雾霾爆表天的必备——穿戴式电子空气净化口罩

　　四川省成都市第七中学 周垲柠 樊翘楚

　　四川省成都市石室中学 张昊玉

　　指导教师 张钰锟 彭 江

　　来源：全国青少年科技创新大赛获奖作品展播

　　现在雾霾天气越来越多，各类口罩进入市场。传统的口罩依靠物理防护，为了达到良好的过滤效率，滤网的筛孔非常小，因而佩戴时容易造成呼吸困难。口罩滤除悬浮颗粒的效率越高，造成的呼吸阻力就越大，呼吸就越费劲，长时间佩戴容易出现缺氧、胸闷等情况。为了兼顾口罩佩戴舒适性与过滤效率两方面的需求，我们设计出一种新型的电子口罩，既能保证口罩对PM2.5细颗粒物的过滤效果，又能减低呼吸阻力，提高佩戴的透气性。

　　区别于普通的物理防护口罩，我们设计的电子口罩具有以下2个突出优点：

　　1.有毛细管道水过滤层

　　为了增加空气与水的接触面积，我们使用很多毛细管道把气体分流到不同的管道当中，然后再把空气导入水中，并且使用超声波振动装置使水中气泡破裂，同时，储水容器中含有丰富的雾滴，雾滴和相对较小的尘粒相接触、结合，产生容易捕集的较大颗粒，在最后一层物理滤网过滤层中很容易被捕获。通过这种方法，可以有效地将直径小于20μm 的液态或固态粒子从气流中除去，同时，还可以有效除去雾霾主要污染源之一——二氧化硫和其他溶于水的有害气体，这是现有其他防雾霾口罩没有的特殊优点。

　　2.使用了负离子净化技术

　　为了进一步增加空气净化效果，我们增加了负离子净化技术，因为负离子具有杀灭病菌的作用，而且对人体健康也有很多好处。

　　基于提高透气性的目的，并且在采用上述两种技术的基础上，我们制作出了电子口罩。

　　电子口罩主要由口罩主体、口罩带、呼气阀和净化装置组成。其中空气净化装置是电子口罩的主要组成部分，由三层结构组成：第一层为毛细管道水过滤层，利用超声波振动的能量与空化作用使得水中的气泡迅速破裂变小，增大水与污染空气的接触面积和时间，捕获吸入污染空气中的微小颗粒和溶于水的污染气体（如二氧化硫等）；第二层为碳纤负离子发生层，用于产生负离子进一步净化空气，捕获没有被水雾层完全吸附的微小颗粒，使其互相吸引变大、结合，另外还有杀灭细菌的功效；第三层为物理过滤层，用于过滤空气中较大的雾滴。净化装置的模型主要分为上下两层结构。其中下层水箱是进行污染空气净化的主要地方，使用水和雾对空气进行净化；上层是负离子净化层、物理滤网和控制电路等，用于辅助净化。

　　接下来我们又对该电子口罩进行了过滤效率、呼吸阻力、工作时长的测试，并和市面上常见的3种雾霾防护口罩进行了雾霾防护实验数据的对比，测试时使用的是测量速度快、实时性好的激光散射测量法，测试结果分别见表1、表2。

　　另外，在工作时长上，当负离子产生模块和超声波振动模块同时工作时，电子口罩上配备的300mAh的锂电池可以在充满电的状态下连续工作5小时以上。在模拟测试中，当环境中的PM2.5浓度在700~900μg/m³时（远超过爆表门槛500μg/m³），电子口罩连续工作2小时后，口罩的呼吸阻力和过滤效果并没有明显变差，透气性良好，而市面上常见的防雾霾口罩如表1、表2中的3种N95标准的口罩，经过2小时使用后，滤网被PM2.5细颗粒物阻塞，呼吸阻力增大为原来的2倍以上，基本不能再使用了。对于电子口罩，基本只需要每天更换一次电子净化装置力里的纯净水，每周更换物理滤网即可，相对于传统的物理过滤口罩的成本更低。

本文由北京工业大学教授、博士生导师，中国人工智能学会科普工作委员会秘书长于乃功 进行科学性把关