離子風是氣體放電產生的高能電子推動中性粒子運動,從而在宏觀上表現為流體的一種現象。由於離子風具有低噪聲、低功耗、響應速度快和無機械運動部件等優點,在過去的數十年中,離子風的研究和應用取得了很大發展。離子風的流動特點、攜帶帶電粒子等屬性,決定了其在不同領域的廣泛應用,主要有食品乾燥、溫度控制、推進、助燃和空氣淨化等。離子風所具有的獨特優點使其應用前景光明,雖然離子風在很多領域還在實驗階段,並且一些關鍵問題還有待解決,但未來離子風的應用將會更加成熟。
潮溼環境易加速食物腐敗變質,因此食品乾燥技術對延長食品保質期至關重要。現有乾燥技術主要有加熱乾燥、真空冷卻乾燥、微波乾燥和太陽能幹燥。
加熱乾燥,透過升高溫度加速水分的蒸發,但較高的溫度會加速某些食品的損壞或變質,此外加熱乾燥能耗較高。真空冷卻乾燥,雖然不會損壞食物營養結構,但需要真空環境,能耗較高。微波乾燥和太陽能幹燥與加熱乾燥相似,難以避免對食物品質造成一定的損壞。張立等對不均勻電場下液態水蒸發的研究表明,一定電壓下高壓電極產生的離子風,可極大促進液態水的蒸發,為離子風乾燥食品提供了原理支撐。
Bai Yaxiang等對比了離子風(針-板式電極)與烤爐對海參的乾燥效果,結果表明,儘管烤爐乾燥速度快,但烤爐的高溫會使海參變質。而離子風不僅具有良好的乾燥效果,而且能耗僅為烤爐乾燥的21.31%。Ding Changjiang等對比離子風和烤箱乾燥後胡蘿蔔片中的胡蘿蔔素含量,發現前者含量遠高於後者。
以上研究表明,雖然離子風具有良好的乾燥效果且能耗低,但空氣電離出的臭氧等副產物與食品發生化學反應,比如A. Martynenke等研究離子風乾燥蘋果片時發現,離子風的確增強了蘋果片水分的蒸發,但蘋果片的顏色同時也發生了改變,其原因可能是放電副產物與蘋果表面發生了化學反應,生成醌類化合物。Yu Hongjian等使用離子風乾燥馬鈴薯片時發現,離子風對馬鈴薯還原糖的含量影響較小,但乾燥樣品在覆水後,存在質量損失現象,損失的成分主要是澱粉。
此外,電極結構對乾燥效果也有很大影響。T. Defraeye等對不同電極結構的離子風乾燥效果進行了對比,對比結果表明線-網式電極對食品的乾燥更均勻,乾燥率更高。這是由於電極結構直接決定了離子風流場的形態,食品與氣流的接觸面積不同從而導致最終乾燥效果的不同。
離子風乾燥法與傳統的乾燥方法相比,功耗小、噪聲低,在一定程度上可以防止食品損壞,但氣體放電產生的副產物可能導致食品變質,所以未來離子風在食品乾燥領域的應用需要解決的問題:
①由於氣體放電對空氣的電離,會產生臭氧等副產物,可能會與乾燥物表面物質發生化學反應,因此必須抑制氣體放電副產物的產生,減小對乾燥食品的影響;②目前離子風的強度不高,因此必須最佳化電極結構,提高幹燥效率。
針對副產物問題,可以在電極附近增加吸附裝置,吸收氧化物,吸附裝置可採用網孔狀,這是因為網孔狀裝置不會對離子風的風速產生較大影響。對於電極的最佳化,需要根據具體的應用效果進行改進,在乾燥領域,需要氣流達到一定的速度,又必須使流場均勻。可以採用曲率半徑較小的針電極作為高壓電極,電源採用正極性,正極性的離子風在相同電壓下比負極性離子風強度略高。地電極可以採用網狀電極,網狀電極可以使氣流分佈更加均勻,提高幹燥效率。
以上研究成果發表在2021年第13期《電工技術學報》,論文標題為“離子風的應用研究進展”,作者為張明、李丁晨 等。