CN107708749B - 用于化学空气污染物的电流体动力增强的破坏和生物剂的空气中灭活的方法 - Google Patents

用于化学空气污染物的电流体动力增强的破坏和生物剂的空气中灭活的方法 Download PDF

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Abstract

用于电流体动力破坏气溶胶的方法和装置。所述方法包括接收具有大于约1微米的大的气溶胶和小于约1微米的小的气溶胶的空气，并使所述大的气溶胶和小的气溶胶夹带在空气流中。将空气流引导至电场，这使大的气溶胶与电场作用以积累电荷，导致大的气溶胶被从空气流中抽出。还将空气流引导至非热等离子体，使得小的气溶胶保持夹带在空气流中并经历电流体动力(EHD)现象。非热等离子体输出能够与小的气溶胶作用以导致小的气溶胶发生物理和/或化学破坏的自由基、受激物质以及电离的原子和分子中的至少一种。

Description

用于化学空气污染物的电流体动力增强的破坏和生物剂的空 气中灭活的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月7日提交的美国临时申请No.62/158,131的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开内容涉及化学空气污染物的电流体动力(electro-hydrodynamically,EHD)增强的破坏和生物剂的空气中灭活。
背景技术和发明内容
该部分提供了与本公开内容相关的不一定是现有技术的背景信息。该部分提供了本公开内容的一般概要，并不是本公开内容全部范围或所有本公开内容特征的全部公开内容。
对病毒爆发越来越多的公共警报已提高了公众对病原体如何传播以及可以采取何种健康保护措施来防止传播的关注。更一般地，由于空气中的化学污染物和生物病原体是看不见的，其很可能提高公众关注的水平，从而当健康影响严重时或者当来源分散、无法鉴别和/或不受控制时提高公众的关注。在发达国家中约75％的急性疾病为呼吸疾病，并且这些疾病的将近80％由通常在室内环境中传播的病毒引起。疾病在室内环境中传播的突出实例为2003年的SARS冠状病毒爆发，当时发现通过通风系统传输的粪便物质污染的气溶胶是在香港淘大花园高层公寓街区集中大规模SARS感染的原因。由于全球人口持续增长，城市人口持续因农村向城市迁移模式而膨胀，住宅和商业建筑占有者密度继续升高，因此室内空气质量的重要性将继续升高。
根据本教导的原理，提供了通过不需要颗粒过滤器的集中式HVAC系统对病毒和细菌的传播的预防，从而防止由外部生物剂引起的室内环境的污染。在一些实施方案中，本教导利用这样的一个或更多个放电：其施加使较大直径的传染性气溶胶充电同时将其从空气流中去除的电场，同时还引起使空气流和包含在空气流中的较小直径的传染性气溶胶集中在用于病原体破坏的最高电势区域的电流体动力现象，并且本教导提供了用于对不同病原体、空气流量、和一般空气条件动态响应以及减轻不期望的气态物质的装置。这提供了用于这样的中央HVAC系统的可能性：其没有与颗粒过滤器相关的能量损耗并且避免了在使用颗粒过滤器时必须使任一下游环境保持在产生的较低压力下。
本教导可用于许多种应用，包括但不限于商用HVAC系统、无菌室污染物控制、商用航空器舱室环境控制、生物安全、受限的动物操作等。本教导实现了许多益处，包括但不限于：无过滤器，与颗粒过滤器相比操作成本降低；可调谐；以及能够实现当今技术不可实现的EPA建议。
进一步的适用领域将通过本文提供的描述而变得明显。这个概要中的描述和具体实例仅旨在举例说明目的，并不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于举例说明选定的实施方案的目的，并不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开内容的范围。
图1为根据本教导的原理用于破坏化学和生物空气污染物的系统的电流体动力的透视图；
图2为电流体动力系统的示意性顶视图；以及
图3A至3D为在这样的系统内处理期间代表性空气流的二维数值模拟结果。所示为空气流动(0.1m/秒，从左侧进入)穿过的二维通道，其中沿中心线设置有三个线放电电极(直径0.5cm)。图3A和3B示出了在向线放电电极施加(3A)和不施加(3B)电压的情况下空气在通道中的流动模式的差异。在这两幅图中，流体流线表示流动方向并且阴影表示速度大小，其中图3A(施加电压-70kV)比图3B(0kV)示出更大的流动方向上的速度大小变化和更大的散度。在图3C和3D中，阴影表示污染物浓度。对于与图3A和3B相同的条件，在电流体动力增强的影响下(图3C)由包含受激物质的非热等离子体的破坏引起的空气污染物的破坏(67.3％)比在没有电流体动力增强情况下由等离子体产生的空气污染物的破坏(34.1％，图3D)更大。(反应速率＝1000m6/mol2)。
贯穿附图的几个视图，相应的附图标记表示相应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例性实施方案。提供示例性实施方案以使本公开内容全面，并且向本领域技术人员充分地传达其范围。阐述了许多具体细节例如具体部件、设备和方法的实例以提供对本公开内容的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员来说明显的是，不需要采用具体的细节，示例性实施方案可以以许多不同的形式来实施并且也不应被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的方法、公知的设备结构和公知的技术。
本文使用的术语仅为了描述特定示例性实施方案的目的而不旨在限制。如本文中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则没有数量词修饰的名词表示一个/种或更多个/种。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含(including)”和“具有(having)”为包容性的，并因此指定所描述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组分的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组分和/或其组的存在。除非明确指定为执行的顺序，否则本文描述的方法步骤、过程和操作不应解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行。还应理解，可以采用作为替代或补充的步骤。
如本文所讨论的，空气中的化学污染物和生物病原体提高了公众对病毒爆发和严重的健康影响的关注。因此，实现这些气传病原体的灭活的有效且经济的健康保护方法是非常期望的。
在本教导的一些实施方案中，使用伴随放电或非热等离子体(non-thermalplasma，NTP)的电场来提供多个有益效果。例如，根据一些实施方案，较大的气溶胶(例如颗粒直径大于约1μm的那些)积累较高的电荷，使其比较小的气溶胶更快地从空气流中被抽出。较小的气溶胶(例如颗粒直径小于约1μm的那些)保持夹带在空气流中，随着其与强电场相互作用而开始经历电流体动力(EHD)现象。较小尺寸的传染性气溶胶与受EHD影响的空气流一起被输送进入或接近非热等离子体存在的区域。为了本讨论的目的，通常使用气溶胶来表示细固体颗粒或液滴，包括但不限于雾、尘、颗粒空气污染物、烟雾、烟、病毒、病原体、细菌、花粉、谷物、孢子、空气污染物、生物剂等。大的气溶胶颗粒通常被认为是颗粒直径大于约1微米(μm)的那些气溶胶颗粒，而小的气溶胶颗粒通常被认为是颗粒直径小于约1微米(μm)的那些气溶胶颗粒。
等离子体由自由基、受激物质和电离的原子和分子组成，所有这些都是高反应性的。通过NTP催化的化学分解已经显示出通过类似于燃烧驱动的化学氧化(热等离子体的形式)固有的那些化学反应途径有效地破坏各种化合物。在生物病原体的情况下，认为自由基和受激物质化学攻击外膜或衣壳，由此，产生的损害导致结构完整性的丧失。利用EHD现象将空气流和夹带在其中的传染性气溶胶引向具有高浓度反应性物质的包含等离子的区域提高了通过化学、物理和放射过程完全灭活病原体的可能性。
图1和图2示意性地示出了根据一些实施方案这些不同的气溶胶行为在线板式配置中在EHD驱动的流体流动中如何表现。具体参照图1和2，在一些实施方案中，提供电流体动力系统10用于破坏大于约1微米的大的气溶胶颗粒和小于约1微米的小的气溶胶颗粒。电流体动力系统10可包含空气流处理系统12，其具有用于接收穿过其中的空气流的内部体积14。空气流可包含大的气溶胶颗粒16和小的气溶胶颗粒18。空气流处理系统12可包含接收具有大的气溶胶颗粒16和小的气溶胶颗粒18的空气的空气入口20。至少最初，空气处理系统12使大的气溶胶颗粒16和小的气溶胶颗粒18夹带在空气流中。当空气流穿过空气流处理系统12时，电场系统22输出能够将大的气溶胶颗粒16从空气流中抽出的电场并将电流体动力(EHD)现象施加到空气流和包含在其中的小的气溶胶颗粒18上。提供非热等离子体系统24，其输出非热等离子体26使得自由基、受激物质和电离的原子和分子中的至少一种与小的气溶胶颗粒18发生化学作用，导致小的气溶胶颗粒18发生物理和/或化学破坏。
在一些实施方案中，电场系统22和非热等离子体系统24上游(例如靠近入口16)的空气压力等于电场系统22和非热等离子体系统24下游(例如靠近出口28)的空气压力。
在一些实施方案中，应理解，电场系统22和非热等离子体系统24可被配置成一体化系统，使得电极同时用于输出电场和产生非热等离子体26。相反，应理解，电场系统22和非热等离子体系统24可以是可调谐以实现期望性能的离散系统。因此，除非另有声明，否则本教导不应被认为需要一体化或离散的配置。
在一些实施方案中，电场系统22和非热等离子体系统24可包含输出电场和非热等离子体26的线板式非热等离子体系统。线板式非热等离子体系统可包括多个线电极30。在一些实施方案中，线电极的间距可为约0.75m至约0.25m。然而，替代的线尺寸、间距和配置取向被认为是本公开内容的一部分。
线板式配置中的EHD现象具有使流体流动和夹带在其中的较小尺寸的气溶胶集中在线电极周围的稳定等离子体区域中的效应。以这种方式，线板式NTP配置利用EHD现象使所夹带的亚微米气溶胶暴露于线电极周围的稳定等离子体的相对小的区域中，使其向引起足以使病原体无传染性的物理、化学和基因损害的破坏性自由基物质的暴露最大化。
另外，与HEPA过滤器或甚至包括支持放电的材料的填充床的配置相比，经空气流横穿的无障碍流动路径实际上没有施加速度压头损失(压降)。还有证据表明，线板式配置的设计优化可以产生改善的性能：在最近的模拟中，已发现在保持恒定的电流密度时将线电极间距从0.75m减小到0.25m使气传病原体的灭活提高了25％。因此，应理解，电极位置、取向、数量和比例可以单独或共同产生改善的性能。
本教导可以与目前的紫外线杀菌照射(UVGI)技术形成对比。UVGI使用紫外线能量向气传病原体施加损害。其广泛用于表面消毒；然而，其真正空气消毒的功效目前尚未证实。与常规UVGI方法相比，本教导的显著特征是利用电流体动力(EHD)现象a)将较大的气溶胶从空气流中抽出而不需要空气过滤器，和b)通过传输较小的气溶胶使其与能够使病原体无传染性的破坏性反应性物质接触来使病原体灭活的效率最大化。
支持性数据包括提供了概念验证的模拟和比传统消毒技术更有效的气传病原体的灭活。此外，本教导使得能够实现无过滤器过滤，使过滤器购买成本最小化。由于系统中没有过滤器，预期操作成本低于使用过滤器的操作。
在NTP和热等离子体(即，燃烧)两者中，受激物质的浓度随着与来源的距离而降低。在热等离子体中，受激物质的浓度与热力学气体温度密切相关，火焰的最高温度区域为化学破坏提供了最大的可能。NTP通过由放电电极附近发生的高电势梯度引起的气体电击穿来驱动。本教导的区别特征为如何利用从空气流中根据尺寸抽出气溶胶和EHD现象的影响二者来防止传染性气溶胶的传播：较大的传染性气溶胶由于在电场存在下其获得的较多电荷和施加在其上的力而从流动中被抽出。较小的传染性气溶胶保持夹带在受EHD影响的空气流中，该空气流被输送至或接近其中存在最高浓度的自由基、受激物质和电离的原子和分子的非热等离子体区域。以这种方式，病毒、细菌或包含病毒和细菌的传染性气溶胶接受较高剂量的自由基、受激物质和电离的原子和分子，最终促进更彻底的灭活。图3A至3D呈现了数值建模模拟，其示出了EHD现象对流体模式的影响(与常规的电荷中性流体流动相比)，以及EHD现象对空气流中的污染物与通过三个线放电电极产生的受激物质之间的化学作用的影响(与常规的电荷中性流体流动相比)。
与现有技术的比较
对气传病原体传播最常用的防护是个人面罩。然而，由于当使用低渗透性过滤介质时会产生高能量损耗，这种过滤在加热、通风和空气调节(HVAC)系统中是有问题的。为了捕获微米级和更小的生物气溶胶(例如病毒和细菌)，颗粒物质(PM)渗透性非常低的过滤器(例如高效颗粒空气(HEPA)过滤器)可以用在面罩中，但对于用于便携式室内空气过滤器和HVAC系统，其通常被认为是不切实际或无效的。美国EPA建议：提供较低的PM去除效率但清洁空气递送速率(CADR)较高的适度可渗透性PM过滤器可以产生等同于使用更高性能但更昂贵的HEPA过滤器的室内空气质量并且比其更低廉地实现。虽然这样的折衷对于维持可接受的无生物活性的PM的浓度可能是合理的，但是已知病毒在低至1至10个感染单位的剂量为传染性的。因此，与无生物活性的PM相比，对生物气溶胶传染的保护措施需要更高水平的性能。
在HVAC系统内，用于防止气传病原体传播的现有技术包括紫外线杀菌照射(UVGI)或光催化氧化(PCO)，二者均使用紫外线能量向气传病原体施加损害。在PCO的情况下，催化剂的存在通过产生自由基和受激物质使紫外线照射的效果提高，在水蒸汽的存在下最有效。然而，由于催化剂的成本，PCO可能更昂贵，并且当目标为均匀照射和高的催化剂表面积与体积流率(空速)的比率时，UV源的优化配置可以是挑战性的。随着时间催化剂的有效性由于失活和积累的沉积物而降低。
在UVGI的情况下，发射的UV-C照射最通常用于施加直接的生物损害，类似于太阳紫外线对人皮肤细胞的损害。紫外线照射已广泛用于表面消毒，其中固定化病原体可被无限暴露。用于空气流消毒的UVGI为表面消毒方法的延伸，因为紫外线源照射其上收集气传病原体的PM过滤器的上游面。因此，用于延长UV暴露时间并实现较高UV剂量的PM过滤器的存在使常规UVGI区别于本技术，本技术在没有过滤器的情况下操作并且通过空气流的EHD操纵使气传病原体暴露于较高剂量的受激物质。一些UVGI制造商宣传他们的产品能够进行真正的空气流消毒，即，使流动空气流中悬浮的气传病原体灭活。美国EPA明确建议：这样的声明未经证实，未必是真实的，并且目前还没有用于评估这样的性能的普遍接受的测试程序。一个制造商的说明书文件列出了用于灭活90％和99％的多种病毒和细菌所需的紫外线剂量，提供了供应商认可的数据与EPA公告进行比较。American Ultraviolet Company提供了产品具体的UV-C照射强度的代表性产品规格表，并将它们与破坏多于二十四个生物体的90％或99.9％所需的值进行比较。对于设置在距离消毒表面两至三英尺的UV-C源，一分钟(仅对表面消毒应用可行的暴露时间)的照射提供15000μW-秒/cm2至35000μW-秒/cm2的剂量。如果认为一秒暴露时间是用于真正空气消毒的更有代表性的时间尺度，则产生的UV剂量(250μW-秒/cm2至580μW-秒/cm2)不足以满足90％的所有列出的生物体的破坏。单独的、独立的和同行评议结果表明甚至不太有效的破坏效率：由一分钟UV暴露产生的25mJ/cm2至50mJ/cm2(25000μW-秒/cm2至50000μW-秒/cm2)的UV剂量通常实现小于50％甲型流感病毒的破坏。
操作原理
与单独的物理过滤不同，非热等离子体(NTP)可通过1)较大颗粒的静电去除(>1μm)和2)通过直接等离子体暴露对剩余的较小颗粒进行杀菌来解决传播和传染性二者。
当施加的电场局部足够强以维持原子和分子的连续解离和电离(电击穿)以及自由电子的局部发射时，NTP为稳定放电形成的。在局部强电场的存在下，自由电子被加速到足以使另外的物质电离的速度(电荷级联)，并引发中性物质的化学分解反应。由NTP产生的反应性物质取决于所使用的载气；在环境空气中，NTP产生许多反应性物质，包括O·、OH-和OH·，这些物质比消费级臭氧化空气净化技术中使用的臭氧(O3)的反应性高多个数量级。
如本文所讨论的，NTP目前用于表面消毒，其中NTP使食物产品表面上的生物病原体灭活，治疗皮肤疾病并促进手术后的伤口康复。NTP还被彻底地研究作为气态污染物的有效处理，例如挥发性有机化合物和由燃烧产生的氮氧化物和硫氧化物(NOx和SOx)。
然而，这些两个公知的NTP应用的交集-空气流的消毒-可由于强电场单独和共同地对气溶胶和流体相运动的影响而非常复杂。流体动力学和静电学之间的这种结合被称为电流体动力学或EHD。在空气中，已发现NTP提供类似于在水中所观察到的杀菌和杀病毒的活性：反应性自由基和氧化剂攻击细菌细胞膜或病毒衣壳，引起损害，从而导致结构完整性的丧失和最终细胞死亡(细菌)或破坏病毒基因组注入细胞(病毒)。对于在水中裸DNA链的NTP处理，先前观察到λDNA(48 502bp)中的链断裂，观察到所施加的电功率与所测量的双链基因组断裂的速率常数之间的线性相关。
为了举例说明和描述的目的已提供了一些实施方案的前述描述。其不旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方案的个别元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下可互换的并且可用于选定的实施方案，即使没有具体示出或描述也是如此。同样可以以许多方式进行变化。这样的变化不被认为是违背本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (7)

1.一种用于电流体动力破坏包含生物病原体颗粒的气溶胶的方法，所述方法包括：
接收夹带在空气流中的包含两组生物病原体颗粒的所述气溶胶，所述两组生物病原体颗粒即大于1微米的大的生物病原体颗粒和小于1微米的小的生物病原体颗粒；以及
将所述空气流引导至电场，所述大的颗粒与所述电场发生相互作用以积累电荷，导致所述大的颗粒从所述空气流中被抽出，并将电流体动力（EHD）现象施加到所述空气流和包含在其中的所述小的颗粒上；
将所述空气流引导朝向非热等离子体，使得所述小的颗粒保持夹带在所述空气流中并经历电流体动力（EHD）现象，所述非热等离子体输出能够与所述小的颗粒发生作用的自由基、受激物质以及电离的原子和分子中的至少一种以导致所述小的颗粒发生物理和/或化学破坏。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在将所述空气流引导至所述电场的步骤和将所述空气流引导至所述非热等离子体的步骤之前的所述空气流的空气压力等于在将所述空气流引导至所述电场的步骤和将所述空气流引导至所述非热等离子体的步骤之后的空气压力。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述电场足以产生所述非热等离子体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中与所述电场相独立地产生所述非热等离子体。
5.一种用于破坏生物病原体颗粒的电流体动力系统，所述电流体动力系统包含：
空气处理系统，所述空气处理系统具有配置成用于接收穿过其中的空气流的内部体积，所述空气流夹带气溶胶，所述气溶胶包含直径大于1微米的大的生物病原体颗粒和直径小于1微米的小的生物病原体颗粒；
其中所述空气处理系统包含空气入口，所述空气入口配置成用于接收包含所述大的颗粒和所述小的颗粒的所述气溶胶的所述空气流，
电场系统，所述电场系统配置成用于输出能够将所述大的颗粒从所述空气流中抽出的电场并将电流体动力（EHD）现象施加到所述空气流和包含在其中的所述小的颗粒上；
非热等离子体系统，所述非热等离子体系统配置成输出包含自由基、受激物质以及电离的原子和分子中的至少一种的非热等离子体，所述非热等离子体系统能够与所述小的颗粒发生化学作用以将其破坏；
其中所述电场系统和所述非热等离子体系统包含输出所述电场和所述非热等离子体的线板式非热等离子体系统，所述线板式非热等离子体系统具有以0.75 m至0.25 m间隔开的多个线电极。
6.根据权利要求5所述的电流体动力系统，其中所述电场系统和所述非热等离子体系统上游的空气压力等于所述电场系统和所述非热等离子体系统下游的空气压力。
7.根据权利要求5所述的电流体动力系统，其中所述电场系统能够操作为产生所述非热等离子体系统的所述非热等离子体。
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