高壓脈沖靜電科學(xué)原理

原子由不帶電的中子、帶負(fù)電荷的電子和帶正電荷的質(zhì)子構(gòu)成。在正常狀況下，一個(gè)原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)平衡，所以對外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是電子環(huán)繞于原子核周圍，一經(jīng)外力即脫離軌道，離開原來的原子A而侵入其他的原子B，A原子因減少電子數(shù)而帶有正電現(xiàn)象，稱為陽離子;B原子因增加電子數(shù)而呈帶負(fù)電現(xiàn)象，稱為陰離子。造成不平衡電子分布的原因即是電子受外力而脫離軌道，這個(gè)外力包含各種能量(如動(dòng)能、位能、熱能、化學(xué)能、電能等)。在日常生活中，任何兩個(gè)不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電。當(dāng)兩個(gè)不同的物體相互接觸時(shí)就會(huì)使得一個(gè)物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體使其帶正電，而另一個(gè)物體得到一些剩余電子的物體而帶負(fù)電。

若在分離的過程中電荷難以中和，電荷就會(huì)積累使物體帶上靜電。通常在從一個(gè)物體上剝離一張塑料薄膜時(shí)就是一種典型的"接觸分離"起電，在日常生活中脫衣服產(chǎn)生的靜電也是"接觸分離"起電。固體、液體甚至氣體都會(huì)因接觸分離而帶上靜電。因?yàn)闅怏w也是由分子、原子組成，當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)分子、原子也會(huì)發(fā)生"接觸分離"而起電。我們都知道摩擦起電而很少聽說接觸起電。摩擦是一個(gè)不斷接觸與分離的過程。

因此摩擦起電實(shí)質(zhì)上是接觸又分離造成正負(fù)電荷不平衡而起電的過程。在日常生活，各類物體都可能由于移動(dòng)或摩擦而產(chǎn)生靜電。另一種常見的起電是感應(yīng)起電。當(dāng)帶電物體接近不帶電物體時(shí)會(huì)在不帶電的導(dǎo)體的兩端分別感應(yīng)出負(fù)電和正電。

原子在受到外界作用如摩擦或以各種能量如動(dòng)能、位能、熱能、化學(xué)能等的形式作用會(huì)使原子的正負(fù)電不平衡。前文說過摩擦實(shí)質(zhì)上就是一種不斷接觸與分離的過程。有些情況下不摩擦也能產(chǎn)生靜電，如感應(yīng)靜電起電，熱電和壓電起電、亥姆霍茲層、噴射起電等。

摩擦生電是產(chǎn)生靜電的普遍方法，就是通過摩擦引起電荷的重新分布而帶電。也有利用電荷的相互吸引引起電荷的重新分布而帶電的。一般情況下原子核的正電荷與電子的負(fù)電荷相等，正負(fù)平衡，所以不顯電性。 但是如果電子受外力而脫離軌道，造成不平衡電子分布，比如摩擦起電就是一種造成正負(fù)電荷不平衡的過程。當(dāng)兩個(gè)不同的物體相互摩擦?xí)r，一個(gè)物體的電子轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，就因?yàn)槿鄙匐娮佣鴰д?，而另一個(gè)體得到一些剩余電子的物體而帶負(fù)電，物體帶上了靜電。

而脈沖，在過去幾十年中，國際上也一直在研究此方法的用途，例如:脈沖電場技術(shù)(High Intensity Pulsed Electric Fields，PEF)是近年來國際上新興的食品研究領(lǐng)域，是一種將液態(tài)食品作為電解質(zhì)置于容器內(nèi)，與容器絕緣的兩個(gè)放電電極通過高壓電流，產(chǎn)生電脈沖進(jìn)行作用的加工方法。PEF處理是在室溫條件下進(jìn)行的，并且由食品加熱引起的能量損失達(dá)到最低。

對食品質(zhì)量屬性來說，PEF技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)食品加熱的處理方法，因?yàn)樗诤艽蟪潭壬蠝p少了食品感官和物理特性的有害變化。現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于食品的殺菌和鈍酶，最大限度地維持食品的保鮮度，是近十幾年來最有前途的實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的加工技術(shù)之一，并伴隨著裝置的設(shè)計(jì)制造，這方面的研究逐漸擴(kuò)大。

高壓脈沖電場的殺菌原理是在兩個(gè)電極間產(chǎn)生瞬時(shí)高壓脈沖電場作用于食品而殺菌的。其基本過程是用瞬時(shí)高壓處理放置在兩極間的低溫冷卻食品。高壓脈沖電場殺菌機(jī)理經(jīng)過40年的探討，形成了以下幾個(gè)代表性的觀點(diǎn):

1、"細(xì)胞膜穿孔效應(yīng)"理論:當(dāng)外加電場作用于細(xì)胞時(shí)，食品微生物的細(xì)胞膜在其作用下，誘導(dǎo)產(chǎn)生橫跨膜電位。當(dāng)整個(gè)膜電位達(dá)到極限值(約為lV)時(shí)，膜破裂，使膜結(jié)構(gòu)變成無序狀態(tài)，形成細(xì)孔，滲透能力增強(qiáng)。因此，細(xì)胞的可滲透性可以依據(jù)外加電場強(qiáng)度的加強(qiáng)而增加。

2、電解產(chǎn)物理論:在電極點(diǎn)施加電場時(shí)，電極附近介質(zhì)中的電解質(zhì)電離產(chǎn)生陰離子，這些陰陽離子在強(qiáng)電場作用下極為活躍，穿過在電場作用下通透性提高的細(xì)胞膜，與細(xì)胞的生命物質(zhì)如蛋白質(zhì)、核糖核酸結(jié)合而使之變性。

3、臭氧效應(yīng)理論:在電場作用下液體介質(zhì)電解產(chǎn)生臭氧，在低濃度下臭氧已能有效殺滅細(xì)菌。

現(xiàn)在此項(xiàng)技術(shù)也被廣泛運(yùn)用，比如:食品脫毒機(jī)、除塵器、空氣凈化器、油煙凈化器等。

食品脫毒機(jī):采用靜電物理脫毒原理，利用高壓靜電，使有害物質(zhì)在強(qiáng)電場發(fā)生電離，產(chǎn)生自由基，使微生物失活，殺死細(xì)菌，去除農(nóng)藥，同時(shí)高壓脈沖靜電產(chǎn)生的電荷撞擊重金屬有害顆粒物并產(chǎn)生吸附，金屬原子本身帶有電荷，在強(qiáng)電場的作用下，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸附作用，每秒產(chǎn)生上萬次的高壓脈沖，水中物質(zhì)及正負(fù)電荷會(huì)迅速活躍，當(dāng)產(chǎn)生靜電吸附作用時(shí)，重金屬顆粒物被吸附在負(fù)電極壁板上，混入水中。

污水治理:匯集脈沖、原子和高壓靜電吸附這些原理，很久以前就有相關(guān)報(bào)道和學(xué)術(shù)研究，而國家目前只能通過大型高壓靜電設(shè)備來治理一些污水，例如在一定的限定空間，一定的電流，一定的密度值來殺滅及析解水中的細(xì)菌及有害物。

除塵器:利用高壓電場使煙氣發(fā)生電離，氣流中的粉塵荷電在電場作用下與氣流分離。負(fù)極由不同斷面形狀的金屬導(dǎo)線制成，叫放電電極。正極由不同幾何形狀的金屬板制成，叫集塵電極。靜電除塵器的性能受粉塵性質(zhì)、設(shè)備構(gòu)造和煙氣流速等三個(gè)因素的影響。粉塵的比電阻是評價(jià)導(dǎo)電性的指標(biāo)，它對除塵效率有直接的影響。比電阻過低，塵粒難以保持在集塵電極上，致使其重返氣流。比電阻過高，到達(dá)集塵電極的塵粒電荷不易放出，在塵層之間形成電壓梯度會(huì)產(chǎn)生局部擊穿和放電現(xiàn)象。這些情況都會(huì)造成除塵效率下降。

空氣凈化器:利用陽極電暈放電原理，使空氣中的粉塵帶上正電荷，然后借助庫侖力作用，將帶電粒子捕集在集塵裝置上，達(dá)到除塵凈化空氣的目的。

油煙凈化器:油煙由風(fēng)機(jī)吸入靜電式油煙凈化器，其中部分較大的油霧滴、油污顆粒在均流板上由于機(jī)械碰撞、阻留而被捕集。當(dāng)氣流進(jìn)入高壓靜電場時(shí)，在高壓電場的作用下，油煙氣體電離，油霧荷電，大部分得以降解炭化;少部分微小油粒在吸附電場的電場力及氣流作用下向電場的正負(fù)極板運(yùn)動(dòng)被收集在極板上并在自身重力的作用下流到集油盤，經(jīng)排油通道排出，余下的微米級油霧被電場降解成二氧化碳和水，最終排出潔凈空氣;同時(shí)在高壓發(fā)生器的作用下，電場內(nèi)空氣產(chǎn)生臭氧，除去了煙氣中大部分的氣味。

其他應(yīng)用:國際上把高壓靜電脫出技術(shù)用在燃油發(fā)動(dòng)機(jī)組上來脫離硫和硝等等。