CN113154608A - 一种等离子灭杀病毒病菌方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电化学类空气净化技术，属于等离子灭杀病毒病菌领域。一种等离子灭杀病毒病菌方法，通过纳米银初效滤网、主动式电子捕获器、被动式静电吸附器、光电催化等复合净化步骤，可以达到99.999％的病毒消除效率；且装置核心消毒部件采用静电场消毒和吸附，大大降低电能消耗、降低滤网的更换次数；并且静电场消毒和光电催化等核心消毒部件无消耗性部件，有效延长了本装置的有效使用寿命。且静电场消毒与吸附及光催化消毒过程中，光离子簇、带电离子、自由基含量高，有效的诱发雪崩式链式反应，提升病毒消杀效率，一并产生的臭氧分子进一步扩散，提升病菌消杀效率。

Description

一种等离子灭杀病毒病菌方法及装置

技术领域

本发明涉及空气净化，尤其涉及一种等离子灭杀病毒病菌方法及装置。

背景技术

空气消毒是防止医院、学校、商场等社区公共聚集场所感染病毒的一种有效措施，做好人口密集区域空气消毒工作是预防疾病传播、防止院内感染发生的重要保障。等离子空气消毒机、紫外线照射以及３％过氧化氢溶液或次氯酸钠水溶液的气溶胶喷雾是临床３种十分常见的病室内消毒方法，在消毒病房空气中均有着显著作用，但这几种消毒方法只能在无人条件下实施。没有得到PLC控制的等离子空气消毒机虽然可以在公共场所进行限制性的使用，但其负离子成分依然给呼吸系统带来健康威胁，长时间在离子浓度高的环境中暴露会导致肺部损伤，破坏表皮层，影响身体健康。

并且，传统等离子体消毒受限于离子浓度，难以在高气流量的工况下实现高效杀菌消毒，反而会使得病毒微粒少量带电后长久的漂浮在空气中，进一步增强病毒的传染性。

因此，一种高效率、高通量、长寿命、臭氧含量可控的等离子灭杀病毒病菌方法和装置是目前空气净化领域所急需的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种等离子灭杀病毒病菌方法及装置，解决传统等离子体消毒装置对空气中病毒消除不彻底、流量偏低、产生臭氧危害的问题。

技术方案

一种等离子灭杀病毒病菌方法，步骤包括：

a.气流首先经纳米银初效滤网初步过滤、杀菌；

b.气流经主动式高压电子捕获病毒病菌灭杀、杀菌；

c.气流经被动式静电吸附被灭杀后的病毒病菌；

d.气流经光催化氧化；

e.气流经电中和使得臭氧消除；

f.气流经活性炭-阴离子复合网过滤；

g.电加热网对气流进行再次加热，灭杀病毒病菌。

f.最后在紫外光催化作用下产生的负电子—空穴效应，吹出本设备，电击和中和设备外部空间中病毒病菌的正电荷。

进一步，步骤a中纳米银初效滤网过滤除去大部分大颗粒微尘，同时银离子纳米颗粒表面吸附病毒微粒后杀死病毒。

进一步，步骤b中主动式电子捕获吸附、杀菌，采用6000V～10000V高压静电，在电极的两极之间设置高压，电子在两极之间电场中飞行，随机碰撞电极间气流中的病毒颗粒，使得病毒颗粒表面带电后离子化，诱导病毒表面蛋白变性，甚至电子速度过快击穿病毒颗粒，杀灭病菌；同时部分自由电子轰击空气氧气分子，离子化的氧气分子彼此结合转化为臭氧分子，进一步杀灭气流中的病毒颗粒；并且高压电场的放电能力较高，大颗粒的微粒诱导电极间放电，破坏、吸附大颗粒微粒、迅速杀灭和吸附99.9%以上病菌。

进一步，步骤c中被动式静电吸附，4000～6000V次高压静电吸附电场，将步骤b中产生的带电病毒、微尘颗粒进行吸附，微粒病毒消杀率99.9%以上。

进一步，步骤d光催化氧化，气流通过石英管道，石英管道内部涂覆光触媒复合涂布材料，石英管外壁采用紫外灯照射。

进一步，所述光触媒复合涂布材料是过氧络合基钛金属元素氧化物TiO²⁺、金属粒子Ag⁺,Cu²⁺,Fe²⁺和耐高温材料表面高温合成。内部TiO2粒子的粒径在18nm以下, TiO2粒子为锐钛矿型结晶,表面电子能级为3.2eV,在紫外光催化作用下产生负电子—空穴效应，电击氧化破坏病毒颗粒。

进一步，步骤e中臭氧消除、电中和处理，根据出风口臭氧浓度传感器反馈信息，通过负离子发生器向气流中输入负离子，中和臭氧成分。

进一步，在紫外光催化作用下产生的负电子—空穴效应，吹出本设备，电击和中和设备外部空间中病毒病菌的正电荷。

一种等离子灭杀病毒病菌装置，包括空气动力系统、负离子杀菌除尘通道，其中负离子杀菌除尘通道内依次设置纳米银初效滤网、主动式电子捕获器、被动式静电吸附器、光催化管、电加热网；

在电加热网后还设置臭氧浓度传感器；

还设置PLC控制器，PLC控制器与主动式电子捕获器、被动式静电吸附器、光催化管、臭氧浓度传感器、电加热网、空气动力系统电连接进行控制，PLC控制器还连接UI终端，用于输入调控信息。

进一步，所述空气动力系统主要维持气流的吸入、排出，本领域技术人员可知，任何能够控制气流进出、流动的装置均应视为本发明的保护范围内。

进一步，所述纳米银初效滤网为表面涂覆纳米银颗粒、磷酸锆微粒的发泡海绵基材。

进一步，所述主动式电子捕获器为高压电极阵列，及与高压电极阵列点连接的高压发生器，高压发生器与PLC控制器电连接；高压发生器产生电压为6000V～10000V高压静电；高压电极阵列间距为0.8～1.2cm；

进一步，所述被动式静电吸附器为次高压电极阵列，及与高压电极阵列点连接的次高压发生器，次高压发生器与PLC控制器电连接高压发生器产生电压为5000V高压静电；次高压电极阵列间距为0.4～0.6cm；

进一步，所述光电催化管为透明状的石英管道，石英管道内部涂覆光触媒复合涂布材料，石英管外壁采用紫外灯照射。

进一步，所述紫外灯采用253.7nm波长的 UV光照射石英管，石英管单位表面功率为表面功率约90W；石英管直径5cm，长度5cm。

进一步，所述光触媒复合涂布材料是过氧络合基钛金属元素氧化物TiO²⁺、金属粒子Ag⁺,Cu²⁺,Fe²⁺和耐高温材料表面高温合成。内部TiO₂粒子的粒径在18nm以下, TiO₂粒子为锐钛矿型结晶,表面电子能级为3.2eV,在紫外光催化作用下产生电子—空穴效应，氧化破坏病毒颗粒。

进一步，所述电加热网前端设置负离子发生器，根据出风口臭氧浓度传感器反馈信息，在PLC控制器调控下进行向气流中输入负离子（负离子发生器），中和臭氧成分。

有益效果

采用本技术方案及装置净化空气时，通过纳米银初效滤网、主动式电子捕获器、被动式静电吸附器、光电催化等复合净化步骤，可以达到99.999%的病毒消除效率；且装置核心消毒部件采用静电场消毒和吸附，大大降低电能消耗、降低滤网的更换次数；并且静电场消毒和光电催化等核心消毒部件无消耗性部件，有效延长了本装置的有效使用寿命。

静电场消毒与吸附及光催化消毒过程中，光离子簇、带电离子、自由基含量高，有效的诱发雪崩式链式反应，提升病毒消杀效率，一并产生的臭氧分子进一步扩散，提升病菌消杀效率。

且装置能够智能调控臭氧浓度，适应不同工作环境。当环境在无人的夜间或休整期间，UI程序控制臭氧浓度升高，利用臭氧进一步消杀环境空气中的病毒；当有人活动的时期，UI控制臭氧浓度降低或消除，防止危害人身健康。

附图说明

图1为本发明气流流通路径及消毒原理图；

图2为本发明纳米银初效滤网消毒杀菌原理图；

图3 为本发明被动式静电吸附器结构图；

图4为本发明主动式电子捕获器结构图；

图5为本发明装置核心部件示意图；

图6为检测报告截图；

图7为机器实物图；

图8为纳米银初效滤网杀菌抗病毒的原理图；

其中：1-纳米银初效滤网，2-主动式电子捕获器，3-被动式静电吸附器，3-1被动式静电吸附器阴极，3-2被动式静电吸附器阳极，4-紫外灯，5-电加热网，6-石英管，7-外壳，8-电加热网。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图1～8步阐述本发明。

飞机、高铁、大巴、医院等封闭环境中存在的微生物主要是病毒、细菌、真菌、真菌袍子以及其代谢产物。由于以上的环境中具备恒温、恒湿的条件也为病毒病菌提供了有利的繁殖条件。这些病毒病菌以气溶胶的形式下存在，通过空调系统的送风方式进行扩散，引起二次感染疾病。为了避免人类的群体性发病，本技术方案应运而生。

本发明是提出一种等离子灭杀病毒病菌方法，首先将纳米银颗粒、磷酸锆微粒、烷基聚氧乙烯醚混合制备溶胶，喷砂于发泡海绵基材微孔表面，制备表面含有纳米银的纳米银初效滤网，气流首先经纳米银初效滤网初步过滤、杀菌。该纳米银初效滤网过滤除去大部分大颗粒微尘，同时银离子纳米颗粒表面吸附病毒微粒后杀死病毒。然后气流经过带有高压的栅格，栅格各极片之间采用6000V～10000V高压静电，电子在栅格各极片之间电场中飞行，随机碰撞栅格各极片之间气流中的病毒颗粒，使得病毒颗粒表面带电后离子化，诱导病毒表面蛋白变性，杀灭病菌；同时部分自由电子轰击空气氧气分子，离子化的氧气分子彼此结合转化为臭氧分子，进一步杀灭气流中的病毒颗粒；并且高压电场的放电能力较高，大颗粒的微粒诱导电极间放电，破坏、吸附大颗粒微粒、迅速杀灭和吸附99.9%以上病菌；此后气流经被动式静电吸附，被动式静电吸附中气流通过栅格各极片之间5000V的低压静电吸附电场，将带电病毒、微尘颗粒进行吸附，微粒病毒消杀率99.9%以上；经过低压静电吸附电场的气流通过石英管道，石英管道内部涂覆光触媒复合涂布材料，石英管外壁采用紫外灯照射；本实施例中光触媒复合涂布材料是过氧络合基钛金属元素氧化物TiO²⁺、金属粒子Ag⁺,Cu²⁺,Fe²⁺和耐高温材料表面高温合成。内部TiO₂粒子的粒径在18nm以下, TiO₂粒子为锐钛矿型结晶,表面电子能级为3.2eV,在紫外光催化作用下产生电子—空穴效应，氧化破坏病毒颗粒。

此后的气流中病毒颗粒、微尘基本上全部被破坏、吸附，经过臭氧浓度传感器检测后，如果发现臭氧浓度过高，影响环境健康，将通过负离子发生器向气流中输入负离子，中和臭氧成分。最终，经过处理的气流再次经过电加热网升温消毒、再次滤网吸附后排放到环境空气中。本领域技术人员可知，加热并不影响臭氧的消除，所以负离子发生器设置于电加热网前后位置并不影响其主要功能。

本空气净化杀菌程序消毒杀菌除尘过程中，含有病毒病菌的空气通过初效滤网进入上万伏高压电场将病毒和病菌和异味和烟雾瞬间灭杀。然后再通过匹配特有的光等离子光能将空气中的纯氧（O2）以及水（H2O）中的氧元素分开，产生O+、O-，极化的纯氧（O2）、臭氧（O3）形成一个氧簇群的电浆（PLASMA）。光等离子能在制造电浆时将电子、分子及原子拆散、充电、极化，各带正极或负极的电浆被输出后，这些极化的电子、分子及原子等将与空气中的微粒子相互吸引，再次充电；电浆与空气中的病毒病菌微粒子结合后，电解破坏其胶原蛋白，病毒病菌被破坏后本身重量增加，坠于地面或依附于其他物体表面，同时还释放负离子的功能，达到杀毒灭菌以及净化空气的效果。在风扇的负压力吹动下离开净化器后继续攻击遇到的有害物质。

同时采用高功率的紫外光催化，整体的光离子簇是十分活跃的，在同一污染环境下，它破坏有机物体组织的速度比紫外光快170倍，比臭氧快1900倍。光等离子体的破坏机制主要靠分子氧的光分解作用来形成高度氧化的核素，如氧原子、单分子氧和臭氧。这些核素与污染物互相作用而将污染物转变成水和二氧化碳。同时纳米光管的照射产生出可以增加自由原子团的有机分子电子朿。原子团与氧相互作用而产生过氧化氢离子，整个过程引起与有机物的链式反应而触发进一步氧化。当更多的氢以水或蒸汽的形式加入后，高度氧化的羟基原子团便产生。这些原子团离子是稳定的并对有机物有极大的破坏性，他们从有机物质中拿走氢原子而只留下衰退的碳离子。羟基原子团从有机分子中窃取氢原子而形成更强的链子键并具有更高的氧化势能。整个过程最终形成一个连锁反应---羟基原子团对有机物的破坏和更多新的羟基原子团的形成将使有机物质不停的衰退。极活跃的氧化剂-氢氧基离子对病毒/病菌具非常破坏力；它从有病毒病菌胶原体中窃取氢原子而遗留衰弱的碳离子。这从有机分子窃取氢原子形成具更强电子键和氧化力的氢氧基整个破坏和形成新的氢氧基过程，转成链式反应，最后继续地衰竭病毒病菌。

另外，本技术方案中活性离子和自由基气体放电时一些高能激发粒子向下跃迁能产生紫外光线，当光子或电子的能量大于半导体禁带宽度时，就会激发半导体内的电子，使电子从价带跃迁至导带，形成具有很强活性的电子空穴对，并进一步诱导一系列氧化还原反应的进行。光生空穴具有很强的获得电子能力，可与催化剂表面吸附的O₂和H₂O发生反应生成羟基自由基，从而进一步氧化污染物。由于等离子体放电光催化过程有大量高能电子冲击、活性粒子、紫外线辐射等综合因素的协同作用，因而可以更快速有效地分解空气中的病毒病菌和除烟除臭。

现有技术中的半导体光催化技术由于其能耗低,氧化性能强,已有大量研究。但现有技术中该技术仍存在一些缺陷,如:反应受紫外光源限制;能量产率低;较难处理高浓度、大风量的气体等。本技术方案通过各种技术手段对光催化剂进行改性,进而提高光催化性能，比如通过光催化和外加高压等离子电场进行耦合联用形成新型的组合高效光催化等离子协作反应技术,取得了显著效果。

本技术方案还提供一种等离子灭杀病毒病菌装置，包括空气动力系统、负离子杀菌除尘通道，其中负离子杀菌除尘通道内依次设置纳米银初效滤网、主动式电子捕获器、被动式静电吸附器、光催化管、电加热网；还设置PLC控制器，PLC控制器与主动式电子捕获器、被动式静电吸附器、光催化管、电加热网、臭氧浓度传感器、负离子发生器、空气动力系统电连接进行控制，PLC控制器还连接UI终端，用于输入调控信息；在电加热网之后还设置臭氧浓度传感器、负离子发生器与PLC控制器连接，控制最终排放气流中臭氧的浓度。

本装置中所述空气动力系统主要维持气流的吸入、排出，本领域技术人员可知，任何能够控制气流进出、流动的装置均应视为本发明的保护范围内，本实施例采用横流风扇的负压，驱动气流的流动。

本装置中所设置纳米银初效滤网表面涂覆纳米银颗粒、磷酸锆微粒的发泡海绵基材，其杀菌机理主要依靠纳米银微粒及银离子杀菌，如附图2所示。

本装置中所设置主动式电子捕获器为刀片状高压电极阵列，如附图3所示，刀片状高压电极阵列各刀片分别交替与高压发生器正负高压输出电极电连接，高压发生器与PLC控制器电连接；高压发生器产生电压为6000V～10000V高压静电输出到各刀片上,电子在刀片状高压电极阵列各极片之间电场中飞行，随机碰撞各极片之间气流中的病毒颗粒，使得病毒颗粒表面带电后离子化，诱导病毒表面蛋白变性，杀灭病菌；同时部分自由电子轰击空气氧气分子，离子化的氧气分子彼此结合转化为臭氧分子，进一步杀灭气流中的病毒颗粒。本装置中被动式电子捕获器3包括被动式静电吸附器阴极3-1、被动式静电吸附器阳极3-2，二者插嵌放置，插嵌后实物图如附图3。

本装置中所设置被动式静电吸附器为刀片状次高压电极阵列，如附图4所示，刀片状高压电极阵列各刀片分别交替与高压发生器正负高压输出电极电连接，高压发生器与PLC控制器电连接；高压发生器产生电压为5000V高压静电输出到各刀片上,带电刀片吸附高压电极阵列处理过的带电病毒颗粒；

本装置中所设置光电催化管为透明状的石英管道，石英管直径5cm，长度5cm，石英管道内部涂覆光触媒复合涂布材料，石英管外壁采用紫外灯照射，本装置中紫外灯采用253.7nm波长的 UV光照射石英管，在石英管单位表面功率为表面功率约90W。光触媒复合涂布材料中TiO₂粒子为锐钛矿型结晶,表面电子能级为3.2eV,在紫外光催化作用下产生电子—空穴效应，进一步氧化破坏病毒颗粒。

本装置中所设置电加热网的后端设置负离子发生器，根据出风口臭氧浓度传感器反馈信息，在PLC控制器调控下进行向气流中输入负离子，中和臭氧成分，控制排放气流中臭氧浓度。当环境在无人的夜间或休整期间，UI程序控制臭氧浓度升高，利用臭氧进一步消杀环境空气中的病毒；当有人活动的时期，UI控制臭氧浓度降低，防止危害人身健康。除此之外，本装置使用过程中还具有以下特点：

适应性强:持久的杀毒灭菌净化功能，无须专人看管。可适应高浓度、大气量、不同气态病菌病毒环境的净化处理，可在高温80℃,低温-50℃的环境内均可运转,特别是在潮湿,甚至空气5、湿度饱和的环境下仍可正常运行，每天24小时连续工作，长期运行稳定可靠。

低耗节能:运行费用低廉、省电是本技术方案核心技术创新之一，静电场处理下电流微弱，电能消耗量很低,处理1000M³/h病毒病菌空气，耗电量仅0.25度。本设备无任何机械动作，微电脑控制工艺；自动化程度高,工艺简洁,支持手机APP和遥控和机身触摸按键多功能随用随开操作简单方便.无需专人管理和日常维护，遇故障自动停机报警，只需作定期检查。

设备使用寿命长:本设备由不锈钢材，铝材、钼材、钨材、环氧树脂等材料组成，抗氧化性强，对酸、碱气体、潮湿环境等具有良好的防腐性能。核心部件的光催化和静电吸附无消耗性材料，整体的机器使用寿命长达10年以上。

性能检测

实验菌种：肺炎克雷伯氏菌

作用时间：60min

检测方法：GB 21551.3-2010 家用和类似用途电器的抗菌、除菌、净化功能

实验条件：环境温度：25℃

环境湿度：50～70%

实验条件：实验舱（30³）、六级筛孔空气撞击式采样器（FA-1）、微生物气溶胶发生器、营养琼脂培养基

机器型号：见附图7

检测结果：见附图6

结论：实验菌种除去率达到了99.999%。

Claims (10)

1.一种等离子灭杀病毒病菌方法，其特征在于，步骤包括：

a.气流首先经纳米银初效滤网初步过滤、杀菌；

b.气流经主动式高压电子捕获病毒病菌灭杀、杀菌；

c.气流经被动式静电吸附被灭杀后的病毒病菌；

d.气流经光催化氧化；

e.气流经电中和使得臭氧消除；

f.电加热网对气流进行再次加热，灭杀病毒病菌。

2.如权利要求1所述的一种等离子灭杀病毒病菌方法，其特征在于，步骤b中主动式电子捕获吸附、杀菌采用在电极板间设置6000V～10000V高压静电场，电极间飞行的自由电子轰击和击穿电极板间通过的气流中的病毒病菌胶原蛋白和颗粒，同时产生臭氧进一步消除病毒。

3.如权利要求1所述的一种等离子灭杀病毒病菌方法，其特征在于，步骤c中被动式静电吸附采用在电极板间设置4000～6000V次高压静电场，对步骤b处理后的带电病毒颗粒进行吸附和灭杀。

4.如权利要求1所述的一种等离子灭杀病毒病菌方法，其特征在于，步骤d中光催化氧化采用气流通过内部涂覆光触媒复合涂布材料的石英管道，石英管道外壁采用紫外灯照射。

5.如权利要求4所述的一种等离子灭杀病毒病菌方法，其特征在于，所述光触媒复合涂布材料包含TiO₂、金属粒子Ag⁺,Cu²⁺,Fe²⁺，其中TiO₂粒子为锐钛矿型结晶，粒径在18nm以下。

6.如权利要求1所述的一种等离子灭杀病毒病菌方法，其特征在于，步骤e中电中和臭氧消除工艺采用负离子发生器向气流中输入负离子，中和臭氧成分。

7.一种等离子灭杀病毒病菌装置，其特征在于，包括空气动力系统、负离子杀菌除尘通道，负离子杀菌除尘通道内依次设置纳米银初效滤网、主动式电子捕获器、被动式静电吸附器、光催化管、电加热网；

在电加热网前或后还设置臭氧浓度传感器及负离子发生器；

还设置PLC控制器，PLC控制器与主动式电子捕获器、被动式静电吸附器、光催化管、电加热网、臭氧浓度传感器、负离子发生器、空气动力系统电连接进行控制，PLC控制器还连接UI终端，用于输入调控信息。

8.如权利要求7所述的一种等离子灭杀病毒病菌装置，其特征在于，所述纳米银初效滤网为表面涂覆纳米银颗粒、磷酸锆微粒的发泡海绵。

9.如权利要求7所述的一种等离子灭杀病毒病菌装置，其特征在于，

所述主动式电子捕获器为高压电极阵列，及与高压电极阵列点连接的高压发生器，高压发生器与PLC控制器电连接；高压电极阵列间距为0.8～1.2cm；

所述被动式静电吸附器为次高压电极阵列，及与高压电极阵列点连接的次高压发生器，次高压发生器与PLC控制器电连接；次高压电极阵列间距为0.4～0.6cm。

10.如权利要求7～9任一项所述的一种等离子灭杀病毒病菌装置，其特征在于，PLC控制器根据环境状况，通过负离子发生器及臭氧浓度传感器调控排放净化空气中的臭氧浓度，无人环境下提升臭氧浓度，消杀整个环境中病毒；有人环境下降低臭氧浓度，保障人身健康。

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