CN115192754A - 一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法与装置。待处理空气与臭氧在所述装置管道内混合均匀后，在该装置的催化剂床层上与喷淋的双氧水溶液接触并反应；反应剩余的液体从该装置底部排水口排出；净化后的空气经除雾器除去雾滴后排放，催化剂、臭氧和双氧水协同提高了羟基自由基、过氧羟基自由基、超氧自由基和单线态氧等活性物种的产生，促进了杀菌消毒的效果。本发明所述工艺和设备不受温度的限制，气体可以一次性进出、反应器占地小、杀菌效果好、协同作用不会产生臭氧溢出，可广泛适用于医院、商场，酒店，学校等公共场所空气杀菌消毒。
Description
技术领域
本发明涉及空气杀菌工艺及装置，属于生物性污染净化环境保护装备技术领域。
背景技术
目前，空气污染物主要有化学性污染、物理性污染和生物性污染。化学性污染是指氮氧化物、甲醛以及挥发性有机化合物等引起的污染，常见的净化技术有催化技术，紫外线技术以及臭氧技术等。物理性污染是指噪声、振动以及湿度和照明灯物理因素引起的污染，常见的净化技术有物理吸附和化学吸附技术。生物性污染是指空气中存在的霉菌、病毒和细菌引起的污染。研究和应用表明，生物性污染具有预测难、潜伏期长和破坏性大等特点，尤其针对非典、新冠等易传播高风险的生物性污染，更加需要严格地控制。
传统的空气杀菌方法之一是使用空气过滤设备过滤空气中霉菌、病毒和细菌。然而，随着过滤饱和推进，杀菌效果逐渐衰弱且存在杀菌失效风险。光催化空气净化技术是采用光触媒二氧化钛对病菌进行吸附，通过紫外线和氧气的分解作用以及光催化产生的羟基自由基破坏细菌的细胞膜来杀灭细菌，该技术具有杀菌广泛、无二次污染等优点，但由于该技术产生自由基有限，其杀菌效率还有待提升。另外，等离子体技术也用于空气净化，等离子体净化法是在常压、室温条件下，强电磁场将气体电离成带有正电和负电的粒子，形成等离子体，其能够起到杀菌作用。但连续式灭菌装置地等离子发生器设备体积庞大、耗能较高、有臭氧逃逸风险，循环式灭菌装置不能保证外来气体或者循环不彻底气体的杀菌功效。因此，有必要提出一个针对连续式高效产生自由基且无二次污染的空气杀菌装置，实现对空气细菌和病毒的消杀净化。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于提供一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法和装置，通过所述装置中臭氧，双氧水和催化剂产生羟基自由基、过氧羟基自由基、超氧自由基和单线态氧等活性物种，并利用活性物种的强氧化性在常温常压条件下，高效杀灭空气中病毒细菌等有害生物性污染，达到空气净化效果，减少能量消耗，同时双氧水消耗臭氧，且产生的自由基在催化剂表面不会再产生臭氧，确保无臭氧逃逸。
为达到上述目的，本发明技术方案如下：
一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基杀菌的气体净化装置，增压风机与所述装置的主管道第一端连接，通过增压风机将待处理空气引入到所述装置的主管道第一端中，臭氧发生器产生的臭氧通过第一旁路管道引入到位于所述装置的主管道第一端内的臭氧分布器上，通过臭氧分布器将臭氧发生器产生的臭氧与待处理空气均匀混合，混合气体自下而上进入设置在所述装置的主管道内的催化剂床层，水箱中的双氧水经水泵增压后，由第二旁路管道输送至设置在所述装置的主管道内、催化剂床层上方的雾化喷嘴中，经雾化喷嘴雾化后，喷淋至催化剂床层上，与所述混合气体在催化剂床层区域成逆流接触，经催化剂床层催化，混合气体中的臭氧和双氧水产生高活性物种杀灭待处理空气中的细菌和病毒等有害物，除雾器设置在所述装置的主管道第二端内，用以除去净化后空气中的雾滴，所述装置的底部即主管道第三端上设置与催化剂床层同轴布置的排水口，用以排出所述装置中的反应剩余液体即积水。所述装置可布置于大型中央空调的回风或送风管道上。
一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化工艺，包括以下步骤：
1、待处理空气首先通过增压风机进入气体净化装置的主管道内，臭氧在臭氧分布器的作用下与待处理空气混合均匀进入所述装置中，所形成的混合气体自下而上经过催化剂床层；
2、水箱中的双氧水经水泵增压后通过雾化喷嘴喷入到催化剂床层上，与所述混合气体在催化剂床层区域成逆流接触；
3、混合气体中的臭氧、双氧水在催化剂床层的催化反应下产生的活性物质氧化杀灭经过催化剂床层的细菌和病毒；
4、反应剩余液体从所述装置底部的排水口排出，净化后的空气经除雾器除去雾滴后排放。
本发明中，步骤(1)中，所述的臭氧通过臭氧发生器产生，通过第一旁路管道输送经臭氧分布器与待处理空气混合均匀。
本发明中，步骤(1)中，臭氧与待处理空气中的细菌和病毒的菌落数比值控制在1010～1016之间，例如1010，1011，1012，1013，1014，1015，1016等，更高的臭氧也具有杀菌功效，但是造成臭氧发生器的能耗增加，因此不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选的，臭氧与空气中的细菌和病毒的菌落数比值为1014。
本发明中，步骤(2)中，所述的双氧水经水泵增压后通过第二旁路管道输送至雾化喷嘴雾化后喷至催化剂床层上，喷射位置可根据催化剂床层上表面润湿情况(催化剂上表面全部润湿)和反应器边壁效应(双氧水无壁流现象)进行调节，高度在1-10cm之间，例如1cm，2cm，4cm，6cm，8cm，10cm等，但不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选的，雾化喷嘴与催化剂床层上表面距离为4cm。
本发明中，步骤(2)中，双氧水浓度为0.1％-30wt％，例如0.1％，5％，10％，30％等，双氧水浓度过大也具有杀菌功效，但是造成双氧水的浪费，因此不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选的，双氧水浓度为1％。
本发明中，步骤(2)中，通过雾化喷嘴的双氧水与混合气体中的臭氧的摩尔比在1～1.5：1之间，例如1.1，1.2，1.3，1.4，1.5等，该摩尔比过大也具有杀菌功效，但是会造成双氧水的浪费，因此不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选的，双氧水与臭氧的摩尔比为1.2。
本发明中，步骤(3)中，催化剂为蜂窝状催化剂，可在气体净化装置中以模块化组装方式进行组合安装和拆卸。催化剂选自二氧化钛，二氧化硅或氧化铝中的一种或几种，优选的，催化剂采用二氧化钛。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出性特点和显著优点：
1、本发明充分考虑到现有技术的杀菌效率，能耗、二次污染和操作技术，采用催化臭氧和双氧水高效转化为羟基自由基、过氧羟基自由基、超氧自由基和单线态氧(高活性物质，比臭氧和双氧水有更强的氧化性和更好的杀菌效果)保证杀菌效率。
2、工艺和装置为连续性工作，即气体一次性经过装置后连续灭菌，使得空气从源头上得以净化。
3、避免大量臭氧的消耗，确保能耗低，且臭氧无逃逸，即无二次污染。
4、杀菌效果受温度影响小，对所处环境无特别要求。可以广泛应用于医院、商场、酒店、学校等场所的中央空调回风或送风系统中的空气杀菌。
附图说明
图1是本发明的气体净化装置示意图，图中，1、增压风机；2、臭氧发生器；3、臭氧分布器；4、水箱；5、水泵；6、雾化喷嘴；7、催化剂床层；8、除雾器；9、排水口。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例，即以下实施案例进一步说明本发明的内容，不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或者条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指出，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
本发明的技术原理主要在于：
本发明所述的气体净化装置布置于大型中央空调的回风或送风管道上，确保全部回风或者新风加回风能够经过所述装置，使得气体一次经过所述装置得到连续净化。在催化剂床层中，臭氧和双氧水在催化剂作用下产生大量氧化活性物种：羟基自由基、过氧羟基自由基、超氧自由基和单线态氧。自由基活性物种与细菌和病毒接触时，与生物体的DNA、RNA、蛋白质、脂质、细胞膜等发生一系列复杂的生化反应和物理过程，使得细菌和病毒的表面结构发生变化，细菌蛋白质发生变性，最终起到杀灭细菌和病毒的效果。同时，这些活性成分存留的时间较短，会在短时间内转变为基态，不会产生二次污染。另外，臭氧的量少于双氧水量，在催化剂表面臭氧完全被双氧水消耗，产生的自由基一部分消灭细菌病毒，另外一部分自发湮灭，也不会产生臭氧逃逸，造成二次污染。
结合图1，一种催化强化臭氧、双氧水和催化反应器复合的空气杀菌净化装置，包括：增压风机1、臭氧发生器2、臭氧分布器3、水箱4、水泵5、雾化喷嘴6、催化剂床层7、除雾器8、排水口9。臭氧分布器3、催化剂床层7、雾化喷嘴6、除雾器8自下而上依次设置在所述装置的主管道内部，臭氧分布器3设置在主管道第一端内，增压风机1与主管道第一端连接，除雾器8设置在主管道第二端内，所述装置底部的主管道第三端上设置排水口9，雾化喷嘴6设置在催化剂床层7的上方，水泵5一侧与水箱4连接，另一侧通过旁路管道与雾化喷嘴6连接，臭氧发生器2与臭氧分布器3连接，主管道第三端与催化剂床层7同轴设置。主管道为具有三通形状的管道结构。
对比例1
本实施例中，空气消毒模拟现场试验在2个50m3密闭气雾室(A室和B室)进行，选取金黄色葡萄球菌为研究对象。试验中：A室为标准大气压环境，空气中的含菌量为5.5×104cfu/m3，B室抽成真空(无菌)，A室中的待测空气经过图1中的装置处理后进入B室中，用筛孔撞击式六级空气微生物采样器JWL-6以28.3L/min的抽风量在B室中进行采样；待测空气的处理流量为20m3/min，臭氧的产量为10mg/min(使用时)，H2O2的浓度为1％，流量为0.83mL/min(使用时)。装置中不填装催化剂。运行2.5分钟后，在对比例9的臭氧+双氧水相对湿度为30％、空气温度为18℃条件下，病菌杀灭率为83.89％。
为更好的对比说明。将不同操作条件下的对比例1～12的病菌杀灭率列于表1。从表1中可以看出，单独使用臭氧或者双氧水，杀灭率不高；使用臭氧+双氧水时，灭菌率提高，但是杀灭率最高仅为83.89％。
表1
实施例1
本实施例中，参见图1，一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法与装置包括：增压风机、臭氧发生器、臭氧分布器、水箱、水泵、雾化喷嘴、2个催化剂床层、除雾器、排水口。空气消毒模拟现场试验在2个50m3密闭气雾室(A室和B室)进行，选取金黄色葡萄球菌为研究对象。试验中：A室为标准大气压环境，空气中的含菌量为5.5×104cfu/m3，B室抽成真空，A室中的待测空气经过图1中的装置处理后进入B室中，用筛孔撞击式六级空气微生物采样器JWL-6以28.3L/min的抽风量在B室中进行采样；待测空气的处理流量为20m3/min，臭氧的产量为10mg/min(使用时)，H2O2的浓度为1％，流量为0.83mL/min(使用时)。催化剂床层中填装TiO2催化剂，雾化喷嘴(用于喷射双氧水)距离催化剂床层上方4cm，反应空速为6×105h-1，气体流速为33m/s。运行2.5分钟后，在实施例1的TiO2+臭氧+双氧水条件下，相对湿度为50％、空气温度为28℃时，病菌杀灭率为99.97％。
为更好的对比说明。将不同操作条件下的对比例13～27的病菌杀灭率列于表2。从表2中可以看出，单独使用TiO2，TiO2+臭氧或者TiO2+双氧水，杀灭率不高；使用TiO2+臭氧+双氧水时，杀灭率提高，杀灭率最高达99.97％。
表2
实施例2
本实施例中，参见图1，一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法与装置包括：增压风机、臭氧发生器、臭氧分布器、水箱、水泵、雾化喷嘴、2个催化剂床层、除雾器、排水口。空气消毒模拟现场试验在2个50m3密闭气雾室(A室和B室)进行，选取金黄色葡萄球菌为研究对象。试验中：A室为标准大气压环境，空气中的含菌量为5.5×104cfu/m3，B室抽成真空，A室中的待测气体经过图1中的装置处理后进入B室中，用筛孔撞击式六级空气微生物采样器JWL-6以28.3L/min的抽风量在B室中进行采样；待测空气的处理流量为20m3/min，臭氧的产量为10mg/min(使用时)，H2O2的浓度为1％，流量为0.83mL/min(使用时)。气体净化装置中填装SiO2催化剂，双氧水雾化喷嘴距离催化剂上端4cm，反应空速为6×105h-1，气体流速为33m/s。运行2.5分钟后，在实施例2的SiO2+臭氧+双氧水，相对湿度为50％、空气温度为18℃时，病菌杀灭率为99.96％。
为更好的对比说明。将不同操作条件下的对比例28～42的病菌杀灭率列于表3。从表3中可以看出，单独使用SiO2，SiO2+臭氧或者SiO2+双氧水，杀灭率不高；使用SiO2+臭氧+双氧水时，灭菌率提高，杀灭率最高达99.96％。
表3
实施例3
本实施例中，参见图1，一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法与装置包括：增压风机、臭氧发生器、臭氧分布器、水箱、水泵、雾化喷嘴、2个催化剂床层、除雾器、排水口。空气消毒模拟现场试验在2个50m3密闭气雾室(A室和B室)进行，选取金黄色葡萄球菌为研究对象。试验中：A室为标准大气压环境，空气中的含菌量为5.5×104cfu/m3，B室抽成真空，A室中的待测气体经过图1中的装置处理后进入B室中，用筛孔撞击式六级空气微生物采样器JWL-6以28.3L/min的抽风量在B室中进行采样；待测空气的处理流量为20m3/min，臭氧的产量为10mg/min(使用时)，H2O2的浓度为1％，流量为0.83mL/min(使用时)。气体净化装置中填装Al2O3催化剂，双氧水雾化喷嘴距离催化剂上端4cm，反应空速为6×105h-1，气体流速为33m/s。运行2.5分钟后，在实施例3的Al2O3+臭氧+双氧水，相对湿度为50％、空气温度为18℃时，病菌杀灭率为99.99％。
为更好的对比说明。将不同操作条件下的对比例43～57的病菌杀灭率列于表4。从表4中可以看出，单独使用Al2O3，Al2O3+臭氧或者Al2O3+双氧水，杀灭率不高；使用Al2O3+臭氧+双氧水时，灭菌率提高，杀灭率最高达99.99％。
表4
实施例4
本实施例中，参见图1，一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法与装置包括：增压风机、臭氧发生器、臭氧分布器、水箱、水泵、雾化喷嘴、2个催化剂床层、除雾器、排水口。空气消毒模拟现场试验在2个50m3密闭气雾室(A室和B室)进行，选取金黄色葡萄球菌为研究对象。试验中：A室为标准大气压环境，空气中的含菌量为5.5×104cfu/m3，B室抽成真空，A室中的待测气体经过图1中的装置处理后进入B室中，用筛孔撞击式六级空气微生物采样器JWL-6以28.3L/min的抽风量在B室中进行采样；待测空气的处理流量为20m3/min，臭氧的产量为10mg/min，H2O2的浓度为1％，流量为0.83mL/min。气体净化装置中填装TiO2+Al2O3、TiO2+SiO2、Al2O3+SiO2或Al2O3+TiO2+SiO2催化剂，催化剂中组分Al2O3：TiO2：SiO2物质的量的比值为1：1：1，双氧水雾化喷嘴距离催化剂上端4cm，反应空速为6×105h-1，气体流速为33m/s。运行2.5分钟后，在实施例4的TiO2+Al2O3+臭氧+双氧水相对湿度为50％、空气温度为18℃和TiO2+Al2O3+SiO2+臭氧+双氧水，相对湿度为30％、空气温度为18℃时，病菌杀灭率为99.98％。
为更好的对比说明。将不同操作条件下的对比例58～68的病菌杀灭率列于表5。从表5中可以看出，使用TiO2+Al2O3，TiO2+SiO2，TiO2+Al2O3+SiO2，杀灭率都高；在使用TiO2+Al2O3+臭氧+双氧水和TiO2+Al2O3+SiO2+臭氧+双氧水，灭菌率最高，杀灭率最高达99.98％。
表5
实施例5
本实施例中，参见图1，一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法与装置包括：增压风机、臭氧发生器、臭氧分布器、水箱、水泵、雾化喷嘴、2个催化剂床层、除雾器、排水口。空气消毒模拟现场试验在2个50m3密闭气雾室(A室和B室)进行，选取金黄色葡萄球菌为研究对象。试验中：A室为标准大气压环境，相对湿度为30％，温度为28℃，空气中的含菌量为5.5×104cfu/m3，B室抽成真空，A室中的待测气体经过图1中的装置处理后进入B室中，用筛孔撞击式六级空气微生物采样器JWL-6以28.3L/min的抽风量在B室中进行采样；待测空气的处理流量为20m3/min，臭氧的产量为10mg/min，H2O2的浓度为1％，流量为0.83mL/min。气体净化装置中填装TiO2催化剂。运行2.5分钟后，在实施例5的气体流速为33m/s,空速高于6×105h-1，雾化喷嘴距离催化剂上表面不足4cm或者多余4cm，病菌杀灭率都不高。
为更好的对比说明。将不同操作条件下的对比例69～77的病菌杀灭率列于表6。从表6中可以看出，使用TiO2催化剂，相对湿度为30％，温度为28℃，在空速为7.8×104h-1，雾化器喷嘴距离催化剂上表面距离为4cm时，杀灭率最高达99.99％。随着空速的降低，杀菌效果越来越优异，即进一步降低空速仍然会有较理想的杀菌效果，但空速低不利于单位体积催化剂对气体处理量的提高，并且对气体流动的阻力会增加。
表6
实施例6
本实施例中，参见图1，一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法与装置包括：增压风机、臭氧发生器、臭氧分布器、水箱、水泵、雾化喷嘴、2个催化剂床层、除雾器、排水口。空气消毒模拟现场试验在2个50m3密闭气雾室(A室和B室)进行，选取金黄色葡萄球菌为研究对象。试验中：A室为标准大气压环境，空气中的含菌量为5.5×104cfu/m3，B室抽成真空，A室中的待测气体经过图1中的装置处理后进入B室中，用筛孔撞击式六级空气微生物采样器JWL-6以28.3L/min的抽风量在B室中进行采样；待测空气的处理流量为20m3/min，双氧水浓度为1％，流量为0.83mL/min气体净化装置中填装TiO2催化剂,反应空速为6×105h-1，气体流速为33m/s，雾化喷嘴距离催化剂上表面4cm处。运行2.5分钟后，在实施例6的不同臭氧和双氧水的用量下病菌杀灭率全部高于99.9％，当臭氧用量变大或者双氧水用量较小时，臭氧逃逸量增大。
为更好的对比说明。将不同操作条件下的对比例78～96的病菌杀灭率列于表7。从表7中可以看出，在不同操作条件下，杀菌率都高于99.9％。但是在臭氧用量为12mg/min，双氧水用量为0.83mL/min时臭氧逃逸量最高可达23ppb，在臭氧用量为10mg/min，双氧水用量为1mL/min时臭氧逃逸量最低在7ppb。
表7
Claims (10)
1.一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化装置，其特征在于，臭氧分布器、催化剂床层、雾化喷嘴、除雾器自下而上依次设置在所述装置的主管道内部，臭氧分布器设置在主管道第一端内，增压风机与主管道第一端连接，除雾器设置在主管道第二端内，所述装置底部的主管道第三端上设置排水口，雾化喷嘴设置在催化剂床层的上方，水泵一侧与水箱连接，另一侧通过旁路管道与雾化喷嘴连接，臭氧发生器与臭氧分布器连接，主管道第三端与催化剂床层同轴设置。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，雾化喷嘴与催化剂床层上表面距离为1~10cm。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，雾化喷嘴与催化剂床层上表面距离为4cm。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，催化剂床层采用蜂窝状催化剂，选自二氧化钛，二氧化硅或氧化铝中的一种或几种。
5.一种催化强化臭氧、双氧水产生自由基的杀菌净化方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）待处理空气通过增压风机进入如权利要求1-4所述装置的主管道内，臭氧在臭氧分布器的作用下与待处理空气混合均匀进入所述装置中，所形成的混合气体自下而上经过催化剂床层；
（2）水箱中的双氧水经水泵增压后通过雾化喷嘴喷入到催化剂床层上，与所述混合气体在催化剂床层区域成逆流接触；
（3）混合气体中的臭氧、双氧水在催化剂床层的催化反应下产生的活性物质氧化杀灭经过催化剂床层的细菌和病毒；
（4）反应剩余液体从所述装置底部的排水口排出，净化后的空气经除雾器除去雾滴后排放。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，臭氧与待处理空气中的细菌和病毒的菌落数比值控制在1010~1016之间。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，臭氧与待处理空气中的细菌和病毒的菌落数比值为1014。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，双氧水浓度为0.1%-30wt%。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，通过雾化喷嘴的双氧水与混合气体中的臭氧的摩尔比在1~1.5：1之间。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤（2）中，通过雾化喷嘴的双氧水与混合气体中的臭氧的摩尔比为1.2。
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