CN109790023A - 包含氧气的气体混合物用于臭氧生产的应用 - Google Patents

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Abstract

公开了一种制备臭氧的方法，该方法包括：提供气体混合物，该气体混合物包括：a)5vol.％至50vol.％的氧气；b)50vol.％至95vol.％的氧化物气体；使气体混合物经臭氧产生过程生产臭氧。还公开了一种组合物的应用，该组合物包括：a)5vol.％至50vol.％的氧气；b)50vol.％至95vol.％的氧化物气体，作为制备臭氧的反应物。

Description

包含氧气的气体混合物用于臭氧生产的应用
技术领域
本发明涉及一种臭氧生产方法。更具体地，本发明涉及使用包含氧气和氧化物气体的气体混合物生产臭氧的方法，以及特定的气体混合物作为臭氧产生工艺中的原料以将氧气转化为臭氧的应用。
背景技术
臭氧多年来用于减少食品、医疗器械和水消毒中的生物负荷。作为强氧化剂，臭氧能够灭活大范围的微生物，并且发现微生物难以产生抗性。
臭氧的关键优势在于它是由氧气产生的，并自然变回氧气，不会留下其他残留物。与替代使用的其他化合物或技术相比，这使得臭氧对环境友好。然而，臭氧的这种自然变化妨碍臭氧远程设施生产并将其运输到使用地点。因此，臭氧通常根据需要在现场产生。
大多数臭氧应用要求臭氧气体的体积浓度高于10,000ppm，以提供足够量的臭氧来获得所需的效果。例如，医疗器械消毒器可以在30,000至40,000ppm的臭氧中暴露4小时以对可重复使用的医疗器械进行充分消毒。然而，也有应用考虑较低臭氧浓度。用于水消毒的臭氧发生器使用纯氧，并在将所产生的臭氧引入水中之前在气相中产生类似的浓度。
为了实现如此高的臭氧浓度，臭氧发生器通常使用在纯氧中进行的高(kV)电压电晕放电、介质阻挡放电(DBD)、类似的放电或电离辐射。在氧气中产生弥散的等离子体状态，一部分氧气分子被分解，然后再结合以产生臭氧。
高压源、等离子体以及纯氧本身的组合存在火灾和爆炸危险，必须通过采用合适的步骤和设备来控制。这造成了显著的缺陷，该缺陷能够妨碍臭氧在某些应用或某些工厂中使用，在这些应用或工厂中，这种火灾风险是不可接受的。
已经尝试通过用氮气或氩气稀释氧气或甚至通过使用空气来缓解这个问题。然而，某种程度上由于单线态氧与氮气的副反应形成NOx，由这些气体混合物产生的臭氧浓度显著降低。
另一种用于减少生物负载的方法采用电离辐射消毒，例如紫外线、γ射线、电子束或X射线辐射。然而，某些材料，尤其是当需要频繁消毒时，可能会受损。通常，臭氧在这些工艺中作为副产物产生。增加臭氧浓度可以改善和加速消毒，并且可以降低辐射处理的频率和强度。
因此，本发明的一个目的是消除或缓解至少一个或多个上述问题。
本发明的另一个目的是提供一种由包含氧气的气体混合物生产臭氧的更安全的方法，易燃材料在该气体混合物中比在纯氧气中更不易燃烧，然而臭氧产率相当。
本发明的另一个目的是提供一种用于消毒的电离辐射方法，其使被消毒的材料的损害最小化甚至避免其损害。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种制备臭氧的方法，包括：
-提供气体混合物，该气体混合物包括
a)5vol.％至50vol.％的氧气；
b)50vol.％至95vol.％的氧化物气体；以及
-使气体混合物经臭氧产生工艺来生产臭氧。
因此，本发明可用于处理材料和器械以改变表面性质(例如表面能、结合氧以改善粘附性)或用于使医疗器械或生命科学器械上的微生物灭活。
包含先进的聚合物、电子元件、光学元件、电池等的现有技术器械的日益复杂化使得这些器械在置于富氧气氛中时是高度易燃的。
本发明通过使用气体混合物来减少或消除这些易燃性问题，该气体混合物含有高达例如5vol.％至50vol.％的氧气，剩余组分由在本申请中提及的诸如二氧化碳、二氧化氮等等含氧气体组成。
这些气体组合物的臭氧产率远低于用含有高浓度氧气的其它混合物所能达到的臭氧产率。然而，所达到的臭氧浓度对于本发明提出的应用是足够的。
对于本发明要求的氧气含量，目的是降低易燃性。
气体混合物可包含小于30vol.％、小于20vol.％或5vol.％至30vol.％、或5vol.％至20vol.％。
氧化物气体可选自包含一氧化碳、二氧化碳、一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮及其任意混合物的群组。
氧化物气体可选自二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物。
臭氧产生工艺可选自介质阻挡放电、电晕放电、电离辐射或冷等离子体。
气体混合物可包括：
a)15vol.％至25vol.％的氧气；和
b)75vol.％至85vol.％的氧化物气体；
条件是这两个百分比加起来为100％。
气体混合物可包括：
a)15vol.％至25vol.％的氧气；和
b)75vol.％至85vol.％的氧化物气体，该氧化物气体选自二氧化碳、一氧化二氮及其任意混合物；
条件是这两个百分比加起来为100％。
还可以有进一步包括用产生的臭氧对物品进行消毒的步骤。
该物品可以是医疗器械。
根据本发明的第二方面，提供了一种组合物的应用，该组合物包括：
a)5vol.％至50vol.％的氧气；
b)50vol.％至95vol.％的氧化物气体；
作为制备臭氧的反应物。
该组合物可以是原料。
原料可以位于自动内窥镜洗消机中。
氧化物气体可选自包括一氧化碳、二氧化碳、一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮及其任意混合物的群组。
氧化物气体可选自二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物。
可以使用选自介质阻挡放电、电晕放电、电离辐射或冷等离子体的臭氧产生工艺来制备臭氧。
该组合物可包含：
a)15vol.％至25vol.％的氧气；和
b)75vol.％至85vol.％的氧化物气体，该氧化物气体选自二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物；
条件是这两个百分比加起来为100％。
附图说明
现在将参照附图，仅通过实例描述本发明的具体实施方式，其中：
图1描述了从不同混合物中获得的臭氧浓度与气体混合物(反应物)中二氧化碳或氮气的增加量的关系。
具体实施方式
令人惊奇地，已经发现了制备臭氧的方法来缓解上述问题，该方法包括：提供气体混合物，该气体混合物包含5vol.％至50vol.％的氧气、50vol.％至95vol.％的氧化物气体，并使该气体混合物经臭氧产生工艺来生产臭氧。
臭氧产生工艺
使用含氧气的特定气体混合物的根据本发明的用于生产臭氧的方法包括介质阻挡放电、电晕放电；电离辐射，例如以紫外光、γ射线、电子束或X射线辐射的形式；和冷等离子体。电晕放电方法使用电源穿过电介质和气隙产生放电。电介质用于穿过大面积扩散放电。通过气隙的氧气分子暴露于放电，并分裂成臭氧。对于使用紫外光产生臭氧，含氧气的载气穿过紫外光发光灯。在冷等离子体方法中，含氧气的气体暴露于由介质阻挡放电产生的等离子体。氧气分子被分裂成单个原子，然后再结合成三原子体以形成臭氧。臭氧还可以通过电气放电以及通过高能电磁辐射的作用由氧气形成。
在优选具体实施方式中，臭氧产生工艺为介质阻挡放电。
在具体实施方式中，根据本发明用于生产臭氧的气体混合物包含5至50vol.％的氧气。氧气含量降低导致气体混合物的易燃性显著降低，因此允许更广泛的使用。在优选的实施方式中，气体混合物包含10至30vol％的氧气，在最优选的具体实施方式中为15至25vol.％。
作为另外的组分，本发明使用的气体混合物包括氧化物气体。优选地，氧化物气体选自包含一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)及其任意混合物的群组。在优选的具体实施方式中，气体混合物包括二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物，作为氧化物气体。
这些氧化物气体有助于在臭氧产生工艺中形成臭氧，因为这些气体容易释放氧原子，从而有助于臭氧产率。
在实施方式中，气体混合物包括50vol.％至95vol.％的氧化物气体，在优选的实施方式中为70vol.％至90vol.％，在最优选的实施方式中为75vol.％至85vol.％。
在优选的实施方式中，气体混合物包含氧气和氧化物气体。
在一个实施方式中，气体混合物包括：
a)5vol.％至50vol.％的氧气；和
b)50vol.％至95vol.％的氧化物气体；
条件是这两个百分比加起来为100％。
在另一实施方式中，气体混合物包括：
a)10vol.％至30vol.％的氧气；
b)70vol.％至90vol.％的氧化物气体，该氧化物气体选自包含一氧化碳、二氧化碳、一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮及其任意混合物的群组；
条件是这两个百分比加起来为100％。
在另一实施方式中，气体混合物包括：
a)15vol.％至25vol.％的氧气；
b)75vol.％至85vol.％的氧化物气体；
条件是这两个百分比加起来为100％。
在另一实施方式中，气体混合物包括：
a)15vol.％至20vol.％的氧气；
b)75vol.％至85vol.％的氧化物气体，该氧化物气体选自二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物；
条件是这两个百分比加起来为100％。
在另一实施方式中，制备臭氧的方法还包括用生成的臭氧对物品消毒的步骤。该物品可以是医疗器械，例如内窥镜、仪器组、可植入器材、生命科学耗材和一次性器材，例如微量滴定板、注射器、敷料、一次性刀片、一次性剪刀、一次性针头；样品收集管、制备容器，例如离心立方体；细胞培养设备，例如烧瓶、平皿和生物反应器；生物设备，例如用于肽和蛋白质制备的所有器具，包括粉末介质。
此外，该物品可以是受污染的空间，例如通风橱、手套箱和污染可能成为问题的其他设备。本发明意义上的污染涉及由于微生物如细菌、病毒、酵母、霉菌、孢子、营养细胞和寄生虫的生物污染。
此外，该物品可以是食品加工中的食品，以减少生物负载并延长保存期限。例如，水果和蔬菜可以在食品净化器或洗涤器中用臭氧处理，以改善食品表面卫生。而且，也可以用根据本发明产生的臭氧实现食品厂设备的卫生、废水的再利用、食品厂废料的生物需氧量和化学需氧量的降低。在这方面，废水处理不限于这样的食品工业。
此外，根据本发明产生的臭氧可用于基于肉的食品、生产车间、废料例如回收的家禽冷冻水的消毒以及家禽屠体的消毒。
此外，本发明的方法可用于净化半封闭排水系统。可将包括臭氧发生器的盖子放置在例如半封闭的排水管上。将气体混合物或组合物泵入盖子和排水管的水仓之间的收集空间中，在盖子和水仓之间的该收集空间内产生臭氧。
可以通过将物品直接放入由反应物/气体混合物产生臭氧的反应室中，或者在将密封包放入反应室之前将物品放置在包含气体混合物的密封包中来进行消毒。这具有额外的益处，即在无菌条件下不必进行进一步的包装。
本发明的另一方面是组合物的应用，该组合物包括5vol.％至50vol.％氧气、50vol.％至95vol.％的氧化物气体，作为臭氧制备中的反应物。
在本发明意义上的反应物应理解为经历化学反应以产生臭氧的化学物质。
该组合物可作为原料提供给反应室，该原料即将在反应室内形成气体混合物用于制备臭氧的不同组分的预混料。该组合物可以作为气瓶中的预混料提供，其可以轻易地被运输和储存。组合物可以作为液化组合物或以气态储存和/或运输。此外，组合物的不同组分可以在进行臭氧产生工艺之前通过不同的通道加入，仅在反应室内混合。
原料可进一步直接在医疗器械内提供。例如，原料可以位于自动内窥镜洗消机中。用于内窥镜消毒所需的臭氧可直接在洗消机内产生。
该组合物可以是关于本发明所述的气体混合物。原料可以处于气体聚集状态或液化态。
作为臭氧产生工艺，可以使用本申请中提到的任何工艺。
在一个优选实施方式中，在臭氧制备中用作反应物的组合物包括15vol.％至25vol.％的氧气和75vol.％至85vol.％的选自二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物的氧化物气体，条件是这两个百分比加起来为100vol.％。
实施例
实施例1
使用直径为60mm的电极，在100％工作周期、21kHz电源频率和3.80kV电极电压下产生介质阻挡放电。制备一系列含有不同比例的氧气和二氧化碳气体的气体混合物。该气体混合物在密封的聚乙烯袋中制备，然后经过介电阻挡放电在袋内产生臭氧。
放电进行固定的60秒周期，然后使用2B Technologies 106-MH臭氧计测量臭氧浓度。
在图1中，描绘了相对于气体混合物(反应物)中二氧化碳或氮气的增加量，由不同混合物获得的臭氧浓度。
如图1所示并且如预期的，随着反应室中氧气量减小，臭氧浓度降低。然而，由于氧化物气体有助于臭氧产率，即使具有较低的氧气浓度，当与含氧气和氮气的气体混合物相比时，在气体混合物中较低的氧气含量下仍可产生足够量的臭氧。
虽然上面已经描述了本发明的特定实施方式，应该理解，与所述实施方式的不同之处仍然落入本发明的范围内。例如，可以使用任意合适量的氧气。

Claims (16)

1.一种制备臭氧的方法，包括：
-提供气体混合物，所述气体混合物包括
a)5vol.％至50vol.％的氧气；
b)50vol.％至95vol.％的氧化物气体；以及
-使所述气体混合物经臭氧产生工艺来生产臭氧。
2.根据权利要求1的制备臭氧的方法，其特征在于，所述气体混合物包含小于30vol.％、小于20vol.％、或5vol.％至30vol.％、或5vol.％至20vol.％。
3.根据权利要求1或2中任一项的制备臭氧的方法，其特征在于，所述氧化物气体选自包含一氧化碳、二氧化碳、一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮及其任意混合物的群组。
4.根据前述任一权利要求的制备臭氧的方法，其特征在于，所述氧化物气体选自二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物。
5.根据前述任一权利要求的制备臭氧的方法，其特征在于，所述臭氧产生工艺选自介质阻挡放电、电晕放电、电离辐射或冷等离子体。
6.根据前述任一权利要求的制备臭氧的方法，其特征在于，所述气体混合物包括
a)15vol.％至25vol.％的氧气；和
b)75vol.％至85vol.％的氧化物气体；
条件是这两个百分比加起来为100％。
7.根据权利要求1、5和6中任一项的制备臭氧的方法，其特征在于，所述气体混合物包括
a)15vol.％至25vol.％的氧气；和
b)75vol.％至85vol.％的氧化物气体，所述氧化物气体选自二氧化碳、一氧化二氮及其任意混合物；
条件是这两个百分比加起来为100％。
8.根据任一前述权利要求的制备臭氧的方法，还包括用产生的臭氧对物品消毒的步骤。
9.根据权利要求8的制备臭氧的方法，其特征在于，所述物品是医疗器械。
10.一种组合物的应用，所述组合物包括：
a)5vol.％至50vol.％的氧气；
b)50vol.％至95vol.％的氧化物气体；
作为制备臭氧的反应物。
11.根据权利要求10的应用，其特征在于，所述组合物是原料。
12.根据权利要求11的应用，其特征在于，所述原料位于自动内窥镜洗消机中。
13.根据权利要求10-12中任一项的应用，其特征在于，所述氧化物气体选自包含一氧化碳、二氧化碳、一氧化二氮、一氧化氮、二氧化氮及其任意混合物的群组。
14.根据权利要求10-12中任一项的应用，其特征在于，所述氧化物气体选自二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物。
15.根据权利要求10-14中任一项的应用，其特征在于，使用选自介电阻挡放电、电晕放电，电离辐射或冷等离子体的臭氧产生工艺制备臭氧。
16.根据权利要求10至12中任一项或权利要求15的应用，其特征在于，所述组合物包括：
a)15vol.％至25vol.％的氧气；和
b)75vol.％至85vol.％的氧化物气体，所述氧化物气体选自二氧化碳、一氧化二氮或其任意混合物；
条件是这两个百分比加起来为100％。
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