Jonizacja powietrza

Jony w powietrzu naturalnym
Poszczególne typy ładunków elektrycznych – cząstek submikroskopowych (submikronów)- jonów powietrza znajdują się w atmosferze. Mogą to być atomy, cząsteczki, grupy cząsteczek lub cząstki takie jak kurz lub kroplista ciecz.
Jeśli atom traci elektron (na skutek wyparcia) dołącza do przyległej cząsteczki, która staje się jonem ujemnym, w efekcie tego pierwotna cząsteczka staje się jonem dodatnim. Zderzenia cząsteczek prowadzą do przemieszczania się ładunku.
Jony w sposób ciągły są produkowane w naturze. Kształtują się przez bombardowanie cząsteczek powietrza przez cząstki alfa i beta, przez wchłanianie promieniowania takiego jak: promienie Roentgena, promieniowanie gamma, promieniowanie kosmiczne i fale krótkie promieniowania nadfioletowego oraz przez ścinanie kroplistej cieczy i unoszący się w powietrzu śnieg i kurz. Tego rodzaju źródła energii wypierają elektrony z kształtu i mogą też przyczyniać się do formowania jonów o ładunkach dodatnich. Może być również tak, że naładowany ujemnie jon przyłącza się do naładowanych dodatnio zanieczyszczonych cząstek i alergenów w powietrzu. Ukształtowane w ten sposób duże cząstki są zdolne do upadania na ziemię oraz poza obszar powietrza dostępny dla organizmów żywych (rys.1).

Rys.1. Negatywny efekt działania w powietrzu dodatnich cząstek i alergenów na jony z ładunkiem ujemnym

Chociaż jony są w sposób ciągły kształtowane, są one również neutralizowane przez połączenie z jonami o przeciwnych biegunach do tego stopnia, że ich skupienie w atmosferze jest stałe. W czystym powietrzu, ponad ziemią jest od 1500 do 4000 jonów/cm3. Prawidłowy stosunek jonów dodatnich do ujemnych wynosi od 1,2 do 1,0. W powietrzu uprzemysłowionych miast jony dodatnie znacznie przeważają nad ujemnymi.
Jony są klasyfikowane również nie tylko ze względu na ich ładunek elektryczny (biegunowość), ale również według ich rozmiaru; poprzez małe, średnie do dużych. Małe jony składające się tylko z kilku cząsteczek pomiędzy 0,001 i 0,003 średnicy w mikronach. Duże jony są co najmniej 10 razy większe od małych jonów i mogą być w rozmiarach 0,1 średnicy w mikronach. Mały jon jest bardzo ruchliwy w porównaniu z dużym jonami. Jego prędkość w polu elektrycznym jest około 5000 razy większa niż jonów o dużych rozmiarach.
Dodatkowa różnica pomiędzy dużymi i małymi jonami jest w długości ich życia. Przeciętny odstęp czasu pomiędzy tworzeniem się i rozpadem małego jonu w czystym powietrzu jest około 4 do 5 min. W zanieczyszczonym powietrzu zwykle mniej niż minutę. Czas życia dużych jonów to około 15 do 20 minut w czystym powietrzu i około 1 godziny w powietrzu zanieczyszczonym.

Koncentracja jonów w atmosferze
Koncentracja jonów w atmosferze różni się powszechnie z miejsca do miejsca; liczba małych jonów, np. zmienia się w zakresie około 200 do 2200 na cm3, zależnie od lokalizacji geograficznej. W stosunku do zanieczyszczonego powietrza danego kraju i obszarów miejskich gdzie jest duża roślinność, małe jony przeważają podczas gdy w gęsto zaludnionych i uprzemysłowionych obszarach duże jony ogromnie przewyższają małe. Natomiast na dużej wysokości gdzie silne jest oddziaływanie promieniowania nadfioletowego i promieniowanie kosmiczne, koncentracja małych jonów w powietrzu jest dużo większa niż na poziomie morza.
Zmiany w meteorologicznych warunkach mają znaczący wpływ na efekt koncentracji jonów w powietrzu. W ogólnym spadku temperatury i wilgotności jest to redukowane a przy cyklach pogodowych związanych z opadami atmosferycznymi towarzyszy temu dynamiczny wzrost. Przykładowo w pochmurne dni, koncentracja jonów jest zazwyczaj mniejsza, niż ta w czasie przejrzystych bezchmurnych dni. Również podczas mgły ulega to dalszemu zmniejszeniu (redukcji). Najbardziej uderzającym efektem pogodowy jest silny deszcz zwłaszcza jeśli towarzyszą temu wyładowania w postaci grzmotów i błyskawic. W takich warunkach liczba małych jonów zarówno ujemnych jak i dodatnich powiększa się ogromnie (rys.2).

Rys. 2. Sezonowa koncentracja małych jonów (na cm3) w zależności od warunków pogodowych [2]

Efekt jonizacji powietrza
Pierwsze systematyczne badanie jonów w powietrzu i ich biologiczne efekty działania na ludziach odnotowano w 1931 roku w Niemczech. Do przeprowadzenia testów zaangażowano zarówno ludzi zdrowych jak i inwalidów. Wyniki pokazywały, że jonizacja powietrza przeciwnych ładunków ma różne efekty. Tak więc jony dodatnie powodowały wzrost w szybkości tętna, zwiększenie ciśnienia krwi i przyspieszoną przemianę materii w skutek nieprzyjemnych odczuć, jak: ból i zawroty głowy, znużenie.
Natomiast jony ujemne powodowały zmniejszenie tych fizjologicznych dolegliwości. Przyczyniały się też do wytworzenia dobrego samopoczucia.
Efekty badań były korygowane przez innych pracowników naukowo-badawczych, w celu uniknięcia sprzeczności w końcowej fazie uzyskiwanych wyników. Podobnie było w przypadkach badań innych grup badawczych. Uzyskiwano tylko od czasu do czasu wyniki sprzeczne lub bez wątpienia negatywne od uzyskanych wcześniej spostrzeżeń.
Wśród przeprowadzanych badań były również analizowane przypadki korzystnych efektów udziału jonów ujemnych na organizmach żywych. W klinicznym przypadku leczenia pacjenta cierpiącego na choroby przewodu układu oddechowego, okazało się, że dobrym w rezultacie środkiem leczniczym była właśnie terapia z zastosowaniem jonów ujemnych. W innej klinicznej analizie pacjenta cierpiącego na katar sienny i astmę uzyskano tymczasową ulgę, kiedy poddany on został działaniu jonów ujemnych. Po zaprzestaniu badań z udziałem jonów ujemnych, objawy chorobowe aktywowały się ponownie przy powrocie do normalnych warunków otoczenia nie wzbogaconego jonami ujemnymi w czasie od kilku minut do 2 godzin. Natomiast badanie efektu działania jonów ujemnych na ofiarach oparzeń pokazywało znaczne polepszenie w takich obszarach jak ulga w bólu oraz skrócenie w czasie okresu leczenia.

Koncentracja jonów w budynku
W pomieszczeniach mieszkalnych lub biurowych koncentracja jonów zmienia się zależnie od liczby przebywających osób i gęstości substancji zanieczyszczających środowisko, np. dym tytoniowy. Dodatkowy wpływ na wzmożoną emisję niekorzystnych dla samopoczucia jonów dodatnich ma obecność monitorów komputerowych, drukarek laserowych i wyposażenia z tworzyw sztucznych. Również w przypadku przeprowadzonego doświadczenia, kiedy włączony został grzejnik elektryczny, koncentracja małych jonów dodatnich w badanych pomieszczeniu zwiększała się czterokrotnie. W przypadku, gdy pomieszczenie jest „opuszczone” (nie przebywają w nim pracujące lub mieszkające osoby) następuje regeneracja „środowiska”. Powietrze powraca do pierwotnej koncentracji poziomu jonów, zanim przebywali w nim ludzie.
Wpływ na koncentrację jonów w pomieszczeniu można mieć w znaczącym stopniu poprzez stosowanie między innymi klimatyzatorów (typu split) z wbudowanym jonizatorem.(Rys.3). Oprócz realizowanych przez klimatyzator podstawowych zadań związanych z komfortem cieplnym czy regulowaniem przepływu powietrza, poprzez uruchomienie jonizatora w ciągu kilku minut klimatyzator dostarcza ujemnych jonów, niwelujących niekorzystne – dodatnie. W wyniku działania jonizatora powietrza w klimatyzatorze występuje silny wzrost koncentracji ujemnie naładowanych jonów w powietrzu, rozprzestrzeniających się stopniowo w pomieszczeniu. Rezultatem jest chłodne, świeże powietrze podobnie jak w lesie lub po burzy oraz przywrócenie koncentracji i energii.

Rys. 3. Jednostka wewnętrzna klimatyzatora typu split z jonizatorem [3]

Zmiany jonizacji powietrza narastają w czasie działania jonizatora w początkowej fazie szybko a później w stopniowo mniejszym tempie. Świadczy o tym bardzo duże skupienie ujemnie naładowanych jonów w pierwszej godzinie emisji i coraz wolniejszy ich przyrost w dalszych godzinach. Koncentracja małych jonów ujemnych w odległości 0,5 - 1 m od klimatyzatora z jonizatorem jest zgodna z wymogami określonymi w normach dla jonizacji powietrza w pomieszczeniach produkcyjnych i publicznych. Jonizacja powietrza sprzyja też intensywniejszemu przebiegowi procesu koagulacji drobnych cząstek pyłu – co prowadzi do oczyszczania powietrza [4].

Zakończenie
Jony różnych rodzajów i rozmiarów: małe, duże, przenoszące dodatnie ładunki elektryczne i ujemne są obecne w powietrzu. W przyrodzie i naturze ich ilość zmienia się na skutek zmian pogodowych, zmian zachodzących w kosmosie, regionu geograficznego i w zależności od warunków otoczenia m.in. środowisko budynku, działające w nim wyposażenie, liczba przebywających osób, wpływ ogrzewania i wentylacji.
Niezadowalająca jakość powietrza i odpowiedni bilans jonowy powinien być korygowany przez odpowiednie zastosowanie wentylacji i klimatyzacji; włączając w to filtracje powietrza, odpowiednie dostarczanie powietrza zewnętrznego, usuwanie i kontrolę w wytwarzaniu substancji zanieczyszczających powietrze.
Stosowanie jonizatorów oraz urządzeń klimatyzacyjnych z wbudowanym jonizatorem powietrza uzasadniają wyniki badań wykazujące zmiany w jonizacji powietrza. Zachodzą one nieuchronnie w miarę postępu cywilizacji technicznej oraz w środowisku i otoczeniu człowieka. Wyniki badań klinicznych, epidemiologicznych, klinicznych i doświadczalnych, potwierdzają korzystny wpływ zjonizowanego powietrza z umiarkowaną przewagą jonów naładowanych ujemnie – na organizm i ogólne samopoczucie człowieka. Użycie jonów ujemnych w niektórych klinicznych terapiach leczenia jak: nadciśnienie, astma, katar sienny i oparzenia odnotowywane jest jako korzystne ale jest też udokumentowane jako nieefektywne.
Na szczególną uwagę zasługuje jednak fakt, że poziom emisji jonów dodatnich w miastach w wyniku rozrastającego się przemysłu pogarsza się z każdym rokiem. Również postęp w rozwoju cywilizacyjnym powoduje niemożność rozwiązania tego problemu w ujęciu globalnym. Dlatego celem stosowania jonizatorów powietrza w urządzeniach klimatyzacyjnych powinno być wyrównanie niekorzystnych dla człowieka zmian, zachodzących w użytkowanych pomieszczeniach mieszkalnych, biurowych, produkcyjnych czy publicznych ogólnego dostępu oraz zbliżenie stanu jonizacji powietrza do tego stopnia, jaki występuje w naturalnym środowisku atmosferycznym.

Autor: inż. Norbert Stockfisch

Bibliografia:
[1],[2] Na podstawie C.Y. Shaw, G.T. Tamura: Air Ions And Human Comfort. 1978.
[3] Materiały katalogowe firmy Carrier. [http://www.carrier.com.pl]
[4] Materiały katalogowe firmy Fonko. [http://www.fonko.com.pl]
5. Chorny K.: Ways of Producing Healthy Ionized Air for Improvement of Indoor Air Quality. Exposure, Human Responses and Building Investigations. Proceedings of Healthy Buildings 2000, 2000;1:125–30.
6. Hawkins L, Barker, T.: Air ions and human performance. Ergonomics,1978;21(4):273-8.
7. Kreuger A.: Are negative ions good for you? New Scientist, 14 June, 1973.
8. Sulman F.: Absence of harmful effects of protracted negative air ionization. Biometeor, 1978;22(1)53-8.
9. Allergy UK; http://www.allergyuk.org
10. http://www.IndoorPurifiers.com
11.http://www.surroundair.com