摘要： 根據(jù)靜電除塵原理，利用高壓靜電發(fā)生器和9伏疊層電池產(chǎn)生高壓、利用Arduino UNO R3開發(fā)板、PM2.5激光粉塵環(huán)境質(zhì)量傳感器、RTC實時時鐘模塊、SD卡模塊等器材測量衛(wèi)生香燃燒過程周圍空氣中在開啟靜電除塵前后PM2.5的變化。該實驗原理清晰、裝置簡單、操作方便，實驗數(shù)據(jù)實時、定量，實驗的可重復性強。該實驗可用于初中化學關(guān)于PM2.5與空氣質(zhì)量指數(shù)的介紹或高中化學有關(guān)膠體的性質(zhì)實驗；也可作為物理學科中靜電場的應用實驗。

關(guān)鍵詞： 傳感器; PM2.5; 靜電除塵; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2024）07-0068-04 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

1 引言

空氣質(zhì)量日報是通過新聞媒體向社會發(fā)布的環(huán)境信息，可以及時準確地反映空氣質(zhì)量狀況，增強人們對環(huán)境的關(guān)注，促進人們對環(huán)境保護工作的理解和支持，提高全民的環(huán)保意識，促進人們生活質(zhì)量的提高。人教版義務教育教科書化學九年級上冊第31頁課題1“空氣”一節(jié)的資料卡片簡要介紹了空氣質(zhì)量日報及空氣質(zhì)量分級標準（表1）?？諝赓|(zhì)量日報的主要內(nèi)容包括“空氣質(zhì)量指數(shù)”“空氣質(zhì)量級別”“首要污染物”等。

空氣質(zhì)量指數(shù)（Air Quality Index ，簡稱AQI）是依據(jù)常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度計算得到的。目前計入空氣質(zhì)量評價的主要污染物為：二氧化硫、一氧化碳、二氧化氮、可吸入顆粒物（粒徑小于等于10微米的顆粒物，稱PM10）、細顆粒物（粒徑小于等于2.5微米的顆粒物，稱PM2.5）和臭氧等［1］。

PM2.5又被稱為細顆粒物，是造成空氣污染和霧霾天氣的主要污染物。PM2.5顆粒容易附著大量的有毒有害物質(zhì)，而且在空氣中的停留時間長，對居民健康有著長久的危害并且影響了城市的正常發(fā)展。從2001年P(guān)M2.5被列為需重點觀測影響空氣質(zhì)量物質(zhì)以來，我國的大部分地區(qū)的PM2.5含量就遠遠超過世界衛(wèi)生組織的安全標準［2］。

世界衛(wèi)生組織（WHO）“2018年城市戶外空氣污染數(shù)據(jù)庫”顯示，中國則有58個城市入圍年均PM2.5濃度排名前一百的城市［3］。近十幾年來，“霧霾”天氣持續(xù)肆虐我國大部分地區(qū)，“霧霾”中的PM2.5顆粒對空氣造成了嚴重的污染，極大地影響了居民的正常生產(chǎn)生活。

為了響應國家“十四五”規(guī)劃中對于生態(tài)文明建設(shè)的要求，對空氣中的PM2.5含量進行實時監(jiān)督和管控，具有極其重要的現(xiàn)實意義。對于中學生而言要牢固樹立保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展意識，從自身做起，形成簡約適度、綠色低碳的生活方式；能對與化學有關(guān)的社會熱點問題作出正確的價值判斷，能參與有關(guān)化學問題的社會實踐活動是落實化學學科核心素養(yǎng)的內(nèi)在要求。為此設(shè)計一套基于傳感器技術(shù)的靜電除塵實驗裝置。

2 實驗原理

現(xiàn)行高中物理教材中靜電除塵原理有如下描述：“如圖1，靜電除塵器由板狀收集器Ａ和線狀電離器Ｂ組成。Ａ連接到幾千伏高壓電源的正極，Ｂ連接到高壓電源的負極，它們之間有很強的電場，而且距Ｂ越近，電場強度越大。Ｂ附近的空氣中的氣體分子更容易被電離，成為正離子和電子。正離子被吸到Ｂ上，得到電子，又成為分子。電子在向著正極Ａ運動的過程中，遇到煙氣中的粉塵，使粉塵帶負電，粉塵被吸附到正極Ａ上，最后在重力的作用下落入下面的漏斗中。靜電除塵用于粉塵較多的各種場所，除去有害的微?；蛘呋厥瘴镔Y，如回收水泥粉塵”［4］。

本實驗裝置就是利用這一原理進行設(shè)計和制作的（如圖2所示）。高壓靜電發(fā)生器可以產(chǎn)生大約幾萬到幾十萬伏特的高壓直流電，將此高電壓加在兩個曲率半徑相差很大的金屬陽極A（螺旋線圈—集塵極）和陰極B（中心細銅絲—放電極）上。通過如圖2（ａ）所示截面不難發(fā)現(xiàn)，中心放電極附近電場強度較大，這一高壓電場足以使空氣電離。如圖2（ｂ）所示，氣體電離后產(chǎn)生的電子與負離子附著在通過電場的塵粒上，使塵粒帶電。帶電塵粒在電場力的作用下，向帶正電的集塵極運動而沉積，最終將塵粒從空氣中分離并清除，實現(xiàn)除塵和空氣凈化。

3 實驗材料及實驗裝置

3.1 實驗材料

PM2.5激光粉塵環(huán)境質(zhì)量傳感器V2一個、Arduino UNO R3開發(fā)板一塊、IO傳感器擴展板V7.1一塊、I2CS D2405 RTC實時時鐘模塊一個、SD卡存儲模塊一個、DC12V高壓靜電發(fā)生器一個、9伏疊層電池一個、激光筆一支、筆記本電腦（安裝Arduino IDE）一臺、透明有機玻璃管一段（φ60×600）、粗銅絲（φ10左右）、熱熔膠槍一把、礦泉水瓶一個、一次性塑料杯一只、衛(wèi)生香一段、鐵架臺一套

3.2 實驗裝置示意圖

實驗裝置示意圖如圖3所示。

3.3 實驗裝置的制作

（1） 取1個礦泉水瓶，用剪刀剪去瓶底，剩下高為5cm的無底瓶子（如圖4所示）。另取一個一次性塑料杯，用剪刀剪去杯底（如圖5所示）。

（2） 用粗銅絲（漆包線更好）繞制彈簧狀螺旋線圈，放入有機玻璃管內(nèi)；將無底礦泉水瓶裝入有機玻璃管上端，無底一次性塑料杯裝入下端，然后用熱熔膠固定；再將有機玻璃管固定于鐵架臺上。

（3） 將高壓靜電發(fā)生器輸出端正極與螺旋線圈相接，負極與中間直導線相接。

（4） 取一段香放入一細口瓶中，放置于靜電除塵器下方。

（5） 組裝好Arduino開發(fā)板及組件，并將PM2.5激光粉塵環(huán)境質(zhì)量傳感器固定于有機玻璃管頂部。

3.4 實驗流程及程序

實驗流程如圖6所示。

PM2.5檢測程序的樣例程序詳見：

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

4 實驗方法及數(shù)據(jù)處理

（1） 裝置搭建好后，初始化Arduino程序，打開組件中的串口監(jiān)視器，開始采集實驗數(shù)據(jù)。

（2） 點燃香，觀察串口監(jiān)視器數(shù)據(jù)變化，用激光筆照射除塵器并上下移動，觀察現(xiàn)象。

（3） 將9伏疊層電池正負極與高壓靜電發(fā)生器輸入端正負極相連接，開啟靜電除塵后觀察串口監(jiān)視器數(shù)據(jù)變化。

（4） 開啟靜電除塵2～3分鐘后，用激光筆再次照射除塵器并上下移動，觀察現(xiàn)象。

（5） 反復斷開、連接9伏疊層電池與高壓靜電發(fā)生器輸入端，觀察串口監(jiān)視器數(shù)據(jù)變化。

（6） 停止實驗，取出SD卡，將實驗數(shù)據(jù)導入Excel表格中，以時間為橫軸，PM2.5數(shù)據(jù)（單位：μg/M3）為縱軸作二維折線圖（見圖7）。

實驗數(shù)據(jù)表明：點燃衛(wèi)生香后PM2.5由37μg/M3迅速增大，達到了PM2.5激光粉塵環(huán)境質(zhì)量傳感器的最大量程，圖像出現(xiàn)平臺；開啟靜電除塵后，PM2.5又迅速回落，最小達23μg/M3，除塵效果良好。反復關(guān)閉或開啟靜電除，得到相似的實驗圖像。未開啟靜電除塵時，用激光筆照射時除塵器內(nèi)部有明顯的丁達爾效應，開啟靜電除塵后，丁達爾現(xiàn)象大為減弱。

5 結(jié)語

中學階段靜電除塵實驗一般使用感應起電機產(chǎn)生高壓電，實驗時起電機所產(chǎn)生的電量較少，遇到空氣潮濕或儀器的絕緣不佳時，實驗效果更差。因此，本實驗用9伏疊層電池通過高壓靜電發(fā)生器產(chǎn)生高壓電，實驗操作方便、可靠。

PM2.5激光粉塵環(huán)境質(zhì)量傳感器、RTC實時時鐘模塊和SD卡存儲模塊價格低廉，而且原代碼都是開源的；有Arduino基礎(chǔ)的學生能夠自主編程，有利于促進學生綜合學習能力的提升。

利用傳感器技術(shù)將實驗數(shù)據(jù)實時化、定量化和可視化，不僅能使學生學會靜電除塵的原理和方法，而且可使學生真實地感受到煙塵中微小顆粒物的存在，從而加強學生的環(huán)保意識，充分認識到減少和消除環(huán)境污染的重要意義。

參考文獻：

［1］王晶，鄭長龍主編. 義務教育教科書·化學（九年級上冊）［M］. 北京： 人民教育出版社， 2012： 31.

［2］李鵬. 環(huán)境空氣中PM2.5自動監(jiān)測方法的比較與應用［J］. 環(huán)境與發(fā)展， 2019， 31（9）： 173～175.

［3］常娟. 環(huán)境空氣PM2.5濃度變化特征及防治措施研究［J］. 資源節(jié)約與環(huán)保， 2022，246（5）： 46.

［4］彭前程主編. 普通高中教科書·物理·必修第三冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 21.