空气负离子

自然物体

空气负（氧）离子（Negative air （oxygen） ion，NAI）是带负电荷的单个气体分子和轻离子团的总称。在自然生态系统中，森林和湿地是产生空气负（氧）离子的重要场所。在空气净化、城市小气候等方面有调节作用，其浓度水平是城市空气质量评价的指标之一。

简介

概念

NAI主要是由空气中含氧负离子与若干个水分子结合形成的原子团，根据地理物理学和大地测量学国际联盟的大气联合委员会采用的理论，NAI就是O2-（H2O）n，或OH-（H2O）n，CO4（H2O）2，是带负电荷单个气体分子以及其轻离子团的总称。由于氧分子比CO2，N2等分子更具有亲电性，因此氧分子会优先获得电子形成负离子，所以NAI主要由负氧离子组成，故常被称为空气负氧离子。

研究简史

1889年德国的科学家Elster和Geitel首次发现了NAI的存在，19世纪末，德国物理学家菲利浦·莱昂纳德博士在学术上首次证明负氧）离子对人体的功效，Aschkinass和Caspari等学者于1902年进一步肯定了NAI的生物学意义。1932年世界首台医用NAI发生器诞生于美国。

2020年07月，清华大学天津高端装备研究院先进制造研发中心主任张晓昊博士团队成功研制出医疗保健级高浓度负氧离子生成剂，只需喷洒在房间墙壁上，就能在墙壁上形成一个均匀致密的纳米颗粒层，从而使室内墙壁稳定长效的释放高浓度小粒径负氧离子，目前该成果已获得国家专利。将纳米级电气石粉均匀致密地附着在物体表面，使它的效果最大化，是这项技术的一个关键点，相关成果的7篇论文被《物理学报》《微流体与纳米流体学》等SCI期刊收录。这一技术属于国内首创，填补了无色透明的高效负离子生成材料这一空白。相比于目前广泛采用的高压电离技术，该技术产生负氧离子的过程无需能源消耗,小粒径负氧离子占比高,并且有效避免了高压电离技术伴生臭氧的问题。

功能作用

NAI作为活性氧的重要成员之一，由于其带负电荷在结构上与超氧化物自由基相似，其氧化还原作用强，能够破坏细菌病毒电荷的屏障及细菌细胞活性酶的活性；另外，NAI可以沉降空气中的悬浮颗粒物。然而负离子浓度并非越高越好，当浓度超过106个/cm3时，负离子对机体会产生一定的毒副作用。

生成机理

大气中除了氮气、氧气、二氧化碳、水汽和各种气溶胶粒子外，还有一些离子化空气。离子化空气包括空气的负离子和正离子。而空气分子是由原子组成的，原子核和电子构成原子，原子核带正电荷，电子带负电荷。当空气分子受到电离等外界条件，获得足够的能量时，脱离原子核束缚的外围电子变成自由电子，失去电子的中性分子或原子核变成空气正离子，而空气中的中性分子或原子捕获逃逸出来的自由电子时，则变成空气负离子。

NAI包括带负电荷的单个气体分子和轻离子团，大气中NAI和空气正离子是同时存在的。按照大气离子体积的大小，可将其分为大离子、中离子和小离子。小离子是分子尺度大小的离子；大离子是大气溶胶粒子吸附上小离子，成为带上正电荷或负电荷的离子；而当空气离子周围聚集着几个中性分子时，就成了中离子，其大小介于小离子和大离子之间。而目前大多研究分析讨论的NAI是指空气负电荷小离子。

生成方式

自然生成

生成NAI可以分为以下两种方式：一种是自然生成，电离大气分子需要能量，如宇宙射线和紫外线辐射，静电力，光照，光合作用，照明激发，直接导致中性气体分子的初始电离。一般来说，从气体电离所需的能源来看，有6种自然能源，包括宇宙射线，紫外线辐射和光电发射，岩石和土壤中放射性元素释放的射线，瀑布冲击和摩擦，照明激发和风暴，光合作用。

人工生成

另一种是人工生成，产生空气人造离子的方法有几种，包括电晕放电，热金属电极或光电极的热电子发射，放射性同位素的辐射，紫外线等。

测定方法

NAI的测定分为NAI的测定和NAI的鉴定。NAI的测定可以由测量NAI通过导电管时大气电导率的变化来实现。NAI的鉴定是通过电晕源来鉴定质谱产生的离子，可有效地测量单个分子的特性。通过这个方法已经确定了多种负离子，包括O-、O2-、O3-、CO4-、NO2-和NO3-等。

评价方法

国内外对空气负离子的评价还没有统一的标准，主要有单极系数、重离子与轻离子的比、安倍空气质量评价系数（日本）、空气离子相对密度（德国）等评价指数，其中单极系数和安倍空气质量评价系数这两个评价指标应用最广。

单极系数（q）

在正常大气中，空气正、负离子浓度一般不相等，这种特征被称为大气的单极性。单极性用单极系数来表示，即空气中正离子与负离子的比值，即q=n+/n-。单极系数越小，表示空气中负离子浓度比正离子浓度高得越多，对人体越有利。日本学者研究表明，当n-大于1000个cm-3，且q值小于1时，空气清洁舒适。当q>1时，空气不清洁，而当q值增加到3以上，人们会感到烦躁不安。通常，低层大气中q值在1~1.2之间；植被较多的地方q值小于1；高山上q值可低到0.53。

安倍空气质量评价系数（CI）

日本学者安倍通过对城市居民生活区空气离子的研究，建立了安倍空气离子评价指数。安倍空气质量评价系数反映了空气中离子浓度接近自然界空气离子化水平的程度，CI=n-/1000q。

CI为空气质量评价指数，n-为空气负离子浓度（个·cm-3），q为单极系数，1000个/cm-3的负离子数为人体最基本的需要标准。空气质量评价指数把空气负离子作为指标，同时又考虑了正、负离子的构成比，较为全面和客观，因此，在国外的城市空气离子评价中已经得到了广泛的应用。

CI值越大，空气质量越好，可划分为以下5个等级，CI>1.00时，空气质量为A级，最清洁；CI为1.00~0.70时，空气质量为B级，清洁；CI为0.69~0.50时，空气质量为C级，中等；CI为0.49~0.30时，空气质量为D级，容许；CI<0.29 时，空气质量为E级，0.29是临界值，低于0.29则为污染空气。

主要影响因素

植物群落模式

植物的光合作用释放出的氧气在短波紫外线辐射下，易发生光电效应，形成氧负离子，从而提升小区域空气负离子水平。绿色植被覆盖区域空气负离子浓度要远高于其他地区。不同的植被类型和植物群落，不同的林龄、郁闭度，对空气负离子浓度的影响有很大的差异。

环境气象因子

有关空气负离子浓度与气象因子的相关性报道很多，研究普遍认为空气负离子浓度与湿度正相关，与温度负相关，风速对空气负离子浓度的影响存在争议。水体的存在对负离子浓度有很大影响，例如瀑布、喷泉、滨海附近地区及雷雨过后空气中的负离子含量都会有显著的提高。此外，空气中的悬浮物、二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物等与空气离子呈明显的负相关。

季节动态及昼夜动态

空气负离子浓度变化具有显著的季节动态及日动态。通常情况下空气负离子浓度季节动态表现为夏季最高，春秋次之，冬季最低；而日动态表现为空气负离子浓度白天平均值高于夜间平均值，清晨到上午最高，正午到午后次之，傍晚负离子浓度有一定回升，而夜晚空气负离子浓度最低。