوشه‌هایی از یون‌های منفی یا مثبت هستند که سطح آن به دلایل بهداشتی در هوای داخل خانه تنظیم می‌شود.

فناوری یونیزاسیون هوا، اگرچه به خوبی توسعه یافته است، اما اکنون کاربردهایی در تصفیه هوا برای VOCs و PM پیدا کرده است، از کنترل ESD در عملیات فرآیند حساس تا تخریب آلاینده های خطرناک هوا. فن آوری های مرتبط شامل اکسیداسیون در راکتورهای پالسی تاج و سایر دستگاه های پلاسمای غیر حرارتی است. مزایای زیادی از تصفیه هوای یونیزه وجود دارد: تخریب، تبدیل و حذف VOCهای بالقوه خطرناک و PM. عملکرد توسعه یافته و بهبود یافته فن آوری های همرفت (فیلتراسیون و جذب)؛ مصرف کم انرژی؛ حداقل رسوب PM در سطوح داخلی؛ معرف ها و محصولات جانبی خطرناک کمتر؛ و پتانسیل بهبود سلامت

جدول V. مقایسه سیستم های تصفیه هوا

	یونیزاسیون هوای دوقطبی	نسل ازن	جمع آوری گرد و غبار الکترواستاتیک	فیلتراسیون فاز گاز	فیلتراسیون
عمل	الکترونیکی	الکترونیکی	الکترونیکی	فیزیکوشیمیایی	فیزیکی
	ترشح بی صدا	تخلیه مانع	مش و صفحه ولتاژ بالا	جذب انتخابی و واکنش ها	فیلترهای صاف، پلیسه دار، VEVF
	تولید یون های (+) و (-).	نسل ازن	بار ذرات معلق	جذب و واکنش	رسوب ذرات روی سطح متخلخل
ذرات فعال	یون ها و رادیکال های دوقطبی (O 2.-)		ذرات باردار	مکان های جذب و واکنش ها	سطح بزرگ
محصولات	CO 2، H 2 O، ذرات بزرگ شده	CO2، H2O، O3	ذرات بزرگ شده	کاهش مقدار VOCs	کاهش میزان PM
محصولات جانبی	حداقل مقدار، O 3، اگر کنترل نشود	مقادیر قابل توجهی O 3،	O 3 اگر به طور منظم تمیز نشود	بستر استفاده شده با آلاینده	فیلترهای استفاده شده با آلاینده ها
مراقب سلامتی خود باشید	محدود O 3	قرار گرفتن در معرض ازن	قرار گرفتن در معرض ولتاژ بالا و ازن	انباشت، ذخیره سازی، دفع	حذف فیلترهای کثیف
	اکسیداسیون شیمیایی	اکسیداسیون شیمیایی	جذب VOCs به PM	جذب/جذب
	چسبندگی		تجمع در صفحات	تجمع در بستر	تراکم، رسوب، انتشار
	اکسیداسیون	اکسیداسیون		جذب/جذب
	غیرفعال کردن	غیرفعال کردن	به سختی		به سختی
کنترل	یون های درخواستی	نسل ثابت	طراحی فرآیند	طراحی فرآیند	طراحی فرآیند
قیمت			در حد متوسط	میلی متر جیوه هنر کیلوگرم. کیلوگرم. W = کیلوگرم در ساعت عملکرد رطوبت ساز

ویژگی های مغناطیسی اتم

الکترون خود را دارد لحظه مغناطیسی، که در جهت موازی یا مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده کوانتیزه می شود. اگر دو الکترون که اوربیتال یکسانی را اشغال می کنند دارای اسپین هایی با جهت مخالف باشند (طبق اصل پائولی)، آنگاه یکدیگر را خنثی می کنند. در این حالت می گوییم که الکترون ها جفت شده است. اتم هایی که فقط الکترون های جفت دارند از میدان مغناطیسی رانده می شوند. چنین اتمی نامیده می شود دیامغناطیسی. اتم هایی که یک یا چند الکترون جفت نشده دارند به میدان مغناطیسی کشیده می شوند. Oʜᴎ دیامغناطیس نامیده می شود.

انرژی (پتانسیل) یونیزاسیون یک اتم E iحداقل انرژی لازم برای حذف یک الکترون از اتم تا بی نهایت مطابق معادله است

X = X + + ه −

شکل 13

برای همان اتم، انرژی های یونیزاسیون دوم، سوم و بعدی همیشه افزایش می یابد، زیرا یک الکترون باید از یک یون با بار مثبت جدا شود. به عنوان مثال، برای یک اتم لیتیوم، انرژی های یونیزاسیون اول، دوم و سوم به ترتیب 520.3، 7298.1 و 11814.9 کیلوژول بر مول هستند.

توالی انتزاع الکترون معمولاً دنباله معکوس پر شدن اوربیتال ها با الکترون مطابق با اصل حداقل انرژی است. در این حالت عناصری که پر شده اند د-اوربیتال ها استثنا هستند - اول از همه، آنها از دست نمی دهند د-، آ س-الکترون ها

- انرژی یونیزاسیون

ویژگی های مغناطیسی اتم الکترون دارای گشتاور مغناطیسی خاص خود است که در جهتی موازی یا مخالف میدان مغناطیسی اعمال شده کوانتیزه می شود. اگر دو الکترون که اوربیتال یکسانی را اشغال کرده اند اسپین های مخالف داشته باشند... [ادامه مطلب]

- انرژی یونیزاسیون

فرآیند یونیزاسیون با این طرح بیان می شود: E - n En+. علاوه بر این، یونیزاسیون می تواند بارها رخ دهد. یونیزاسیون یک اتم توانایی یک اتم را برای رها کردن الکترون و اکسیداسیون تعیین می کند. این خاصیت (Eionization) ماهیت و استحکام پیوند شیمیایی را تعیین می کند. روند ... [ادامه مطلب]

- انرژی یونیزاسیون اتم ها.

ویژگی های اتم منبع تغذیه برای تأیید خود به سخنرانی هایی که به یون تجزیه نمی شوند و جریان الکتریکی را رسانا نمی کنند، غیر الکترولیت می گویند. الکترولیت ها و غیر الکترولیت ها ظاهراً فقط کلمات در خرد شده یا ذوب شده وجود دارد ... [ادامه مطلب]

- دوره ای بودن تغییرات در خواص اتم های عناصر: شعاع، انرژی یونیزاسیون، انرژی میل ترکیبی الکترون، الکترونگاتیوی نسبی.

برای توصیف ویژگی های انرژی یک الکترون در یک اتم، لازم است مقادیر چهار عدد کوانتومی: اعداد کوانتومی اصلی، ثانویه، مغناطیسی و اسپینی را نشان دهیم. بیایید آنها را جداگانه بررسی کنیم. 1) عدد کوانتومی اصلی "n" انرژی یک الکترون در اتم را مشخص می کند، ...

پورتال برای دانش آموزان. خود آماده سازی

ویژگی های مغناطیسی اتم

انرژی یونیزاسیون

میل الکترونی

الکترونگاتیوی

و ذرات معلق ریز (PM)

مقالات مرتبط