CN111870729A

CN111870729A - 一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法

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Publication number: CN111870729A
Application number: CN202010550708.XA
Authority: CN
Inventors: 杨树明; 田鹏飞; 李国卿; 刘勇; 刘涛; 胡鹏宇
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2020-11-03

Abstract

本发明公开了一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，首先根据紫外光对新型冠状病毒气溶胶的杀毒效果进行光源选型设计和加工；然后根据光触媒网膜在特定波段和能量的紫外光照射下会与病毒产生强氧化反应的特点进行光触媒选型和设计加工；最后根据新冠病毒消杀装置的使用场景设计光学消杀复合模块，并在风道顶部设有避免紫外光泄漏的机械结构，保证在进行空间杀菌消毒时人可以同时存在。本发明可作为当下空气净化器和主流空调的核心消杀毒模组进行使用，具有成本可控，环境友好，对新冠病毒的杀毒效率高以及人机共存的优点。

Description

一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法

技术领域

本发明属于消毒灭菌技术领域，具体涉及一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法。

背景技术

新型冠状病毒属于嵌套病毒目，冠状病毒科，属于单链RNA病毒。新型冠状病毒有包膜，颗粒呈圆形或者椭圆形，常为多形性，直径60～140nm。其基因特征与SARS-CoV和MERS-CoV有明显区别。目前研究与蝙蝠SARS样冠状病毒同源性达85％以上。到目前为止，还没有专门用于预防和治疗冠状病毒的特效药物，仅能通过非特异性治疗干预措施来预防严重的并发症，降低重症发病率和死亡率。对冠状病毒理化特性的认识多来自对SARS-CoV和MERS-CoV的研究。病毒对紫外线和热敏感，56℃30分钟、乙醚、75％乙醇、含氯消毒剂、过氧乙酸和氯仿等脂溶剂均可有效灭活病毒，氯己定不能有效灭活病毒。

以中心波长253.7nm为代表的紫外辐射对细菌和病毒具有广谱杀灭作用，其有效性在SARS病毒上得到了试验验证，理论上，基于紫外辐射的核酸破坏作用，一定剂量的紫外辐射可杀灭2019新型冠状病毒，在无人条件下使用紫外杀菌灯，其杀菌消毒作用可通过破坏传播途径的方式达到传染防护目的。可见，通过辐照方法破坏病毒RNA结构是从物理角度灭活病毒的重要思路。

紫外线杀菌消毒原理是利用适当波长的紫外线破坏微生物机体细胞中的脱氧核糖核酸或核糖核酸的分子结构，造成生长性细胞死亡和或再生性细胞死亡，达到杀菌消毒的效果。经试验，紫外线杀菌的有效波长范围可分为四个不同的波段UVA(400～315nm)、UVB(315～280nm)、UVC(280～200nm)和真空紫外线(200～100nm)。就杀菌速度而言，UVC处于微生物吸收峰范围之内，可在1s之内通过破坏微生物的DNA结构杀死病毒和细菌，而UVA和UVB由于处于微生物吸收峰范围之外，杀菌速度很慢，往往需要数小时才能起到杀菌作用。因此，紫外线消毒实际上就是指UVC消毒。紫外线的穿透能力很弱，无法穿透大部分的透明玻璃及塑料，但对人体的伤害很大，短时间照射即可灼伤皮肤，长期或高强度照射还会造成皮肤癌，因此从结构上进行设计可以避免紫外光泄漏，达到光学消杀模组与人类共处一室的目的。相比较传统的汞灯紫外线光源，现在新型的紫外LED光源具有小巧便携、环保安全和易于设计等优点。目前市场上高端的深紫外LED产品仍主要以日本、韩国厂商为主，不过越来越多的国内半导体公司开始关注深紫外行业，进行了深度布局。

光触媒是利用光能进行催化反应的催化剂。随着纳米二氧化钛制备技术的发展，以二氧化钛为触媒的材料在应用研究上取得突破。光触媒材料不仅在环境净化中具有广泛应用价值，也可被用在除菌消毒，肿瘤治疗等领域。已有研究表明，将大肠杆菌涂在具有氧化钛涂层的培养皿，紫外照射1h后细菌能够100％被杀死，而在没有氧化钛涂层培养皿中的对照组细菌，紫外照射4h后细菌仍有50％存活，可见光触媒可以较大程度增强紫外辐照病毒消杀效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，通过深紫外光源和光触媒复合结构实现空气中悬浮新冠病毒消杀功能，并可避免紫外线泄漏，与现有的空气净化器技术结合可以应用在医院病房，教室，家庭以及商场等较为封闭的区域。

本发明采用以下技术方案：

一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，采用深紫外线光源与光触媒网膜配合，将空气从深紫外线光源的金属网状孔隙中通过，分别受到深紫外光照射杀毒以及光触媒网膜受光照射产生的氧化作用进行杀毒处理。

具体的，深紫外线光源的波长为250～280nm，照射区域面积大于等于400cm²，对于直线距离在50mm内的目标物的实际单位面积照度为0.6～2.45mw/cm²，实际照射均匀度大于等于90％。

进一步的，深紫外线光源采用UVC LED，UVC LED灯珠均匀设置在网状结构光源基板的网格交线处，网状结构的通孔率为48％～62％。

更进一步的，本发明的特点还在于，UVC LED灯珠的出光角为50～70°。

具体的，光触媒网膜设置在深紫外光源的后侧，光触媒网膜上附着有活性炭。

进一步的，光触媒网膜与深紫外光源的距离为50～70mm。

进一步的，光触媒网膜的催化辐照强度为0.02mW/cm²，全面催化的催化辐照强度为0.205mW/cm²。

更进一步的，本发明的特点还在于，光触媒网膜采用二氧化钛制备而成。

更进一步的，本发明的特点还在于，光触媒网膜上涂覆有厚度5～6mm的光稳定剂和紫外线吸收剂混合物。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，可在现有的主流空气净化器、空调风道部位使用，具有成本可控，环境友好，对新冠病毒的杀毒效率高以及人机共存的优点，设计指标例如55m³空间内2小时杀毒达到99.99％，有效解决了医院空间，教室，商场，家庭空气中新冠病毒防护消杀的迫切需求。

进一步的，采用的UVCLED光源为深紫外线光源，波长范围在250～280nm之间，这一波长范围能对新冠病毒等多种病毒直接进行高效灭杀作用。光源灯珠阵列排布后照射区域面积大于等于400cm²，在保证照射均匀度为90％以上的同时满足单位辐射强度的要求，可以对新冠病毒等进行高效杀毒，且能催化光触媒释放氧化基团进行二次消杀。综合考虑成本、消杀面照度分布均匀性、仿真结果等，采用小功率、多颗灯珠小功率紧密排布方式。

进一步的，UVCLED相比传统的紫外线汞灯光源来讲具有多重优势，随着近些年来的工艺水平提升，基于氮化镓半导体的深紫外发光二极管(LED)是紫外消毒光源的主流发展方向，其具有LED冷光源的全部潜在优势，在节能优势下又不产生臭氧污染空气。通过破坏病毒遗传物质，可高效杀灭新冠病毒，具有广谱性。

进一步的，主流的UVCLED灯珠光学镜片的加工使得出光角集中在120°左右，这样会难以集中光源能量。采用较小的出光角设置比如60°左右，在能量集中度方面会更具优势。相同工作距离下，对病毒的有效杀毒效率提升十倍左右。由此可见，出光角是一个关乎照射杀毒效率的关键参数。

进一步的，光触媒网膜与深紫外光源间距设置依据工作环境中的杀毒效率考虑，空气由风机旋转提供动力在风道中移动并从光源的金属网状孔隙中通过，分别受到深紫外光照射杀毒和光触媒网膜受光照射产生的氧化作用杀毒。UVCLED灯珠光源与光触媒网膜距离设计为50～70mm之间，选择这一距离的第一个目的是综合考虑灯珠成本、出光角、照射幅面面积后的最优解，60°的出光角相比大的出光角虽然聚光效果好，但是工作面积小，相比120°出光角的灯珠，在相同工作距离下的照射区域半径减小了70％，选定距离50～70mm，既不会使得灯珠数目过多增大成本，又能保证光源照射光触媒网膜的能量要求。仿真设计光源排列，保证灯珠阵列在光触媒网膜上的照射强度均匀度高，辐射能量满足最远工作处紫外线杀毒的要求以及催化光触媒产生氧化基团两重作用。选择这一个距离的第二个目的是在空气流经光源与光触媒之间的空间时，需要有时间保证紫外光照射，单位时间内紫外光释放能量一定，空气单次流通杀毒效率要求尽可能高，因此在50～70mm内，空间内的紫外线能量累计可以对病毒进行有效消杀。进一步的，请补充说明光触媒网膜催化辐照强度设置的目的或好处。光触媒网膜主要成分为二氧化钛，光触媒材在0.02mW/cm²照射强度下就能被催化，在0.205mW/cm²达到全面催化，设置紫外光源照射强度为0.6～2.45mw/cm²，并且均匀度90％以上，能够充分催化光触媒网膜。

进一步的，采用紫外离子吸收网膜为涂覆有光稳定剂和紫外线吸收剂混合物的泡沫铝基滤网，厚度为5～6mm。壳体内壁涂覆有紫外线吸收剂，减小紫外散射，防止紫外线泄露对人体造成损伤能充分避免紫外光泄漏的风险，进行空间杀菌消毒时人可以同时存在，对人体没有任何副作用。选取合理时段开启工作，能将空间内的病毒浓度始终控制在极低的程度。

综上所述，本发明消杀方法中，空气经由风机带动通过风道流经光源模组和光触媒网膜，这一光催化紫外消毒方法相对于单独使用紫外或光触媒的消毒方法有“1+1>2”的效果，并且人机共存无污染。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为深紫外光源板结构图；

图2为紫外光照射在光触媒网膜示意图。

其中，1.交叉线；2.灯珠。

具体实施方式

本发明提供了一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，采用深紫外线光源与光触媒网膜配合，空气由风机旋转提供动力在风道中移动并从光源的金属网状孔隙中通过，分别受到深紫外光照射杀毒和光触媒网膜受光照射产生的氧化作用杀毒。

本发明一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，包括以下步骤：

S1、选择深紫外波长LED灯作为深紫外光源；

深紫外波长LED灯采用UVC LED，UVC LED灯珠的出光角为50～70°，波长为250～280nm，照射区域面积大于等于400cm²，光源半功率工作情况下，对于直线距离在50～70mm内的目标物的实际单位面积照度为0.6～2.45mw/cm²，实际照射均匀度为90％以上；

UVCLED灯珠数量与布局根据实际工作场景确定，光源基板采用金属制作并加工为网状布局，通孔率在48％～62％，UVCLED灯珠布置于网格的交线处，通过外置电源模块实现光源光功率的连续可调。

S2、采用光触媒网膜，并附着活性炭，设置在步骤S1深紫外光源的一侧，光触媒网膜在紫外光照射下与病毒产生强氧化反应。

光触媒网膜主要成分为二氧化钛，光触媒材在0.02mW/cm²照射强度下就能被催化，在0.205mW/cm²达到全面催化，并将光触媒附着在活性炭上，根据光源模组照射面积裁剪为对应大小，由机械结构布局在距离紫外光源50mm处。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

设计实施的深紫外波长LED灯采用UVC LED，UVC LED灯珠的出光角为60°，波长为275nm，照射区域面积等于400cm2，使用10*10阵列，灯珠间距22～23mm，50～60mm工作距离，系统效率为：70％，按照每灯珠工作在70％最大电流，其输出功率为7mw，对于直线距离在50mm内的目标物的照射面单位面积照度为：1.225mw/cm²。

请参阅图1和图2，UVCLED光源为出光角为60度的灯珠2，布置在铝基板十字交叉线1处，灯珠协同工作保证50mm照射区域内的光源均匀度达到100％，且实测满负载工作时的能量密度为2.4mW/cm²，在光触媒网膜上的平均光功率密度计算公式为：

其中，出射角

距离h＝50mm，单个灯珠出射光功率密度为p_s＝10mW，则P₀＝381.97uW/cm²，满足光触媒的光催化功率最小值0.02mW/cm²要求。

在挡板和外壳的内表面涂覆有光稳定剂和紫外线吸收剂混合物的泡沫铝基滤网，可以对紫外光源进行有效吸收，避免泄漏在空气中对人体造成损伤。

整个光源基板包含100个灯珠，工作在0.5A电流大小，50％功率下平均光功率密度为1173.63uw/cm²，完全满足光触媒网膜的光催化功率要求，对于60m³标准病房面积内，单独使用该消杀方法能够高效杀灭大肠杆菌、葡萄球菌等细菌，并且杀灭流感病毒、冠状病毒等高传染性病毒，尤其是对现在世界上广泛流行的新型冠状病毒具有杀毒效果，且紫外光模块总体能耗不高于180W，风噪低于55dB，固态污染物CCM增加至P4等级(12000mg以上)，气态污染物CCM提高至F4等级(1500mg以上)均可以实现空气消杀功能。当该消杀方法起到效果时，可以将室内病毒含量压低在极低的程度，并且人们可以在其中正常生活工作。

本发明一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，从人机共存和光源设计两个角度进行创新性设计，通过光触媒技术利用强氧化性基团与病毒表面蛋白发生生化反应，从而增强光学消杀的效率。目前已知的新型冠状病毒传播的主要途径是呼吸道飞沫传播以及接触传播，针对这两种传播方式，紫外线均可以在其中起到积极的作用，例如针对呼吸道飞沫传播，病毒随飞沫存在于空气中，健康人群吸入污染后空气导致被传染，针对此类空气污染的情形，紫外线杀菌可以附加到空气循环系统中，例如针对大型空间应用的中央空调循环系统，室内型空气净化器、壁挂式空调等空气循环系统内，以及针对个人应用局部空气循环的灭菌式口罩，对流经空气循环系统的气流进行杀菌，达到灭杀细菌病毒，抑制传播的目的。针对传染性较强的病毒，可以有目的性的提高紫外杀菌模块的整体功率，将杀菌效率进一步提升。针对一些人流量较大的场合如机场、车站、医院、商场等封闭空间，因为传播及受感染群体数量更多，非常必要在空气循环系统内加入高效率的光学杀菌模块，以从源头上抑制病毒的传播，为国民健康提供保障。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，采用深紫外线光源与光触媒网膜配合，将空气从深紫外线光源的金属网状孔隙中通过，分别受到深紫外光照射杀毒以及光触媒网膜受光照射产生的氧化作用进行杀毒处理。

2.根据权利要求1所述的可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，深紫外线光源的波长为250～280nm，照射区域面积大于等于400cm²，对于直线距离在50mm内的目标物的实际单位面积照度为0.6～2.45mw/cm²，实际照射均匀度大于等于90％。

3.根据权利要求1或2所述的可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，深紫外线光源采用UVC LED，UVC LED灯珠均匀设置在网状结构光源基板的网格交线处，网状结构的通孔率为48％～62％。

4.根据权利要求3所述的可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，UVCLED灯珠的出光角为50～70°。

5.根据权利要求1所述的可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，光触媒网膜设置在深紫外光源的后侧，光触媒网膜上附着有活性炭。

6.根据权利要求5所述的可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，光触媒网膜与深紫外光源的距离为50～70mm。

7.根据权利要求5所述的可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，光触媒网膜的催化辐照强度为0.02mW/cm²，全面催化的催化辐照强度为0.205mW/cm²。

8.根据权利要求7所述的可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，光触媒网膜采用二氧化钛制备而成。

9.根据权利要求7所述的可人机共存的体外新冠病毒光学消杀方法，其特征在于，光触媒网膜上涂覆有厚度5～6mm的光稳定剂和紫外线吸收剂混合物。