Bouwpakket: FK921 lucht ionisator

(gepubliceerd op 11-10-2023)

Met dit bouwpakketje kunt u een ionisator bouwen die de lucht in uw woonomgeving zou opschonen en uw gezondheid bevorderen. Wij schrijven bewust 'zou' omdat de werking van dergelijke ionisatoren nogal omstreden is.

Achtergrond informatie

De bouw van de materie

Volgens de klassieke natuurkunde is alle voor ons tastbare materie opgebouwd uit atomen. Zo'n atoom heeft een kern, waarin protonen en neutronen aanwezig zijn. Rond die kern draaien elektronen in welbepaalde banen. Alweer volgens de klassieke natuurkunde kunt u elektronen, protonen en neutronen voorstellen door minuscule harde bolletjes materie die bepaalde eigenschappen hebben. Eén van die eigenschappen is elektrische lading. Protonen hebben een positieve lading van +1, elektronen een negatieve lading van -1. Neutronen hebben geen elektrische lading en zijn dus neutraal. Een atoom is elektrisch neutraal, er zitten even veel positief geladen protonen in de kern als er negatief geladen elektronen rond de kern draaien.

Hoewel inmiddels duidelijk is dat deze voorstelling van zaken tamelijk primitief is kunnen wij er tóch vrijwel de gehele chemie en een groot deel van de elektrotechniek mee verklaren.

Het zuurstof atoom

De lucht die u inademt bestaat voor ongeveer 20 volume-procent uit zuurstof. Zuurstof is een voor het leven onmisbaar element. Alweer volgens de klassieke natuurkunde kunt u een zuurstof atoom voorstellen zoals getekend in de onderstaande figuur. In de kern zitten acht protonen en acht neutronen. Rond de kern draaien acht elektronen in twee banen of schillen. De schil die het dichtst bij de kern ligt noemt men schil K en daarin is plaats voor maximaal twee elektronen. De volgende schil heet schil L en daarin is plaats voor maximaal acht elektronen. Bij het model van het zuurstof atoom draaien er echter slechts zes elektronen in deze schil. Er is dus plaats voor nog twee elektronen.

De klassieke voorstelling van een zuurstof atoom.

(© Wiki Commons)

Ionen

Een element zoals zuurstof kan gemakkelijk twee extra elektronen in zijn buitenste schil opnemen. Als dat gebeurt wordt de ladingsneutraliteit van het atoom geschonden en krijgt het atoom een negatieve lading. Een dergelijk atoom noemt men een negatief ion of 'anion'. Het woord ion is afkomstig van het Griekse woord 'ιον'. Deze naam werd in 1834 bedacht door de Engelse natuur- en scheikundige Michael Faraday die dit woord toekende aan een toen onbekend deeltje dat in staan was in een waterige oplossing van één elektrode naar een andere elektrode te migreren.

De ionisator

Een ionisator of 'ionizer' is een apparaat dat atomen ioniseert. Dat wil zeggen dat een dergelijk apparaat in staat is een elektrisch neuraal atoom te voorzien van een positieve of negatieve lading. In het eerste geval gebeurt dit door elektronen uit het atoom te verwijderen. In het tweede geval doet men dit door extra elektronen in het atoom op te nemen. In het kader van dit artikel is alleen van belang dat het op een vrij eenvoudige manier mogelijk is een of twee elektronen in een zuurstof atoom te injecteren.

Dat gebeurt door een hoge ten opzichte van de aarde negatieve gelijkspanning op een naald aan te brengen. Bij het woord 'hoge' moet u denken aan spanningen tussen 5 kV en 10 kV. Uit de punt van de naald zullen dan elektronen in de atmosfeer worden gesproeid. Een proces dat te vergelijken is met het sproeien van verfdruppeltjes uit een spuitbus. Deze vrije elektronen hechten zich vrij gemakkelijk aan zuurstof atomen. In de buitenste L-schil is immers plaats voor twee extra elektronen. Dit proces is al eeuwen bekend en staat bekend onder de naam 'elektrische wind'. Als u de punt van de elektrisch geladen naald in de buurt van een kaarsvlam houdt zult u vaststellen dat de vlam van de kaars opzij wordt geblazen. Het is zelfs mogelijk dat de vlam wordt uitgeblazen! Blijkbaar wekt de interactie tussen de sterk geladen naaldpunt en de zuurstofatomen die worden geïoniseerd een flinke luchtverplaatsing op.

Een experiment waarmee u het waaien van de elektrische wind kunt aantonen.
(© Bernard Thomas)

Besluit

Door een hoge gelijkspanning van maximaal 10.000 V op een naald aan te brengen is het mogelijk de zuurstof atomen in de lucht te ioniseren, dat wil zeggen te voorzien van een negatieve lading.

Het ozon verhaal

Een belangrijk begrip dat u steeds tegenkomt als u leest over lucht ionisatoren is het woord 'ozon'. Ozon is een sterk reactieve, onstabiele verbinding van drie zuurstofatomen. Het woord komt van het Griekse 'ozein' dat ruiken betekent. Ozon heeft namelijk een doordringende geur en wordt door mensen al bij zeer lage concentraties waargenomen. Ozon kan ontstaan bij het ioniseren van zuurstof als er een te hoge gelijkspanning op de naald(en) wordt aangebracht. Door de te hoge spanning splitst een zuurstof molecule O₂, die uit twee atomen bestaat, zich op in deze twee atomen. Deze twee kunnen met een ander vrij zuurstof atoom een verbinding aangaan en een molecule vormen die uit drie atomen bestaat in plaats van uit twee. Een ozon molecule O₃ is geboren! 

Ozon werkt desinfecterend en wordt bijvoorbeeld in de industrie gebruikt om drinkwater te ontsmetten, bij het verwijderen van sporen van gisten uit lucht, bij het schoonmaken en bleken van stoffen, het ontgeuren van auto-interieurs en bij het verwijderen van ongewenste schadelijke stoffen (bijvoorbeeld herbiciden) uit water.

Ozon is dus een zeer agressief gas dat uw slijmvliezen kan beschadigen. Het dringt door tot diep in uw longen en veroorzaakt lokale ontstekingsverschijnselen. Mogelijke klachten bij blootstelling aan te hoge ozongehaltes zijn geïrriteerde ogen, prikkende neus en keel, droge hoest, piepende ademhaling, kortademigheid, een gevoel van ademnood, pijn in de borstkas, hoofdpijn en astma-aanvallen.

Bij het experimenteren met ionisatoren moet u er dus steeds voor zorgen dat de gebruikte hoogspanning zo laag is dat er zo min mogelijk ozon bij het proces wordt gevormd.

De gevolgen van geïoniseerde lucht

Goed of slecht, of doet het helemaal niets?

Iedereen die iets van natuurkunde en elektriciteit afweet zal bevestigen dat het inderdaad mogelijk is de zuurstof in de lucht op een dergelijke manier te ioniseren. Maar als het gaat over de gevolgen van die ionisatie lopen de meningen vér uit elkaar. Sommigen beweren dat het niets uitmaakt omdat de geïoniseerde zuurstof atomen de opgenomen elektronen weer snel uitstoten en dus weer neutraal worden. Anderen beweren dat geïoniseerde zuurstof atomen wonderbaarlijke effecten hebben op de menselijke gezondheid en concentratie-vermogen. Vanwege hun negatieve lading zouden geïoniseerde zuurstof atomen in staat zijn allerlei ongezonde stofdeeltjes, bacteriën en zelfs virussen aan zich te binden. Tijdens de COVID-19 crisis werd zelfs door sommigen beweerd dat ionisatie van de lucht een effectief beschermingsmiddel was tegen infectie met dit virus.
Over de werking van het systeem zijn twee gangbare theorieën in omloop. Volgens de ene theorie zullen deze aan zuurstof ionen gebonden ongezonde deeltjes in de omgeving neerslaan doordat ze een elektrische lading hebben. Volgens de andere theorie zijn schadelijke stofdeeltjes positief geladen en wordt deze lading geneutraliseerd door het negatief geladen zuurstof ion. In beide gevallen zou de lucht dus gezuiverd worden van schadelijke deeltjes door de lucht te ioniseren.

Tot slot zijn er ook nog deskundigen die beweren dat ionisatie schadelijk is en daarbij uiteraard wijzen op de productie van ozon door het apparaat.

Veel dure apparaten die erg veel beloven

Zoals steeds bij dit soort disputen zijn er handige zakenlieden die gebruik maken van de goedgelovigheid van een heleboel mensen en voor heel veel geld ionisatoren op de markt brengen die wonderbaarlijke effecten op de gezondheid van de kopers zouden hebben. Met reclamekreten als 'In de natuur vinden we lucht met veel negatieve ionen op plekken als de bergen, aan het strand en in het bos. Met een ionisator creëert u deze frisse lucht thuis of op uw werk. Zo ademt u geen ongezonde vervuiling meer in.' wordt de consument verleid om voor veel geld technisch vrij eenvoudige apparaten te kopen. In de onderstaande foto ziet u zo'n mooi apparaat dat voor € 184,97 wordt aangeboden en de lucht in uw woonkamer, dank zij ionisatie, zou ontdoen van alle schadelijke stoffen. Behalve een ionisator bevat een dergelijk apparaat altijd een ventilator, die de 'ongezonde' lucht in het apparaat zuigt en de 'gezonde' geïoniseerde lucht weer in uw kamer blaast.

Een commercieel aangeboden ionisator. (© Amazon)

Onderzoek van het RIVM naar de voor- of nadelen van ionisatoren

Omdat er bij de GGD's veel vragen binnen kwamen over het nut van ionisatoren heeft het RIVM in 2010 een uitgebreide literatuurstudie 'Ionisatoren en gezondheid' uitgevoerd naar de effecten op de gezondheid van het gebruik van lucht ionisatoren. Dit rapport staat bekend als het RIVM-briefrapport 609330004/2010 en u kunt het downloaden van onze cloud op Google Drive:

Aanklikbare link ➡ RIVM_briefrapport_609330004_2010.pdf

Wij publiceren hier de conclusies van dit rapport:

• De effectiviteit van ionisatoren voor vermindering van het aantal stofdeeltjes is afhankelijk van een groot aantal factoren waaronder de concentratie en aard van de deeltjes, de relatieve luchtvochtigheid, grootte en inrichting van de ruimte, de mate van ventilatie, sterkte van de ionisator en gebruik van de ruimte wat betreft het aantal personen en type activiteiten.
• Een ionisator kan leiden tot afname van het aantal vitale micro-organismen in de binnenlucht, met name bacteriën en schimmels. Enerzijds door afname van het aantal, anderzijds door afname van de eigenschappen van de deeltjes.
• Een ionisator kan leiden tot afname van het aantal allergenen in de binnenlucht en tot afname van de allergene eigenschappen van deze deeltjes.
• Ionisatoren zijn niet effectief in verlaging van de concentratie gasvormige bestanddelen in de omgevingslucht. In tegendeel, door chemische reacties kan de concentratie aan vluchtige stoffen vergroot worden.
• Ionisatoren produceren ozon dat door chemische reacties kan leiden tot de vorming van ultrafijne stofdeeltjes en vluchtige verbindingen.
• In dier-experimenteel onderzoek zijn aanwijzingen gevonden dat negatieve ionen de hoeveelheid serotonine doen afnemen en positieve ionen de hoeveelheid serotonine doen toenemen. In humaan onderzoek is dit niet bevestigd, zodat geen onderbouwde uitspraak mogelijk is.
• Voor astma is geen effect aangetoond van ionisatoren op symptomen, longfunctie en gebruik van medicatie.
• De effectiviteit van ionisatoren op stemming en depressiviteit is nog onvoldoende onderzocht voor een onderbouwde conclusie.
• Er is geen conclusie mogelijk over de effectiviteit van ionisatoren op problemen met aandacht en inprenting omdat het onderzoek nog te beperkt is.

Het bouwpakket FK921 van FutureKit

Inleiding

Helpt het of helpt het niet? Wij weten het niet en vandaar dat wij in het inleidend verhaal het onderzoek van het RIVM over het verschijnsel 'lucht ionisatie' hebben weergegeven. Als u met deze techniek tóch wilt experimenteren hoeft u echter geen meer dan honderd euro kostend apparaat te kopen. Dank zij dit bouwpakketje van het Thaise bedrijf FurureKit kunt u voor iets meer dan veertig euro zélf een ionisator in elkaar solderen.

Waar te koop

Wij kochten ons exemplaar bij het Thaise bedrijf Thaikit, via de onderstaande link

Aanklikbare link ➡ FK921-Air-Ionizer-Electronic-Kit

Het pakket kost daar $ 31.63, maar er worden vrij hoge verzendingskosten van $ 14.00 in rekening gebracht. U kunt betalen via PayPal of Visa, MasterCard of American Express. Het pakketje wordt ongeveer veertien dagen na de bestelling via postnl afgeleverd.

De levering

De print, de handleiding en de onderdelen zitten samengeperst in een klein plastic zakje dat weer in een papieren verzend-envelop is verpakt.

De levering van het bouwpakket. (© 2023 Jos Verstraten)

De handleiding

Deze bestaat uit één velletje papier met een korte beschrijving van het werkingsprincipe, het schema, de componentenopstelling en wat hints over de montage van de componenten.

 

De geleverde onderdelen

Het pakket bevat niets meer dan twee weerstandjes, de hoofdprint, een klein hulpprintje, een neon lampje, een kleine condensator, 26 hoogspanningscondensatoren en 26 gelijkrichtdioden van het type 1N4007. De hoogspanningscondensatoren zijn van het type CBB22, een gemetalliseerde polypropyleen film condensator met een werkspanning van 630 V en een waarde van 470 nF.

De geleverde condensatoren en gelijkrichters.
(© 2023 Jos Verstraten)

Het schema van de ionisator

Onderstaand schema kopiëren wij uit de handleiding. Zoals u ziet is het de bedoeling dat u de ionisator rechtstreeks uit het 230 V voedt. De schakeling is niets meer dan een spanningsvermenigvuldiger. Deze schakeling, ontwikkeld in 1932, staat bekend onder de naam 'Cockcroft-Walton', een uitbreiding van de 'Greinacher'-schakeling. Door het achter elkaar schakelen (cascaderen) van identieke condensator/diode-kringen ontstaat de spanningsvermenigvuldiging. In principe wordt iedere even condensator opgeladen tot twee maal de amplitude van de netspanning, dus ongeveer 650 V. In principe, want in de praktijk zal de spanning een stuk lager zijn vanwege de impedanties van alle condensatoren die in serie staan. Met dertien condensatoren in serie kunt u dus een spanning op de uitgang verwachten van ongeveer 8.000 V. Dit is hoog genoeg om de zuurstof atomen te ioniseren maar laag genoeg om niet al te veel ozon te genereren.

Het schema van de FK921 ionisator. (© FutureKit, edit 2023 Jos Verstraten)

De bouw van de schakeling

De print

De print is enkelzijdig en is 130 mm bij 70 mm groot. Beide zijden zijn voorgesteld in de onderstaande figuur.

Beide zijden van de print. (© 2023 Jos Verstraten)

Het bestukken van de print

In het zakje met onderdelen zit een aantal miniatuur messing spijkertjes. Soldeer vier van deze onderdelen in de vier gaatjes waarop u nadien de sproei-naalden moet solderen. Soldeer in de twee gaatjes waartussen u de netspanning moet aansluiten twee soldeeroogjes. Die worden niet meegeleverd, maar dit is toch wel handig om de netspanning gemakkelijk op de print te kunnen aansluiten. Soldeer vervolgens de twee weerstanden R1 (100 Ω) en R2 (5 MΩ). Als volgende stap komen de zesentwintig 1N4007 dioden aan de beurt. Let er op dat deze om en om moeten worden gesoldeerd. U start boven met de kathode rechts, de volgende diode heeft de kathode links, etc. Vervolgens komen de zesentwintig identieke 630 V condensatoren aan de beurt. U besluit de montage met het solderen van de vier meegeleverde naalden op de vier spijkerkopjes. In de onderstaande foto ziet u de compleet gemonteerde print.

De compleet gemonteerde print. (© 2023 Jos Verstraten)

Het hulpprintje

De ionisator doet zijn werk in stilte, u merkt niet of de schakeling het doet. Meten aan de schakeling is, vanwege de hoge spanningen, uit den boze!

Om de werking van de schakeling te controleren wordt een hulpprintje meegeleverd, waarop u een kleine condensator en een neon lampje moet solderen. Als de ionisator met het net is verbonden houdt u dit printje in de buurt van de naalden. Als de ionisator werkt gaat het neon lampje branden.

Het kleine hulpprintje. (© 2023 Jos Verstraten)

De ionisator in de praktijk

ATTENTIE, ATTENTIE!

Een waarschuwing is zonder meer hier op zijn plaats. Het is de bedoeling van de ontwerpers dat u de schakeling rechtstreeks uit het 230 V net voedt. Let dus heel goed op wat u doet! Gebruik, bij de allereerste experimenten, een scheidingstrafo. 

Realiseer dat de condensatoren worden opgeladen tot een spanning van ongeveer 600 V en dat deze spanning, ook na het van het net halen van de print, nog een tijdje op deze onderdelen aanwezig blijft. Wacht, na het uitschakelen van de ionisator, minstens vijf minuten alvorens u iets met de print doet.

Monteer de print in een kunststof kastje dat u voorziet van een heleboel kleine gaatjes. De lucht moet vrij door de behuizing kunnen circuleren!

Wat wij van de werking merken

Als u de print op een tafel zet en via een scheidingstrafo verbindt met de 230 V kunt u, als u heel voorzichtig een vinger in de buurt van de naalden houdt, de kleine luchtstroom voelen die veroorzaakt wordt door de eerder genoemde 'elektrische wind'. Ook ruiken wij in de buurt van de naalden duidelijk de kenmerkende geur van ozon.

Een andere methode om de werking van de schakeling te controleren is een kaarsje in de buurt van een van de naalden op te stellen. Wacht tot de luchtcirculatie in de kamer rustig is geworden en de vlam van het kaarsje recht brandt. Sluit dan de ionisator aan op het net. Na een paar seconden ziet u hoe het vlammetje naar rechts wordt geblazen door de elektrische wind. 

Een kaarsvlam wordt naar rechts geblazen door de werking van de ionisator.
(© 2023 Jos Verstraten)

(Sponsor advertentie)