CN113101389A - 一种等离子体杀菌装置、杀菌气体的制备方法及杀菌方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子体杀菌装置、杀菌气体的制备方法及杀菌方法，包括滑动弧放电反应器，气流循环装置和密封腔体；气流循环装置包括进气端，出气端和风扇；进气端与出气端分别与密封腔体连通，气流循环装置与密封腔体之间通过进气端和出气端构成密封连通；滑动弧放电反应器包括电源和两个电极；电源与电极相连；出气端为绝缘耐高温管，或连接绝缘耐高温管，电极设置在绝缘耐高温管内；电极区域在气流循环装置作用下吹出等离子体滑动弧。本发明结构简单，空间内的气体在绝缘耐高温管内循环流动并多次形成滑动弧放电，使得密封空间内部的等离子体气体的杀菌活性和时效性提高，并且具有短暂的稳定性，是一种绿色、环保、无残留的杀菌方法。

Description

一种等离子体杀菌装置、杀菌气体的制备方法及杀菌方法

技术领域

本发明属于空气及环境的杀菌消毒技术领域，具体涉及一种等离子体杀菌装置、杀菌气体的制备方法及杀菌方法。

背景技术

公共空间、生活环境以及物品表面存在各种有害细菌和病毒，一般的杀菌消毒手段，如紫外杀菌及酒精双氧水的杀菌，存在杀菌漏洞、不彻底等问题。常用的杀菌方法是物理杀菌方法，如超高压杀菌，高压电场杀菌，辐照杀菌，这些杀菌方法虽能一定程度灭杀物品表面及空间内存在的细菌和病毒，但会破坏产品的组织形态且杀菌效率低、能耗高，对人体和环境造成一定的安全危害。

等离子体气体是一种新型无残留的绿色杀菌技术，杀菌效果随等离子体放电产生模式的不同存在较大的差异。目前，介质阻挡放电杀菌的主要成分为臭氧离子且杀菌空间较小，仅限放电区域且杀菌气体对人体有危害，不环保。工业应用的滑动弧放电特点是温度高、能量利用率低；一般利用滑动弧的高温直吹的模式达到杀菌目的，且滑动弧放电的电极结构复杂，需要耐高温和水冷却系统，制造成本较高。工业滑动弧放电等离子体主要用于高温燃烧，产物中的活性物质寿命较短，空气仅经过了一次电离，杀菌效果和效率低，作用区域仅限于放电区域，多用于生活用水净化和杀菌。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种等离子体杀菌装置、制备方法及杀菌方法，本发明结构简单，空间内的气体在绝缘耐高温管内循环流动反复滑动弧放电电离，持续电离形成等离子体气体，激发产生具有强烈杀菌效果自由基团OH.。该发明可在密封空间内部持续产生等离子体气体且浓度梯度不断升高，保证等离子体气体的杀菌活性及时效性较高，并且具有短暂的稳定性，是一种绿色、环保、无残留的杀菌方法。

密封空间内部的等离子体的杀菌活性物质的时效性较高，可维持5-60分钟的杀菌时长；所述密封空间内部的等离子体气体可对内部空气及其可接触的物体表面进行全面杀菌，可有效降低细菌和病毒造成的安全风险。

本发明的目的是这样实现的：

一种等离子体杀菌装置，包括滑动弧放电反应器，气流循环装置和密封空间；

所述气流循环装置包括风扇；所述气流循环装置的进气端与出气端分别与所述密封空间连通，所述气流循环装置与所述密封空间之间通过进气端和出气端构成密封连通设置；

所述滑动弧放电反应器包括电源和相对设置的两个电极；所述电源与所述电极相连；所述出气端为绝缘耐高温管，或者出气端连接有绝缘耐高温管，所述电极设置在所述绝缘耐高温管内；

所述等离子发生装置工作时，所述电极区域的等离子体气体在气流循环装置的作用下电离并被吹出绝缘通道，形成等离子体杀菌气体。

这里的相对设置是指两个电极的放电端的连线垂直于绝缘耐高温管的中心线。

本发明滑动弧放电反应器，产生滑动弧放电等离子体，激发、电离气体产生自由基离子；经过气流循环装置和密封空间之间的循环，对气体进行多次滑动弧电离。经验证，当自由基OH·和过氧化氢H₂O₂达到一定的含量后，空间内自由基和过氧化氢会达到一种稳定状态，活性不会在短时间内消失，时效性较高，可维持5-60分钟的杀菌时长。通过该发生装置的工作，在空间内产生大量且稳定状态的活性等离子体气体，为后续区域内以及区域外的杀菌消毒提供有力的保障。

另外，本发明采用的绝缘耐高温管可以抵挡滑动弧中心2000℃以上的高温，有利于维持稳定放电，同时循环气流可以将绝缘耐高温管、电极的热量及时扩散，保持等离子体反应器可长期连续工作。

本发明一种优选实施方式，所述电源为直流电源，电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W。

目前工业滑动弧放电等离子体，放电功率较高，一般10kW以上，使得滑动弧中心温度甚至达到6000℃，需要配备较大的气流系统和冷却装置，耗能高且不能长时间维持放电状态。经研究，本发明采用额定功率为1000W-1500W的直流电源，通过气流循环、电极形状和放电距离的匹配来降低滑动弧的放电功率，提高放电稳定性，保证该放电模式远低于常规的滑动弧放电功率并可长期维持这种放电状态，具有明显优于其他大气放电等离子体的杀菌效果和空间作用范围，整体较低的制造成本和使用的便携性与安全稳定性保证其在生活和环境中杀菌的产业化和市场化应用。另外，本发明的等离子体放电电源和发生装置的低成本，和在环境、生活中的固体、气体媒介进行高效、绿色无残留杀菌消毒的应用，是对工业滑动弧放电的一种创造性应用。

本发明一种优选实施方式，所述绝缘耐高温管为陶瓷管或者石英管，内部直径为10mm-100mm；电极位置距离耐高温管两端大于1cm。

陶瓷或者石英是良好的绝缘耐高温材料，内部直径控制在10mm-100mm可以满足各种场合的需求，电极位置距离耐高温管两端大于1cm，是保证了热量能够扩散充分，保证放电安全。

本发明一种优选实施方式，所述风扇的气流为0.5m/s-10m/s，吹出滑动弧的弧长为2cm-6cm。

通过控制风扇的气流速度可以控制等离子体激发的速率，风速越高等离子体激发速率越快，但会导致放电电弧不稳定而发生断裂，风速过低会降低电离效率，产生活性成分较少。

本发明一种优选实施方式，电极形状为直径1mm-3mm的柱状，两电极间距在5mm-70mm。

电极直径1mm-3mm的柱状受风阻力小，两电极间距在5mm-70mm是保证了放电的稳定性。通过电极构造、气流循环和放电参数整体匹配可以进一步保证电源在采用电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W的直流电源下实现滑动弧等离体子体过程更加稳定可靠。

本发明一种优选实施方式，所述密封空间为容器或管路或者房间；所述容器或管路采用耐腐蚀材料制成，或者内壁为耐腐蚀涂层；所述管路的一端与所述进气端连通；另一端与所述出气端连通。

空间采用耐腐蚀材料保证装置不易被活性离子的腐蚀，装置耐久性好。

本发明的一种优选实施方式，所述密封空间上设置有可开闭的进气口和排气口。用于更换密封空间中的反应气体种类，也可以将等离子体杀菌气体排出至其他需要杀菌的环境。

通过可开闭的进气口和排气口可以控制地进行气源的补充以及向外输出杀菌气体。

本发明还包括一种等离子杀菌气体的制备方法，包括使用所述的装置，具体包括如下步骤：

1)密封空间内含有或者通过进气口向空间内通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；

2)开启电源和气流循环装置，持续地滑动弧放电时间维持在30s以上。

氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体均可以实现滑动弧等离子体的电离，通过开启装置后保证持续地放电，循环多次电离，直至杀菌气体达到一定浓度才能实现较好的杀菌效果，如浓度较低，导致自由基不稳定而较快湮灭。。

本发明一种优选实施方式，还包括步骤3)通过进气口持续通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；排气口向外排出气体，进气和排气流量可以调整以保证所述密封空间内等离子体气体浓度不下降。

通过持续通入反应气体可以不断地产生电离气体，通过排气口向外输出，同时进气和排气流量不能过快，过快过导致空间内等离子体气体浓度下降，在通过控制风扇风速，进气速度，电源参数，绝缘耐高温管径，电极参数等可以调节气体电离速率，保证最大及时高效地持续输出等离子体杀菌气体。

本发明还包括一种应用装置或者制备方法进行杀菌的方法，所述密封空间放置待杀菌物或充入待消毒灭菌的气体，或者通过排气口连接待杀菌的容器或者待杀菌的空间；或者将所述杀菌等离子体发生装置放置于待杀菌空间内或者新风系统的通道中。

空间本身可以作为容器，内部放置需要杀菌的物品；同时排气口可以向外输出杀菌等离子体气体，如通入装有需要杀菌物品的密封袋，或者通入另一个密封腔体，甚至是通入一个公共的空间区域，或者通过新风系统供入房间等，对于较大的空间，需要的持续时间较长。

另外本装置也可以直接放置于待杀菌空间内或者新风系统的通道中，通过开闭的进气口和排气口控制输出杀菌气体的量。

由于本发明的发生装置可以反复循环持续电离气体，因此其可以实现较为稳定态的等离子气体，提高了其稳定性、便携性和适用性。

本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明结构简单，空间内的气体在绝缘耐高温管内循环流动形成多次滑动弧放电电离，持续地电离气体可激发、电离形成大量的自由基团OH·。密封空间内部的等离子体的杀菌活性时效性高，并且具有短暂的稳定性，是一种绿色、环保和无残留的杀菌方法。

2)本发明的绝缘耐高温管可以耐受滑动弧中心2000℃以上的高温，有利于长期稳定维持放电电离，同时风扇在循环气体的同时，也可以将绝缘耐高温管、电极的热量及时扩散和降温。

3)本发明采用电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W的直流电源，易产生滑动弧，且中心温度低于2000℃，远低于工业滑动弧放电的中心温度，利于生活中活性离子产生和杀菌。另外本发明的电源成本低，产生滑动弧稳定性和安全性较好，具有明显优于其他大气等离子体放电模式的消毒杀菌效果。

4)陶瓷或者石英是良好的绝缘耐高温材料，直径控制在10mm-100mm可以满足各种场合的需求，电极位置距离耐高温管两端大于1cm，是保证了热量能够扩散充分，保证放电安全。

5)通过控制风扇的气流速度可以控制等离子体激发的速率，风速越高等离子体激发速率越快，风速也同时控制滑动弧的弧长，弧长为2cm-6cm可以产生稳定的电离。

6)电极直径1mm-3mm的柱状受风阻力小，两电极间距在5mm-70mm是保证了放电的稳定性，通过电极的参数设置也可以进一步保证电源在采用电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W的直流电源的实现滑动弧放电电离过程更加稳定可靠。

7)通过可开闭的进气口和排气口可以控制地进行气源的补充以及向外输出杀菌气体。

8)本发明中，滑动弧放电是一种较为直接的放电方式，通过滑动弧放电反应器的设计，放电电极通电即可在常压下实现的一种气体电离形式，形成的等离子体是一种不带电的气体，放电过程中产生的热量通过循环气流及时扩散，具有安全、稳定、便携、温度低等特点。通过控制电源功率、电极间距和气体种类调整等离子体中的有效抑菌成分的种类和浓度。该模式下不会产生火焰，也不会导致放电不稳定，具有安全可靠，操作简单且无残留的特点。气体制备反应室为密闭空间，可有效避免接触性风险。

附图说明

图1为本发明实施例一结构示意图；

图2为本发明实施例二结构示意图；

图3为本发明实施例三结构示意图。

图中，1-电源；2-电线连接器；3-绝缘耐高温管；4-电极；5-气流循环装置；6-等离子体滑动弧；7-进气口；8-排气口；9-回气管；10-密封空间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例一

图1示出了本发明的实施例一示意图；

一种杀菌等离子体发生装置，包括滑动弧放电反应器，气流循环装置5和密封空间10；

所述气流循环装置5包括风扇；所述气流循环装置5的进气端(图中未示出)与出气端分别与所述密封空间10连通，所述气流循环装置与所述密封空间之间通过进气端和出气端构成密封连通设置；

本实施例中可以看到，气流循环装置5设置在密封空间10内部，即也实际上构成了密封连通设置。

具体而言，气流循环装置5可以是风扇本身，风扇的进气端与出气端即为气流循环装置5的进气端和出气端。气流循环装置5也可以是带有风扇的风机，或者具有壳体，内部设置有风扇。总之气流循环装置5只要满足吹风和进风即可。

所述滑动弧放电反应器包括电源1和平行设置的两个电极4；所述电源1与所述电极4相连；所述出气端为绝缘耐高温管3，或者出气端连接有绝缘耐高温管3，所述电极4设置在所述绝缘耐高温管3内；

所述等离子体发生装置工作时，所述电极4区域吹出等离子体滑动弧6。

优选地，所述密封空间上设置有可开闭的进气口7和排气口8；

具体而言，气流流量为1.0L/min-1000L/min。

优选地，所述电源为直流电源，电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W。

具体而言，所述电源的工作电压控制为5kV-20kV，实际功率为200W-1000W。

具体而言，电源的电线与电极的电线之间通过电线连接器2连接。

其中，所述绝缘耐高温管为陶瓷管或者石英管，内部直径为10mm-100mm，电极位置距离耐高温管两端大于1cm；优选绝缘耐高温管整体长度大于10cm。

优选地，以陶瓷管为宜，易于加工。

具体而言，所述风扇的气流为0.1m/s-10m/s，吹出滑动弧的弧长为1cm-6cm。

具体而言，所述电极形状为直径1mm-3mm的柱状，两电极间距在5mm-70mm。

具体而言，所述密封空间为容器，或者管路；采用耐腐蚀材料制成，或者内壁为耐腐蚀材料；或者所述密封空间为房间。其他的气管和电线均具有绝缘性能，以保证操作安全。

优选地，密封空间可由亚克力板、玻璃片、四氟乙烯、陶瓷等材料制成。

具体而言，密封容器10可具有盖体，所述进气口7和排气口8设置在盖体上，进气口设置有开关一，排气口设置有开关二，用于调节气体的浓度和进出气体量。

实施例二：

图2示出了本发明的实施例二示意图；

与实施例一不同的是，实施例二气流循环装置5设置于密封空间10的外部，其中出气端与所述密封空间10连通，进气端通过回气管9与密封空间连通。

实施例三：

图3示出了本发明的实施例三示意图；

与实施例一和实施例二不同的是，电源1和气流循环装置5均设置于密封腔体内部，其中电源1和气流循环装置5，导线，和管路等均需要做耐腐蚀处理。

实施例四：

本发明还涉及一种等离子杀菌气体的制备方法，具体包括如下步骤：

1)密封腔体内含有或者通过进气口向腔体内通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；

2)开启电源和气流循环装置，持续地滑弧放电至少30s。

腔体内部可以提前注入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；如果使用空气电离，那么腔体内是直接含有空气的。

优选地，还包括步骤3)通过进气口持续通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；排气口向外排出气体，进气和排气流量以保证所述密封腔体内活性物质含量不下降。

具体而言，气流流量为1.0L/min-10L/min。

具体而言，所述风扇的气流为0.1m/s-1m/s，吹出滑动弧的弧长为2cm-6cm。

通过控制电源功率、电极间距和气体种类调整等离子体中的有效抑菌成分的种类和浓度。

一、放电气体种类、放电时间对等离子体气体灭菌效果的影响：

在密闭空间规格为30×30×30cm的立方体容器中通过进气口通入气体流量为1.5L/min、通气时间2min，放电功率为500W，滑动弧放电处理时间为20s，40s，60s，80s，100s，120s。分别通入空气、氧气、氩气和氮气，制备得到等离子体气体的杀菌菌落数的降低程度如表1所示。空气、氧气、氮气和氩气四种气体均具有一定的杀菌作用，其中氩气的杀菌效果最低，空气为三种气体中最佳的杀菌气体。等离子体气体杀菌能力随杀菌时间增长而逐渐增强，通过放电2min制备的离子体气体，能达到无菌状态，杀菌率高达99.99％。

放电时间s	空气	氩气	氮气	氧气
					放电20s灭活效率％	＞90	＞85	＞85	＞90
放电40s灭活效率％	＞99	＞90	＞90	＞99
					放电60s灭活效率％	＞99.9	＞90	＞90	＞99
放电80s灭活效率％	＞99.9	＞99	＞99	＞99.9
					放电100s灭活效率％	＞99.9	＞99	＞99	＞99.9
放电120s灭活效率％	＞99.99	＞99.9	＞99.9	＞99.99

表1

二、放电功率与放电时间对等离子体气体成分的影响：

在密闭空间规格为30×30×30em的立方体容器中通过进气口通入气体流量为1.5L/min、通气时间2min，放电功率为高功率(500W)与低功率(100W)，滑动弧放电处理时间为20s，40s，60s，80s，100s，120s，140s，160s，180s，200s，220s，240s。放电功率为高功率(500W)时其等离子体放电气体成分如表2所示，等离子体气体成分的浓度随时间的增长而显著增多，在放电处理240s后浓度最高气体成分为过氧化氢值可达30％左右。

当放电功率为低功率(100W)时，其等离子体放电气体成分如表3所示，等离子体气体成分相较于高功率放电气体成分有较大差异，在放电240s后过氧化氢值约为4.0％。通过此项实验可以发现等离子体放电功率对其形成的等离子体气体成分浓度与量值有较强影响。

放电时间s	过氧化氢浓度％
		20-80	10.0＜
100-160	15.0＜
		180-240	30.0＜

表2

放电时间s	过氧化氢浓度％
		10-60	0.2＜
90-150	1.5＜
		180-240	4.0＜

表3

三、放电气体种类和放电时间对等离子体气体成分的影响：

在密闭空间规格为30×30×30cm的立方体容器中通过进气口通入气体流量为1.5L/min、通气时间2min，放电功率为500W，滑动弧放电处理时间为20s，40s，60s，80s，100s，120s，140s，160s，180s，200s，220s，240s。分别通入氧气、氮气和氩气，对比放电形成等离子气体浓度与量值。通入气体为氧气时，如表4所示，放电240s时相较于表2同等放电时间下所通空气放电可以发现，过氧化氢气体成分量有明显变化与减少，这一结果与不同气体被电离后形成的等离子体气体成分有关。

通入气体为氮气时，如表5所示，在放电240s后过氧化氢值约6.5％。

通入气体为氩气时，如表6所示，在放电240s后其过氧化氢值可达11.5％。通过此项实验可以发现通入不同气体对于等离子体气体的成分与量值均有较大影响，此外还可通过此实验的结果为今后实现气体成分的分离提供可行性参考。

放电时间s	过氧化氢浓度％
		10-60	0.1＜
90-150	0.2＜
		180-240	0.5＜

表4

放电时间s	过氧化氢浓度％
		10-60	1.0＜
90-150	6.0＜
		180-240	6.5＜

表5

放电时间s	过氧化氢浓度％
		10-60	2.5＜
90-150	5.5＜
		180-240	11.5＜

表6

四、放电时长和空间大小对等离子体气体杀菌率影响：

等离子体气体的杀菌效果对空间大小有一定的依赖性，在27L的空间内可实现放电2-5min内达到4-6个对数值的杀菌率；所述的杀菌气体在500-1000L的密封空间内在10min-30min内可达到4-6个对数值的杀菌率。

实施例五：

一种应用实施例一，实施例二，实施例三的装置或者实施例四的方法进行杀菌的方法，包括在所述密封腔体放置待杀菌物，或者通过排气口连接杀菌的容器或者杀菌的空间或者连通通向待杀菌环境的管道；或者将所述杀菌等离子体发生装置放置于待杀菌空间内或者新风系统的流道中。

优选地，所述排气口与所述杀菌容器或者所述杀菌空间或者所述管道的距离小于1m。

虽然经过本装置的等离子体稳定性较好，但是其稳定性是暂时的，长距离的输送会导致活性下降起不到效果，因此，不建议排气口与所述杀菌容器或者所述杀菌空间或者所述管道的距离大于1m。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种等离子体杀菌装置，其特征在于，包括滑动弧放电反应器，气流循环装置和密封空间；

所述气流循环装置包括风扇；所述气流循环装置的进气端与出气端分别与所述密封空间连通，所述气流循环装置与所述密封空间之间通过进气端和出气端构成密封连通设置；

所述滑动弧放电反应器包括电源和相对设置的两个电极；所述电源与所述电极相连；所述出气端为绝缘耐高温管，或者出气端连接有绝缘耐高温管，所述电极设置在所述绝缘耐高温管内；

所述等离子体杀菌装置工作时，气流将放电电极区域电离形成的等离子体吹出绝缘通道，形成等离子体杀菌气体。

2.如权利要求1所述的等离子体杀菌装置，其特征在于，所述电源为直流电源，电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W。

3.如权利要求2所述的等离子体杀菌装置，其特征在于，所述绝缘耐高温管为陶瓷管或者石英管，内部直径为10mm-100mm，电极位置距离耐高温管两端大于1cm。

4.如权利要求1-3所述的等离子体杀菌装置，其特征在于，所述风扇的气流为0.1m/s-10m/s，吹出滑动弧的弧长为1cm-6cm。

5.如权利要求4所述的等离子体杀菌装置，其特征在于，电极形状为直径1mm-3mm的柱状，两电极间距在5mm-70mm。

6.如权利要求1或5所述的等离子体杀菌装置，其特征在于，所述密封空间为容器或管路或者房间；所述容器或管路采用耐腐蚀材料制成，或者内壁为耐腐蚀涂层；所述管路的一端与所述进气端连通；另一端与所述出气端连通。

7.如权利要求6所述的等离子体杀菌装置，其特征在于，所述密封空间上设置有可开闭的进气口和排气口，用于更换密封空间中的反应气体种类，也可以将等离子体杀菌气体排出至其他需要杀菌的环境。

8.一种等离子杀菌气体的制备方法，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的装置，具体包括如下步骤：

1)密封空间内含有或者通过进气口向空间内通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；

2)开启电源和气流循环装置，持续地维持滑动弧放电状态至少30s。

9.如权利要求8所述的等离子杀菌气体的制备方法，其特征在于，还包括步骤3)通过进气口持续通入氮气、氧气、空气、氩气、氦气或其混合气体；排气口向外排出气体，进气和排气流量可以调节，以保证所述密封空间内和排出的气体中等离子体气体的浓度不下降。

10.一种应用权利要求1-7任一装置或者权利要求8-9任一制备方法进行杀菌的方法，其特征在于，所述密封空间放置待杀菌物体或充入待消毒灭菌的气体，或者通过排气口连接待杀菌的容器或者待杀菌的空间；或者将所述等离子体杀菌装置放置于待杀菌空间内或者新风系统的流道中。

Images