CN106865700A - 电化学灭菌方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电化学灭菌方法，包括：使电极在2.5～4.0V的电压下电解电解质，以便进行电化学灭菌处理。采用该电化学灭菌方法可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。

Description

电化学灭菌方法
技术领域
本发明涉及电化学领域，具体而言，本发明涉及电化学灭菌方法。
背景技术
空气微生物污染是医院内感染的原因之一，但对于空气微生物污染危害的严重性以及如何有效地控制空气微生物污染，至今既没有统一的认识又缺乏持续灭菌的技术手段。在空气中，通过“气溶胶”扩散，人-人传播，造成烈性传染病的爆发流行是生物突发事件的基本危害方式。2003年爆发的SARS病毒疫情，短短6个月，疫情迅速扩展到全球32个国家和地区，累计报道疑似病例8422例，死亡916例。在确诊病例中，许多病例来自收治医院的空气交叉污染。因此，加快研发和使用可有效控制空气致病微生物繁殖和扩散的技术，是关系到国民经济发展和人类健康的重大事项。
抗菌是一个广义的概念，其包括家电本身具有抗菌的附加功能、对储物的除菌功能以及对异味的净化功能，这分别需要通过添加抗菌剂以及使用除菌净化模块来实现。对于除菌净化模块，常见的有紫外光、负离子、等离子、臭氧以及电解水等技术，但是部分模块在工作过程中存在臭氧释放超标、工作环境有限以及不具有广谱净化特性的缺点。
发明内容
本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现而提出的：
电能，是一种清洁能源，通过调整电极表面上的化学反应，可以用来合成氢气、氧气、臭氧、过氧化氢等。在电解反应中，阳极上的氧化反应产生有效的氧化剂(有效的氯气和过氧化物如臭氧和过氧化氢)，以及在某些情况下，还产生活性物质，如OH基团，含氯基团等。这些氧化剂或者活性物质，在短时间内具有除菌和消毒的功能。但是针对不同的电解质以及电极材料，需要设定不同的电解电压下才能达到节能和灭菌的最佳效果。过高的电解电压不但不利于节能，还会造成过度电解，使产生的氧化剂或者活性氧物质进一步被氧化成不具备灭菌功能的氧气，影响灭菌效果。
鉴于此，本发明提出了电化学灭菌方法。采用该电化学灭菌方法可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种电化学灭菌方法。根据本发明的实施例，该方法使电极在2.5～4.0V的电压下电解电解质，以便进行电化学灭菌处理。
由此，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
另外，根据本发明上述实施例的电化学灭菌方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述电解质为水溶液。
在本发明的一些实施例中，采用钌铱电极、铱钌电极、铱钽电极或铂电极进行所述电化学灭菌处理，所述钌铱电极、铱钌电极、铱钽电极或铂电极的电压均为3.0～4.0V。
在本发明的一些实施例中，所述电解质为含有氯的水溶液。
在本发明的一些实施例中，采用钌铱电极进行所述电化学灭菌处理，所述钌铱电极的电压为3.0～4.0V。
在本发明的一些实施例中，采用铱钌电极进行所述电化学灭菌处理，所述铱钌电极的电压为2.75～4.0V。
在本发明的一些实施例中，采用铱钽电极进行所述电化学灭菌处理，所述铱钽电极的电压为3.3～4.0V。
在本发明的一些实施例中，采用铂电极进行所述电化学灭菌处理，所述铂电极的电压为3.0～4.0V。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种确定上述电化学灭菌方法中电极电压的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：采用循环伏安法对所述电极进行测定，得到循环伏安曲线；根据所述循环伏安曲线确定所述电压范围值。
由此，根据本发明的实施例，采用该方法可以有效地确定得到适用于不同电极的电压值或电压范围值，进而，使不同电极在适用电压下电解电解质，进行电化学灭菌处理，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的确定电化学灭菌方法中电极电压的方法流程示意图；
图2是根据本发明一个实施例的含氯溶液中不同电极的循环伏安曲线图；
图3是根据本发明一个实施例的不含氯溶液中不同电极的循环伏安曲线图；
图4是根据本发明一个实施例的含氯溶液中采用铱钌电极进行灭菌测试的实验结果图；
图5是根据本发明一个实施例的不含氯溶液中采用铱钌电极进行灭菌测试的实验结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
在本发明的第一方面，本发明提出了一种电化学灭菌方法。根据本发明的实施例，该方法使电极在2.5～4.0V的电压下电解电解质，以便进行电化学灭菌处理。
根据本发明的实施例，发明人发现，现有的除菌技术中，紫外光灭菌需要避免人在现场，否则会对人体的眼睛和皮肤产生损伤，负离子和等离子等除菌技术除菌能力有限，臭氧有很强的腐蚀性，不宜在有人时使用。而电化学除菌技术中，水处理灭菌以及马桶除异味等是通过电解水的方式产生活性氧物质，直接针对于水中的微生物进行灭杀；而目前在电化学灭菌过程中，对于贵金属电极材料，如铂铱钌等电极，现有的电化学灭菌处理所采用的电压一般在7V以上，实际试验结合电解理论表明，电压过高会造成对电解质电解过度，产生大量不具备灭菌活性的物质，从而大大降低灭菌效率，同时还会造成能源的浪费并降低了电极的使用寿命。因而，现有的电化学灭菌方法无论是从安全性、成本以及灭菌效率方面，均未达到理想效果。
有鉴于此，发明人从电解过程的原理出发，利用恒电位仪等电化学测试仪器进行了大量实验，并从中确定了适用于不同材料电极的电压范围值，通过使不同电极在适用电压下电解电解质，进行电化学灭菌处理，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
根据本发明的实施例，电解质可以为水溶液。发明人发现，对于含氯或不含氯的水溶液，电解反应发生的原理不同，适用于不同电极的电压也不同。
根据本发明的实施例，对于含氯的水溶液，电化学灭菌的原理如下：
电极的阴极发生还原反应(析氢反应)：H2O+e-→1/2H2+OH-
电极的阳极发生氧化反应：2Cl-→Cl2→ClO-
其中阳极生成的氯气Cl2和次氯酸根离子ClO-具有灭菌活性，Cl2和ClO-可以进一步发生如下反应：
R+Cl2/HOCl/OCl-→intermediates+Cl-→CO2+H2O+Salts，其中R表示有机质，HOCl为Cl2或OCl-在水溶液中生成的次氯酸，intermediates表示反应中间体，Salts表示盐类，由此，Cl2和ClO-可以将微生物病菌杀灭，并生成二氧化碳、水和盐类。
进一步地，发明人进行了大量实验，并从中确定了当电解质为含氯溶液时，适用于不同电极的电压范围值。
根据本发明的实施例，当电解质为含氯溶液时，可以采用钌铱电极进行电化学灭菌处理，钌铱电极的电压大于3.0V即可，而为了节能并保护电极，合理的电压范围可以为3.0～4.0V。由此，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
根据本发明的实施例，当电解质为含氯溶液时，可以采用铱钌电极进行电化学灭菌处理，铱钌电极的电压大于2.75V即可，而为了节能并保护电极，合理的电压范围可以为2.75～4.0V。由此，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
根据本发明的实施例，当电解质为含氯溶液时，可以采用铱钽电极进行电化学灭菌处理，铱钽电极的电压大于3.3V即可，而为了节能并保护电极，合理的电压范围可以为3.3～4.0V。由此，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
根据本发明的实施例，当电解质为含氯溶液时，可以采用铂电极进行所述电化学灭菌处理，铂电极的电压大于3.0V即可，而为了节能并保护电极，合理的电压范围可以为3.0～4.0V。由此，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
根据本发明的实施例，发明人发现，当电解质为含氯溶液时，如果电极电压超过4.0V，电极材料会发生氧化腐蚀，电极寿命会明显下降。
根据本发明的实施例，上述含氯溶液的pH值可以为中性或碱性，上述针对于不同电极的适用电压范围在中性含氯溶液和碱性含氯溶液中均适用。
根据本发明的实施例，对于不含氯的水溶液，电化学灭菌的原理如下：
电极的阴极发生还原反应(析氢反应)：H2O+e-→1/2H2+OH-
电极的阳极发生氧化反应：H2O→·H2O+e-→·OH+·H
其中羟基自由基·OH具有灭菌活性，羟基自由基可以进一步发生如下反应：
R→RO+e-→CO2+H2O+Salts+e-，其中R表示有机质，Salts表示盐类，由此，羟基自由基可以将微生物病菌杀灭，并生成二氧化碳、水和盐类。
进一步地，发明人进行了大量实验，并从中确定了当电解质为不含氯溶液时，适用于不同电极的电压范围值。
根据本发明的实施例，当电解质为不含氯溶液时，可以采用钌铱电极、铱钌电极、铱钽电极或铂电极进行电化学灭菌处理，钌铱电极、铱钌电极、铱钽电极或铂电极均可以为3.0～4.0V。由此，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。发明人发现，如果电压过高，水会被过度电解生成氢气和氧气，氢气和氧气不具有灭菌功能，因而，对于不含氯的水溶液，电化学灭菌所采用的电压不能过高，否则会影响灭菌效果，同时，如果电极电压超过4.0V，电极材料会发生氧化腐蚀，电极寿命会明显下降。
根据本发明的实施例，上述不含氯溶液的pH值可以为中性或碱性，上述针对于不同电极的适用电压范围在中性含不氯溶液和碱性不含氯溶液中均适用。
由此，根据本发明的实施例，采用上述方法进行电化学灭菌处理，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
在本发明的第二方面，本发明提出了一种确定上述电化学灭菌方法中电极电压的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：采用循环伏安法对所述电极进行测定，得到循环伏安曲线；根据所述循环伏安曲线确定所述电压范围值。
具体地，参考图1，可以按照下列方法确定上述电化学灭菌方法中电极电压：首先将电解质(含氯或不含氯的水溶液)分别与不同电极材料组合，然后采用CHI电化学工作站进行循环伏安扫描，得到循环伏安曲线，进而结合不同电解质中不同的电解反应原理和循环伏安曲线确定不同电极在不同电解质中的适用电压范围值。进一步地，在上述确定的电压范围值下进行灭菌测试，以便验证不同电极在上述确定的电压范围值下的灭菌效果。
由此，根据本发明的实施例，采用该方法可以有效地确定得到适用于不同电极的电压值或电压范围值，进而，使不同电极在适用电压下电解电解质，进行电化学灭菌处理，可以在保证灭菌率不低于95％的同时，使能量消耗最低，并延长电极的使用寿命。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例1
确定含氯溶液中不同电极的适用电压范围值，结果如图2所示。
获得循环伏安曲线的实验步骤具体如下：采用恒电位仪CHI700E，将工作电极(电解产生除菌物种的电极)、辅助电极(对电极)置于含氯的电解质溶液中并连接好恒电位仪的接线，根据不同电极材料的耐腐蚀性能确定电势扫描范围。循环伏安曲线得到的是电压与电流的关系曲线。从曲线中电流的大小可以分析出此时电化学反应的进行状态，当电流开始呈上升趋势时，表明此时对溶液的电解过程开始进行。在含氯的水溶液中，Cl离子直接被氧化生成氯气，因此电流增大的起始点即为开始产生活性除菌物种的电势起始点，即电极在该电压下能够起到除菌作用。
结果表明，当电解质为含氯溶液时，钌铱电极的适用电压为3.0～4.0V，钌铱电极的电压为2.75～4.0V，铱钽电极的适用电压为3.3～4.0V，铂电极的适用电压为3.0～4.0V。
实施例2
确定不含氯溶液中不同电极的适用电压范围值，结果如图3所示
获得循环伏安曲线的实验步骤具体如下：采用恒电位仪CHI700E，将工作电极(电解产生除菌物种的电极)、辅助电极(对电极)置于不含氯的电解质溶液中并连接好恒电位仪的接线，根据不同电极材料的耐腐蚀性能确定电势扫描范围。循环伏安曲线得到的是电压与电流的关系曲线。从曲线中电流的大小可以分析出此时电化学反应的进行状态，当电流开始呈上升趋势时，表明此时对溶液的电解过程开始进行。在不含氯的水溶液中，电解水产生活性氧物种的步骤为：首先，水被电解为羟基自由基，随着电流继续增大，羟基自由基转化为氧气。而此过程中只有羟基自由基具有除菌功能，氧气不具备除菌能力。因此在电流稍有提高而未急剧升高的电势范围内，为适用的电解灭菌电压。
结果表明，当电解质为不含氯溶液时，钌铱电极、铱钌电极、铱钽电极和铂电极的适用电压均为3.0～4.0V。
实施例3
当电解质为含氯溶液时，测试采用铱钌电极进行电化学灭菌处理的灭菌效果，其中，采用的电压为实施例1中确定得到的适用电压，结果如图4和表1所示。
表1铱钌电极灭菌率(含氯溶液)
结果表明，当电解质为含氯溶液时，采用铱钌电极在使用电压范围内进行电化学灭菌处理，灭菌率可达96.0％以上，电压在4.0V左右已经能够达到非常理想的除菌效果，继续提高电压只会增大电极材料的负担且造成电能的浪费，并使电极材料寿命降低。
实施例4
当电解质为不含氯的溶液时，测试采用铱钌电极进行电化学灭菌处理的灭菌效果，其中，采用的电压为实施例2中确定得到的适用电压，结果如图5和表2所示。
表2铱钌电极灭菌率(不含氯溶液)
结果表明，当电解质为不含氯溶液时，采用铱钌电极在使用电压范围内进行电化学灭菌处理，灭菌率可达97.0％以上，当电压达到4.5V时，灭菌率下降至86.7％，根据图3所示，当电压低于3.0V时，电流未发生明显的增大，说明此时未发生对水的电解过程，此时的电流仅为电极材料表面充电电流，不具备除菌功能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种电化学灭菌方法，其特征在于，使电极在2.5～4.0V的电压下电解电解质，以便进行电化学灭菌处理。
2.根据权利要求1所述的电化学灭菌方法，其特征在于，所述电解质为水溶液。
3.根据权利要求2所述的电化学灭菌方法，其特征在于，采用钌铱电极、铱钌电极、铱钽电极或铂电极进行所述电化学灭菌处理，所述钌铱电极、铱钌电极、铱钽电极或铂电极的电压均为3.0～4.0V。
4.根据权利要求1所述的电化学灭菌方法，其特征在于，所述电解质为含有氯的水溶液。
5.根据权利要求4所述的电化学灭菌方法，其特征在于，采用钌铱电极进行所述电化学灭菌处理，所述钌铱电极的电压为3.0～4.0V。
6.根据权利要求4所述的电化学灭菌方法，其特征在于，采用铱钌电极进行所述电化学灭菌处理，所述铱钌电极的电压为2.75～4.0V。
7.根据权利要求4所述的电化学灭菌方法，其特征在于，采用铱钽电极进行所述电化学灭菌处理，所述铱钽电极的电压为3.3～4.0V。
8.根据权利要求4所述的电化学灭菌方法，其特征在于，采用铂电极进行所述电化学灭菌处理，所述铂电极的电压为3.0～4.0V。
9.一种确定权利要求1～8任一项所述电化学灭菌方法中所述电极电压的方法，其特征在于，包括：
采用循环伏安法对所述电极进行测定，得到循环伏安曲线；
根据所述循环伏安曲线确定所述电压范围值。
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