CN117599218A - 一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置及方法，属于微等离子体技术的医学灭菌消毒领域。本发明利用超声雾化产生的水雾和气体发生装置产生的气体形成的结合体，与微等离子体发生装置结合并提高放电效果；相比于等离子体放电，本发明是尺寸为毫米级或更小的微等离子体放电，具有非热特性、高电子密度、稳定性强和在大气条件下工作的独特优点，同时在超声雾化产生的极小雾滴与等离子体的射流形态放电的结合下，也能获得较好的放电均匀性和产生活性物质的高效性，并且射流的放电形式更适用于环境表面或与人体皮肤接触的医学灭菌消毒过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，属于微等离子体技术的医学灭菌消毒领域。
背景技术
等离子体技术作为一种零污染、低排放环境友好型的高级氧化技术，该技术利用高压放电能够产生具有强氧化性的自由基、高能电子、处于激发态的原子、分子等高活性的粒子，它们易与细菌、真菌内部的蛋白质和核酸发生反应，致其死亡起到灭菌作用。
目前，等离子体生物医学工程的应用场景较多，虽然这种方式对于皮肤创伤愈合具有积极的作用，但是仍存在诸多缺陷，并且涉及微等离子体与等离子体射流的方法应用也较少。
例如CN 215077890U公开了一种无接触低温等离子体雾化洗手消毒装置，虽然能够对使用者的皮肤实现消毒作用，但由于缺乏气源的存在使得产物活性粒子浓度受限，很难应用于临床医学的实验研究。
又例如CN215086059U和CN205603215U两篇专利均采用等离子体放电处理水产生活性物质(过氧化氢和活化水)，分别采用雾状水滴的双介质阻挡放电和气液混合介质阻挡放电(含活化水雾化)；但是，这两种方案中的等离子体尺寸很难与超声雾化出的极小水雾进行适配，这就会导致等离子体的放电效果没有得到充分的提升，欠缺放电的均匀性以及产生活性物质的高效性，很难达到医学灭菌消毒的要求。
CN211214540U还提出一种等离子体灭菌消毒柜，通过等离子体产生模块、气流模块及雾化模块的协同作用，降低臭氧浓度，提高灭菌效率，供空气消毒，但是其中只提及了雾化模块的雾化作用，产生雾滴通过介质阻挡通道的放电形式，但是该方案并没有很好地与等离子体的射流进行结合，导致其放电形式很难运用到医学灭菌消毒中。
另外，等离子体射流通过气体流动将放电区域的活性粒子输运到被处理区域，在以往的等离子体射流发生时，通常直接以液体物质作为被处理区域，以常规的起泡方式很难在保证安全稳定的情况下大幅度有效增加活性物种的产率，极大地限制了等离子体射流处理效果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，包括：
柱形容器，所述柱形容器顶部设有出雾口，所述柱形容器底部设有超声雾化器，所述柱形容器在所述出雾口和所述超声雾化器之间的位置设有防溅板，所述防溅板具有至少一个安装有钢丝网的通气口；所述柱形容器内盛有用于超声雾化的溶液，所述防溅板所在位置高于所述溶液的液面且能够阻挡溶液飞溅并防止溶液到所述防溅板上方的出雾口；
应当理解，在本发明中，以所述柱形容器顶部相对于底部的方向为“上”，以所述柱形容器底部相对于顶部的方向为“下”；柱形的容器结构更有利于水雾和气体的流动，并有助于和微等离子体放电有效结合。
进气装置，所述进气装置包括至少一个进气管，所述进气管连接所述柱形容器一侧并与所述柱形容器内部连通；
微等离子体发生装置，位于所述出雾口上方，所述微等离子体发生装置包括至少一个微等离子体管道，每个所述微等离子体管道安装有两个间隔有一定距离的放电电极；
所述柱形容器能够通过所述超声雾化器产生向上弥散的水雾，并通过所述进气装置通入的气体将水雾携带至出雾口。
在本发明的一种实施方式中，所述防溅板具有四个成中心对称布置的通气口。
在本发明的一种实施方式中，所述进气装置包括第一进气管和第二进气管，所述第一进气管位于所述第二进气管上方，所述第一进气管和所述第二进气管向所述柱形容器通入的气体为空气、氧气、氮气、氩气中的一种或多种。
进一步地，所述防溅板位于所述第一进气管和所述第二进气管之间的高度位置，所述第一进气管和所述第二进气管分别设有第一气阀和第二气阀，所述第一进气管和所述第一气阀用于防止水雾冷凝回流对微等离子体发生装置造成损害，所述第二进气管和所述第二气阀用于助推水雾通过所述防溅板。
在本发明的一种实施方式中，两个所述放电电极均固定于所述微等离子体管道侧面且连接高压AC电源、高压直流电源或高压脉冲电源。
在本发明的一种实施方式中，所述微等离子体管道的材质为石英或陶瓷，所述放电电极的材质为钨、铜、铂或不锈钢。
在本发明的一种实施方式中，两个所述发生电极之间的间隙距离为1-5mm。
本发明还提供一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的方法，包括如下步骤：
步骤1：在柱形容器内充入溶液，所述溶液的液面低于所述进气装置；所述溶液可以是去离子水、蒸馏水、纯水、超纯水等；
步骤2：调整微等离子体发生装置的位置，使得微等离子体管道正对于所述出雾口上方，并将放电电极接入电源；
步骤3：打开超声雾化器并通过超声雾化器和溶液产生向上弥散的微米量级水雾，通过进气装置向柱形容器内通入气体，使得水雾携带气体后通过防溅板弥散至出雾口后从出雾口排出；
步骤4：打开电源，调整微等离子体发生装置的电压，直至形成稳定均匀的微等离子体射流；
步骤5：水雾携带气体通过出雾口后与微等离子体射流混合发生化学反应，生成具有化学氧化能力的以过氧化氢离子基团为代表的化学氧化物种，其中活性物种由细小水珠携带形成超声雾化等离子体活性液滴并作用于环境表面或人体皮肤，在环境表面或与人体皮肤接触时会发生化学氧化自由基反应并产生活性粒子(例如O3、H2O2等长寿命粒子，以及RONS等氧氮活性物种短寿命粒子)，所述活性粒子能够对环境表面或人体皮肤组织起到不同程度的渗透作用，从而达到灭菌消毒的目的。
在本发明的一种实施方式中，所述步骤3中，所述进气装置通入气体的速度为1-8L/min；所述步骤4中，微等离子体发生装置的电压调整为2.0-8.0kV。
本发明的有益效果：
本发明利用超声雾化产生的水雾和气体发生装置产生的气体形成的结合体，与微等离子体发生装置结合并提高放电效果；相比于等离子体放电，本发明是尺寸为毫米级或更小的微等离子体放电，具有非热特性、高电子密度、稳定性强和在大气条件下工作的独特优点，同时在超声雾化产生的极小雾滴与等离子体的射流形态放电的结合下，也能获得较好的放电均匀性和产生活性物质的高效性，并且射流的放电形式更适用于环境表面或与人体皮肤接触的医学灭菌消毒过程。
附图说明
图1为本发明一种实施方式中整体装置结构示意图。
图2为本发明一种实施方式中整体装置的水雾及气流运动示意图。
图3为本发明一些实施方式中多种微等离子体发生装置的结构示意图。
图中，1-微等离子体发生装置，2-出雾口，3-柱形容器，4-防溅板，5-超声雾化器，6-第一进气管，61-第一气阀，7-第二进气管，71-第二气阀，8-微等离子体放电区域，9-第二雾化区域，10-第一雾化区域，11-微等离子体管道，12-放电电极。
具体实施方式
实施例1
如图1-图2所示，本发明提供了一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，包括：
柱形容器3，所述柱形容器顶部设有出雾口2，所述柱形容器3底部设有超声雾化器5，所述柱形容器3在所述出雾口2和所述超声雾化器5之间的位置设有防溅板4，所述防溅板4具有四个成中心对称布置的通气口；所述柱形容器3内盛有用于超声雾化的溶液，所述防溅板4所在位置高于所述溶液的液面且能够阻挡溶液飞溅并防止溶液到所述防溅板4上方的出雾口2；
进气装置，所述进气装置包括第一进气管和第二进气管，所述第一进气管6位于所述第二进气管7上方，所述第一进气管6和所述第二进气管7向所述柱形容器3通入的气体为空气、氧气、氮气、氩气中的一种或多种，所述第一、第二进气管连接所述柱形容器3一侧并与所述柱形容器3内部连通；
所述防溅板4位于所述第一进气管6和所述第二进气管7之间的高度位置，所述第一进气管6和所述第二进气管7分别设有第一气阀61和第二气阀71，所述第一进气管6和所述第一气阀61用于防止水雾冷凝回流对微等离子体发生装置造成损害，所述第二进气管7和所述第二气阀71用于助推水雾通过所述防溅板4；
微等离子体发生装置1，位于所述出雾口上方，所述微等离子体发生装置包括至少一个微等离子体管道，每个所述微等离子体管道安装有两个间隔有1-5mm间隙的放电电极；如图3所示，微等离子体发生装置3有多种放电结构，包括板-板结构、针-板结构、针-针结构、网-尖轴结构、环-环结构、环-网结构，每组结构包括一个微等离子体管道11和两个放电电极12，两个放电电极12均固定于微等离子体管道11的侧面且分别与高压电源(PowerSource，PS)的高压端和地线端相连。
所述柱形容器3能够通过所述超声雾化器5产生向上弥散的水雾，并通过所述进气装置通入的气体将水雾携带至出雾口2。
实施例2
将实施例1中的装置应用于灭菌消毒，包括如下步骤：
步骤1：在柱形容器3内充入溶液，所述溶液的液面低于所述第二进气管7；所述溶液选用去离子水；
步骤2：调整微等离子体发生装置1的位置，使得微等离子体管道11正对于所述出雾口2的上方，并将放电电极接入电源；
步骤3：打开超声雾化器5，在第一雾化区域10通过超声雾化器5和溶液产生向上弥散的微米量级水雾，通过进气装置向柱形容器3内通入4L/min的氧气，使得水雾携带气体后在第二雾化区域9通过防溅板4弥散至出雾口2后从出雾口2排出；
步骤4：打开电源，调整微等离子体发生装置1的电压至6.8kV，直至形成稳定均匀的微等离子体射流；
步骤5：水雾携带气体通过出雾口2后在微等离子体放电区域8与微等离子体射流混合发生化学反应，生成具有化学氧化能力的以过氧化氢离子基团为代表的化学氧化物种，其中活性物种由细小水珠携带形成超声雾化等离子体活性液滴并作用环境表面或于人体皮肤，在环境表面或与人体皮肤接触时会发生化学氧化自由基反应并产生活性粒子(例如O3、H2O2等长寿命粒子，以及RONS等氧氮活性物种短寿命粒子)，所述活性粒子能够对环境表面或人体皮肤组织起到不同程度的渗透作用。
上述步骤处理时间为30min，待30min后，测量收集到的在放电出雾口位置凝聚的水雾液滴中化学氧化物质H2O2的浓度，测定结果如下表所示：
结果表明，超声雾化活性水雾液滴中附着羟基自由基和H2O2等活性物种，能够在临床应用方面起到伤口愈合、口腔医学和皮肤病治疗等效果，而公开文献《Journal ofPhysics D:Applied Physics,2019,52(4):045204》中也佐证了上述活性粒子的数量和种类是获得预期良好的临床治疗效果的关键所在。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，其特征在于，包括：
柱形容器，所述柱形容器顶部设有出雾口，所述柱形容器底部设有超声雾化器，所述柱形容器在所述出雾口和所述超声雾化器之间的位置设有防溅板，所述防溅板具有至少一个安装有钢丝网的通气口；所述柱形容器内盛有用于超声雾化的溶液，所述防溅板所在位置高于所述溶液的液面且能够阻挡溶液飞溅并防止溶液到所述防溅板上方的出雾口；
进气装置，所述进气装置包括至少一个进气管，所述进气管连接所述柱形容器一侧并与所述柱形容器内部连通；
微等离子体发生装置，位于所述出雾口上方，所述微等离子体发生装置包括至少一个微等离子体管道，每个所述微等离子体管道安装有两个间隔有一定距离的放电电极；
所述柱形容器能够通过所述超声雾化器产生向上弥散的水雾，并通过所述进气装置通入的气体将水雾携带至出雾口。
2.根据权利要求1所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，其特征在于，所述防溅板具有四个成中心对称布置的通气口。
3.根据权利要求1所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，其特征在于，所述进气装置包括第一进气管和第二进气管，所述第一进气管位于所述第二进气管上方，所述第一进气管和所述第二进气管向所述柱形容器通入的气体为空气、氧气、氮气、氩气中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，其特征在于，所述防溅板位于所述第一进气管和所述第二进气管之间的高度位置，所述第一进气管和所述第二进气管分别设有第一气阀和第二气阀，所述第一进气管和所述第一气阀用于防止水雾冷凝回流对微等离子体发生装置造成损害，所述第二进气管和所述第二气阀用于助推水雾通过所述防溅板。
5.根据权利要求1所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，其特征在于，两个所述放电电极均固定于所述微等离子体管道侧面且连接高压AC电源、高压直流电源或高压脉冲电源。
6.根据权利要求5所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，其特征在于，所述微等离子体管道的材质为石英或陶瓷，所述放电电极的材质为钨、铜、铂或不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的装置，其特征在于，两个所述发生电极之间的间隙距离为1-5mm。
8.如权利要求1所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：在柱形容器内充入溶液，所述溶液的液面低于所述进气装置；
步骤2：调整微等离子体发生装置的位置，使得微等离子体管道正对于所述出雾口上方，并将放电电极接入电源；
步骤3：打开超声雾化器并通过超声雾化器和溶液产生向上弥散的微米量级水雾，通过进气装置向柱形容器内通入气体，使得水雾携带气体后通过防溅板弥散至出雾口后从出雾口排出；
步骤4：打开电源，调整微等离子体发生装置的电压，直至形成稳定均匀的微等离子体射流；
步骤5：水雾携带气体通过出雾口后与微等离子体射流混合发生化学反应，生成具有化学氧化能力的以过氧化氢离子基团为代表的化学氧化物种，其中活性物种由细小水珠携带形成超声雾化等离子体活性液滴并作用于环境表面或人体皮肤，在环境表面或与人体皮肤接触时会发生化学氧化自由基反应并产生活性粒子，所述活性粒子能够对环境表面或人体皮肤组织起到不同程度的渗透作用，从而达到灭菌消毒的目的。
9.根据权利要求8所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的方法，其特征在于，所述步骤3中，所述进气装置通入气体的速度为1-8L/min。
10.根据权利要求8所述的一种超声雾化微等离子体放电的灭菌消毒的方法，其特征在于，所述步骤4中，微等离子体发生装置的电压调整为2.0-8.0kV。
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