放电等离子体空气灭菌净化技术的研究

1、高电压新技术与应用放电等离子体空气灭菌净化技术的研究Study o n the Technolog y o f Air Sterilization by Discharge Plasm as罗跃辉1,杨兰均1,冯允平1,于立明2(1.西安交通大学电气学院,西安710049; 2.西安航泰技术有限公司,西安710089摘要研制了一种利用放电等离子体灭菌的空气消毒净化机,它采用一种独特的横置多重式静电场装置,可在有人情况下连续消毒杀菌,实践应用表明效果良好。AbstractT he t echnolo gy o f air sterilizat ion by use ofdischar ge pl

2、asmas is st udied in this paper.Fur thermo re,anair-ster ilizing machine has been dev elo ped based on thisprinciple.A unique hor izontal multi-layer electrical dev ice isfurnished in the machine.T he air-sterilizing machine cansterilize air co nt inuo usly ev en peo ple ar e in the r oo m.It seffic

3、iency of killing bacteria is hig h,and it has applied fo rnatio na l patent.关键词空气消毒净化放电等离子体Key wordsair ster ilizatio ncleaningdischar ge plasmas中图分类号T673.2文献标识码A0引言目前国内手术室常用的物理和化学消毒方法,如紫外线、药剂、臭氧等只能用于终末消毒而手术过程中室内人员的活动会使微生物浓度反弹升高,甚至达到消毒前的水平,表1为一次手术室中实测数据1。在有人场合如何经济节省又持续有效的控制细菌总数,是当代空气消毒技术发展的重要方向。在借鉴国

4、内外一些研究的基础上,我们利用高频正脉冲高压放电等离子体进行空气灭菌净化的技术研制出一种空气消毒机。表1手术室中细菌种类菌种葡萄球细球革兰氏阳其它合计菌落数3694562410214687新研制的空气净化机的特点是: 能在动态状况下进行连续消毒灭菌净化,对人和医疗设备无任何危害; 广谱杀菌效果;高除尘除异味效率;!成本仅是层流洁净室的3%5%。1原理1.1等离子体灭菌原理空气消毒机的核心部分是静电场装置,它是由线 板电场组成的具有静电增强效应的灭菌除尘结构,能持续不断的产生甚高浓度的正离子。带负电的细菌流经电场时,就会处于正离子的浸渍包围之中,迅速发生电解2,破坏细胞壁进而致死细胞。细菌致死作

5、用由细胞膜开始,一个6nm厚的细胞膜上存在1V的电位差时就会受到侵蚀,此时膜上场强达(1/6×109V/m。低频时细胞膜的容性电抗 细胞内部阻抗,故细胞所承受的几乎所有的电位差都落在细胞膜上。频率<1M Hz的脉冲波在直径10 m的细胞内部施加的电位差也是1V时,其场强105V/m 细胞膜上的场强。1.2颗粒荷电灭菌效率与颗粒荷电的速率及饱和电荷的大小直接相关,饱和电荷q ps是颗粒能得到的最大电荷,对球形颗粒q ps=(3k/(k+2 0d2E3式中,k是介电常数,空气取1;0为真空介电常数; d是颗粒直径;E是距颗粒无穷远处场强,颗粒荷电饱和时,就不再有离子到达颗粒。球形颗

6、粒荷电时间t=t0q p/q ps1-q p/q ps,t0=40N q e K式中,t0为荷电过程的时间常数,q p是颗粒表面电荷,N为颗粒附近空间单位体积内离子个数,q e为电子电荷1.6×10-19C,K为离子迁移率。图1说明了荷电开始进行得很快,当接近q ps时则变得很慢。图1球形颗粒荷电量与时间的关系1.3参数计算设计静电场结构时必须考虑电晕线表面场强和电晕有效半径,它们越大,灭菌效率就越高。392001年10月高电压技术第27卷第5期电晕线表面场强E k =mU /r ln(d /r 式中,U 是外施电压,r 是电晕线半径,d 是线与板的最小间距。而m 是综合考虑各种因素

7、影响而加的系数,对本装置取0.6。研究表明4,电场强度大于15kV /cm 时细菌会破坏,故电晕有效半径为:a =mU /15ln(d /r U 越高,d 越小,E k 越高,a 也越大。但U 过高或d 过小,将使静电场装置闪络过于频繁而影响正常工作,甚至使电极击穿。r 则越小越好,既增加表面场强,又减少臭氧发生量,兼顾强度可取0.050.1mm 。1.4抑制臭氧措施臭氧具有很强的氧化能力和杀菌能力,它能很好的杀菌和除臭,它是一种有害的气体污染物,并有腥臭味。国家标准规定,空气中!(O 380×10-9,放电等离子体空气消毒机用以下措施抑制臭氧: 采用正电晕放电形式; 采用不锈钢圆形

8、细电晕线; 供电电源为可靠稳定的高压正脉冲电源;!制作工艺精良。采用这些措施后,臭氧未完全消除而是限制在一定水平上。因一定量的臭氧可增强消毒机的灭菌效果,且带有臭氧的空气在经过第三级纤维层过滤器后,臭氧浓度很小,对人和室内设备无伤害。2装置结构及气流特点消毒机的核心静电场装置结构见图2,电晕极为进口高强度不锈钢细线,收尘极为波状铝合金板,波状阴极既能维持放电,又能改变气流方向和吸附细小颗粒,静电场装置中的气体流向见图3 。图2 静电场装置结构图图3静电场装置气体流向因此,消毒机具有以下特点: 线状阳极横置,每排装有多根电晕线,这样带细菌的空气在风机的作用下从其下部强制上升,经过多个放电区,灭菌

9、效率极佳;而且具有广谱性,实验中发现它对葡萄球菌、大肠杆菌、枯草杆菌、霉菌、真菌、支原体、病毒等均能高效杀灭; 波状曲流式阴极阻碍上升空气,并改变气流方向,吸附尘粒,提高灭菌和除尘效率; 结构紧凑,风阻小,效果好。3应用实例西安市西京医院一6.13m ×3.30m ×4.80m 的骨科标准手术室中用一台放电等离子体空气消毒机进行消毒试验,室温18,相对湿度75%,试验人员2名,于距离地面1.3m 处用细菌暴皿法五点采样,并设立平行样,消毒机带和不带活性炭过滤层的测试效果见表2。可见: 放电等离子体空气消毒机可在有人场合连续进行除菌消毒,其性能优于传统的臭氧、紫外线、化学药物

10、等方法;且动态灭菌率95%,空气清新无异味,而且具有广谱性,实验中发现它对对葡萄球菌、大肠杆菌、枯草杆菌、霉菌、真菌、支原体、病毒等均有高效的灭菌效果; 活性炭过滤层对细菌等微生物的除去效果不大,主要起吸附臭氧等有害气体和异味的作用。表2等离子体消毒机灭菌效果开始后采样时间/min0306090120有过滤层无过滤层菌落数26192111511251138921991476049除菌率/%4结论a.放电等离子体空气灭菌技术能在有人场合持续消毒灭菌。特别适于手术过程中有效地控制细菌总数,是传统消毒方法所不能及的。b.研制的等离子体消毒机可除尘消毒,高效杀菌,其灭菌效果具有广谱性,且体积小,造价低。参考文献1何德林.空气净化技术手册.北京:电子工业出版社,19852Char les P .Biolog ical a pplicatio ns of larg e electric fields .so me hist or y a nd fundamenta ls.Plasma Science,2000,28(1:63马丁克劳福德.空气污染控制理论.北京:冶金工业出版社,19854T ho mas C M et al.A n o ver view of resear ch using theone atmo s