Ion trong không khí

Hầu như toàn bộ các ion dương (“+”) tự nhiên trong điều kiện thời tiết đẹp đều sinh ra từ việc các electron tách ra khỏi nguyên tử. Khoảng 40% các ions trong không khí bắt nguồn từ các khoáng chất phóng xạ trong lòng đất. Mỗi khi một nguyên tử phóng xạ phân rã gần không khí, nó thường giải phóng một hạt năng lượng alpha, tạo ra 50,000 – 500,000 cặp ion trong không khí trên đoạn đường vài cm mà hạt alpha đi qua. Một phần 40% khác đến từ khí Radon (ký hiệu Rn) trong không khí (250,000 cặp ion trên mỗi nguyên tử Radon), và 20% còn lại đến từ các tia vũ trụ (các proton năng lượng cao từ các siêu tân tinh ở xa). Trong nhà, các ion thường “sống” khoảng 30s trước khi chạm đến bề mặt tường và mất đi điện tích. Các ion ngoài trời thường tồn tại lâu hơn vài phút. Các ion âm tự nhiên thường sinh ra từ việc phân tách electron và nước bay hơi. Sấm sét và cháy rừng có thể góp phần làm tăng lượng ion “+” và ion “-“, nhưng không thể tạo ra các ion này ở điều kiện thường ngày.

Để tạo ra ion cần phải có một nguồn năng lượng. Nguồn “năng lượng” có thể là nguồn nhiệt hoặc ngọn lửa, sự phóng xạ, sự cọ sát, điện, sự bay hơi, etc. Các khoáng chất không có tính phóng xạ không sinh ra ion một cách tự nhiên. Mật độ ion khi thời tiết đẹp là khoảng 200 tới 800 ion âm và 259 tới 1500 ion dương trên mỗi centimet khối. Mật độ ion ở môi trường trong nhà thường thấp hơn mức này. Nhiều giờ trước một cơn bão, mật độ ion dương sẽ tăng cao đột ngột, đôi khi vượt mức 5000 ion/ cm³ . Trong cơn bão, lượng ion âm tăng lên vài nghìn lần trong khi lượng ion dương lại giảm, thường là xuống dưới 500.

Ion cũng có thể được tạo ra bởi các sự kiện năng lượng cao, như là một ngọn lửa hay một vật nóng cháy đỏ. Các vật nóng thường sản sinh ra số lượng cân bằng các ion dương và âm. Điện thế cao DC, đặc biệt là khi kết nối với các lưỡi kim loại hay các đầu kim, sẽ tạo ra các ion cùng điện tích với điện cực của nguồn. Đây là lý thuyết cơ bản về điện ion hóa. Nước bay hơi sẽ sinh ra các ion âm trong không khí và kết quả là các điện tích dương bị bỏ lại phía sau chưa kịp bay hơi. Nếu các điện tích dương dư thừa còn lại trong nước không được dẫn xuống đất, nước sẽ tích điện dương đến mức đủ làm giảm sự sản sinh ion âm. Ví dụ như, một đài phun nước có một động cơ hoạt động bằng điện sẽ liên tục tạo ra ion âm (cho đến khi cạn nước) nhưng nếu hoạt động bằng pin nó sẽ ngưng tạo ra ion âm sau một vài phút nếu đài phun nước được cách điện tốt không tiếp xúc với đất. Nó cũng đúng với trường hợp của máy tạo ion không khí hoạt động bằng pin. Tóm lại, với mỗi 3×10¹⁴ phân tử nước bay hơi, một phân tử nước mang điện tích âm dư.

Do sự tập trung của ion dương sẽ thu hút các ion âm, nên các ion dương và âm thường được tìm thấy cùng nhau. Thông thường, bạn có thể tìm thấy một nơi tập trung lượng lớn ion âm và dương (1000 hoặc hơn) ở ngoài trời trong khi lượng ion ở nơi cách đó một khu phố lại thấp (300 hoặc thấp hơn). Một đám mây chứa toàn ion dương (không có ion âm) với mật độ khoảng 1000 ion/ cm³ thường sẽ không bền và bị tan rã nếu đường kính lớn hơn 30m (100′). Vì lý do này, các đám mây tập trung duy nhất ion dương (hoặc ion âm) thường có kích thước nhỏ gọn và không vượt quá 30m. Ngoại lệ duy nhất là trong các cơn bão, khi điện trường đủ mạnh để duy trì mật độ lớn các ion cùng một điện tích. Trong nhà, mật độ ion có thể dao động rất lớn ở những khu vực khác nhau (kể cả khi chỉ cách nhau chưa đến 1m). Sự khác biệt lớn này xảy ra do sự hòa trộn không khí (tuần hoàn) thường kém hoặc hoàn toàn không có ở môi trường trong nhà. Vì vậy, ví dụ như một máy tạo ion âm được dùng trong nhà, thường cần phải lắp thêm quạt; nếu không, các ion có thể chỉ tập trung lại như một “đám mây vô hình” trong khu vực chưa tới 2m trước máy tạo ion. Điện trở suất của không khí (đơn vị Ω⋅m) là 6×10¹⁸ /N, với N là số ions/cc (ion dương hoặc ion âm tùy theo giá trị nào thấp hơn). “Chu kỳ bán rã” (tính bằng giây) của điện tích trên một vật tích điện là khoảng T1/2 = 1.2×10⁵/N.

Thời gian tồn tại của các ion “nhanh” (đây là loại ion phổ biến nhất) được xác định bởi khoảng thời gian trước khi chúng va chạm với một chất rắn (hoặc bụi) có khả năng trung hòa điện tích của chúng. Không gian trong nhà có điện trường mạnh hơn bên ngoài. Các bề mặt nhựa tích điện đến mức điện thế điển hình là -1000V. Điều này tạo ra các điện trường 500 – 5000 vôn trên 1m (V/m) gần các bề mặt nhựa. Điện trường đẩy lùi các ion âm (các phân tử không khí có thêm các gốc O- hoặc OH-). Khả năng di chuyển của các ion “nhanh” là khoảng 1.2×10^-4 m/s trên V/m (mét/giây trên vôn/mét). Do đó, trong một điện trường thông thường gần các bề mặt nhựa tích điện 2000 V/m, các ion nhanh điện tích âm sẽ bị đẩy lùi với tốc độ 2000 x 1.2×10^-4 = 0.24 m/s. Các ion dương (các phân tử không khí có thêm các gốc H+ hay các gốc phân tử amoniac dương) bị hút về các bề mặt nhựa bởi cùng loại điện trường. Khả năng di chuyển của các ion nhanh điện tích dương thấp hơn một chút (khoảng 1×10^-4 m/s per V/m) do đó chúng cũng có vận tốc thấp hơn. Ngoài ra, cũng có các “chậm” thường di chuyển chậm hơn trong cùng điện trường bởi vì chúng có thể tích lớn hơn (trên số lượng điện tích). Thông thường các ion chậm này ít phổ biến hơn các ion nhanh. Máy đếm ion AIC2 phát hiện cả hai loại ion và hiển thị con số tổng của các điện tích trên 1cc trong không khí. Tuy nhiên, độ nhạy với các ion chậm thấp hơn khoảng 50%. Nếu các ion dương trong không khí chạm vào các bề mặt nhựa tích điện âm, các ion này sẽ mất đi điện tích dương của nó. Điều này trung hòa một phần điện tích âm trên bề mặt nhựa. Dưới các điều kiện thông thường, 99% sự trung hòa điện tích âm trên mặt nhựa sẽ xảy ra trong vòng vài giờ. Tuy nhiên, các hạt bụi bay ngang qua sẽ cọ xát với bề mặt nhựa và lấy đi điện tích dương. Các hạt bụi này sau đó mang điện tích dương đi (cuối cùng là xuống đất). Kết quả là, bề mặt nhựa vẫn luôn còn một phần điện tích âm. Một cách tốt để chuẩn hóa (và kéo dài) thời gian tồn tại của các ion ở môi trường trong nhà là đặt chúng trong một thùng các – tông lớn. Các – tông một phần nào đó có thể dẫn điện, do đó điện trường bên trong hộp sẽ nhỏ. Thời gian tồn tại trung bình của ion trong một thùng các – tông thể tích 1 feet khối là khoảng 50 giây, không kể độ ẩm, do đó, 4 pCi/L radon trong thùng, sẽ liên tục sản sinh ra 1600 ion dương/cm3.

Có thể trực tiếp tạo ra ion âm bằng cách cọ vải cotton (hoặc tóc) với các vật bằng nhựa, sẽ khiến phần nhựa phát sinh ra ion âm. Cũng có thể dùng lược nhựa chải tóc để làm điều tương tự. Nếu thổi không khí qua lược, không khí sẽ chứa khoảng 1000 đến 10,000 ion âm/cm³ ngay lập tức phía sau lược. Con số này sẽ thấp hơn trong điều kiện độ ẩm cao. Hơn nữa, trong hơi thở có chứa khoảng 20,000 tới 50,000 ion âm/cm³ từ hơi nước bay hơi, nhưng bạn phải được “nối đất” để có thể thở ra một mật độ ion cao như vậy. Nếu bạn được cách điện với đất, cơ thể bạn sẽ tích điện dương càng nhiều với mỗi lần hít thở (khoảng 5V) bởi vì hơi thở của bạn loại bỏ dần ion âm. Cuối cùng, bạn sẽ tích đủ điện tích dương (sau khi hít thở 20 lần) đến mức các ion âm sẽ ngày lập tức quay lại với bạn. Đây là hiệu ứng tương tự xảy ra trong các hệ thống lạnh của các tòa nhà sử dụng tháp giải nhiệt nước. Nếu không được nối đất đúng chuẩn, bơm nước và các lỗ thông hơi sẽ nhiễm điện dương rất nhiều. Nếu các lỗ thông hơi bên trong không tiếp xúc với hơi nước thông qua bộ trao đổi nhiệt, chúng có thể nhiễm điện dương và sản sinh ra lượng lớn ion dương. Điều này có thể được khắc phục đơn giản bằng cách nối đất lỗ thông hơi.

Ở môi trường trong nhà, tầng trệt hoặc tầng hầm, phần lớn ion dương có nguồn gốc từ khí radon, mặc dù một số ion cũng có thể xuất phát từ các nguyên tố rắn như thorium và uranium nếu các nguyên tố này nằm trên bề mặt của bê tông hoặc các hòn đá. Số lượng ion tỉ lệ thuận trực tiếp với mật độ radon nhân với thời gian tồn tại trung bình của ion. Các điện trường mạnh trong nhà sẽ làm giảm thời gian tồn tại của ion. Bởi vì một mật độ ion cao lên đến 1000 ion dương/cm³ (khi máy đo nồng độ ion AIC2 hiển thị số 1.00) không thể đến từ nguồn nào khác ngoài sự phân rã phóng xạ, ngọn lửa, khói hay một thành phần được gia nhiệt bằng điện, nên con số 1000 ion dương/cm³ trong tầng hầm cho thấy lượng khí radon tối thiểu phải là 4 pCi/L (picocuries trên lít) (2000 ions/cm³ tương đương 8 pCi/L, etc.). 4 pCi/L là lượng tối đa được cho phép ở U.S. Nếu radon là nguồn sản sinh ra ion thì mật độ ion sẽ xấp xỉ bằng nhau ở mọi khu vực dưới tầng hầm. Nhưng nếu như lượng ion dương gần một máy đun nước là 1000 ion/cm³ nhưng ở những chỗ khác là 100 ion/cm³, thì nó không sinh ra từ khí radon mà là từ một phần nhỏ khí thải của máy đun nước. Mật độ ion dương cao hơn một ít gần các khe nứt của phần móng bê tông hoặc gần các góc tường cho thấy khí radon đang đi đến đó. Nếu lượng ion dương trung bình đếm được thấp (ví dụ như, thấp hơn 100), thì khả năng cao là không có sự hiện diện của khí radon. Việc “giấu” các ion tạo ra bởi khí radon là điều không thể. “Không có ion dương” đồng nghĩa với việc “không có khí radon”.

Nguồn: AlphaLab Inc.