CN214679503U - 生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统 - Google Patents

Abstract

本发明生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统涉及生物安全缓冲间的制造技术领域，是集中传输式氙准分子光源臭氧发生器和集中传输式氙准分子光源臭氧发生器的臭氧喷洒架构技术在生物安全缓冲间制造领域的一种具体的设计，通过封闭式氙准分子臭氧激发舱、压力气源供给装置、液体泵、文丘里管、一流体喷嘴作为必须部件，并且可与空气泵、制氧机、R/O反渗透制水系统为基本元器件构成臭氧喷洒系统的基础架构，为生物安全缓冲间提供了可靠的生物安全隔离屏障。

Description

生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统

技术领域

本发明涉及生物安全缓冲间的制造技术领域，是集中传输式氙准分子光源臭氧发生器和集中传输式氙准分子光源臭氧发生器的臭氧喷洒架构技术在生物安全缓冲间制造领域的一种具体的设计，具有氙准分子臭氧消杀系统的生物安全缓冲间可以有效地对有害微生物进行有效的杀灭，且这种臭氧消杀系统是不会产生氮氧化合物有害气体的一类纯臭氧消杀装备。

背景技术

由于病毒以空气中的气溶胶为载体通过空气传播，从而导致人传人的极大危害。采用更有效、更快速、更安全、更环保的消毒方式对人类生活的环境空间进行消杀是有效遏制疫情的最佳手段。

医院的污染区与非污染区需要生物安全缓冲间进行隔离。医务人员进出污染区需要在缓冲间中更换隔离服，进行有效的消毒。在消毒中需要大量使用75％的乙醇和84消毒液等类似化学消杀剂，且非常费事。因为这些消杀剂必须进行液体喷洒，如果液体喷洒不到的地方，遗漏的在污染区附着的有害微生物就有可能从污染的疫区被带到非污染区，从而导致疫情的扩散。另外在生物安全实验室、实验动物实验室等多个生命科学实验室领域，都有需要严格屏障的试验区域，被屏障的试验区域到非屏障的区域之间，都需要生物安全缓冲间过渡，一些级别高的实验室，其生物安全缓冲间的实验室级别都需要高级别的，不仅仅是需要消杀有害微生物(细菌、病毒、等)，有些还需要消除一些微量的生物样板，例如DNA的消除，这些都需要非常严格的消杀和降解手段才能够保障屏障区与非屏障区之间的隔离和物流人流贯通。

专业领域的常规技术人员都知道，对于环境的非加热消毒方法的选择顺序一般应该是臭氧消毒方法＞二氧化氯消毒方法＞液氯消毒方法＞次氯酸盐消毒方法，然而被全球公认的绿色广谱高效的非化学的臭氧消杀剂，尽管其对有害微生物的消杀速度和效果是无与伦比，却被束之高阁。究其原因在于由于臭氧的活泼性，导致其很不稳定，所以使用臭氧消杀必须现用现制。

目前在我国被使用最广泛地以空气为气源制备臭氧的方法是采用“电晕(即介质阻挡放电)激发”空气中的氧气制备臭氧的装备比较普遍，这种装备也被称之为“等离子”方法。经过技术调研，本发明人了解到，由于空气中的氮气是氧气的3.7倍左右，氮的电离势为15.5ev，氧的电离势为12.5ev，两者的电离势比较接近。所以在采用电晕的方式电离空气中的氧气制备臭氧的同时，也会电离空气中的氮气产生氮氧化合物。同时目前在“等离子”学术领域，由于学术界对“等离子”的标准并没有达成共识，所以与单元素真空状态下的等离子状态相比较，空气中的等离子状态对很多学者来说并不认同可以达到等离子的状态，只能是接近等离子，于是“次等离子”的名词针对以空气环境下的等离子现象被学术界普遍认可。“次等离子”状态所产生的效果就是很难做到只对空间的一种元素电离，所产生的电晕的光谱带比较宽。针对等离子制备臭氧技术来说，高压电极所产生的能量很难准确的定位在自允许氧分子电离的 15.5ev能级左右，所发射的电晕光谱比较宽，所以不能避免空气中的氮气分子不会电离和不吸收电晕所产生的宽频紫外线辐射，因此采用电晕电离空气制备臭氧的方式必然混杂有被电离的氮原子。氮气被激发后会形成组分复杂的氮氧化合物。所以氮氧化合物是成分比较复杂的且很活泼的有害气体的总称，其中的主要代表产物是一氧化氮(ev＝9.5)和二氧化氮 (ev＝11.0)和氧化二氮(ev＝12.9)。这些氮氧化合物可以与臭氧发生化学反应从而消耗已经制备的臭氧降低所制备的臭氧气体的浓度，同时还可以与氧气发生化学反应继续生成氮氧化合物，同时氮氧化合物遇水产生酸性溶液，例如二氧化氮遇水反应就生产硝酸。氮氧化合物所产生的酸性物质虽然也会对一些微生物有一定的杀灭作用，但是与其对环境的破坏和消耗了臭氧从而削弱臭氧的消杀作用相比较，其弊远远大于利。最棘手的技术问题是目前大多数的臭氧传感器检测对臭氧和氮氧化合物气体的检测的专属性不好，所以很难鉴定采用电晕电离空气中的氧气所制备的臭氧的浓度的有效含量，因此这类以电晕激发空气中的氧气制备臭氧的装备比较普遍，且标示的所制备的臭氧的能力较强，但是在使用臭氧消毒的领域内，至今未见到有更好的普及性推广。究其原因就是同时产生的氮氧化合物气体一方面削减了臭氧的有效浓度，一方面所产生的有害气体和酸性溶液对生物和环境具有非常大的危害作用。

一种革命性的从空气源中制备臭氧的技术是氙准分子光源所发射的172nm的紫外窄频紫外光制备臭氧的新技术。由于氧对172nm的紫外窄频光的吸收比对185nm的紫外窄频光的吸收高出20倍，所以氙准分子所发射的172nm的紫外窄频光可以更高效率的激发空气中的氧气产生大量的活性氧，具有超出低压汞灯几十倍的强氧化能力分解有机物质将其转换为二氧化碳和水，所以其表现出了超出所有消杀剂更强的消杀能力。由于氮不吸收172nm的紫外窄频光，所以这种以空气源制备臭氧的方式不会产生氮氧化合物。这是当前从空气中制备臭氧气体效率最高、制备的臭氧气体最纯的，且不会产生氮氧化合物有害气体的臭氧制备技术。采用氙准分子光源激发氧气制备臭氧的装备被称之为“氙准分子臭氧发生器”。

使用氙准分子光源制造臭氧发生器并非易事。本发明人与本实用新型专利提交的同日，也提出了“集中传输式氙准分子光源臭氧发生器”和“集中传输式氙准分子光源臭氧发生器的臭氧喷洒架构”的发明申请。所以本专利申请文件所表述的技术内容是“集中传输式氙准分子光源臭氧发生器”和“集中传输式氙准分子光源臭氧发生器的臭氧喷洒架构”的发明专利申请所表述的技术的一种具体应用。

发明内容

本发明人在提交本专利申请的同日也提交了一份“集中传输式氙准分子光源臭氧发生器”的发明专利申请文件。该专利申请文件所表述的核心技术是利用氙准分子光源开发了一种“封闭式氙准分子臭氧激发舱”及其基础架构。该专利文件所表述的技术核心用简单的语言概括就是，将氙准分子光源的氙准分子灯管放在一个两端有气孔的封闭容器中，孔的一端与可以提供一定压力的气源装备链接，另一端链接输送气流的管道。当氙准分子灯管工作时，就会激发周边气流中的氧分子产生极具强氧化性的活性氧原子，继而形成臭氧与气流中其它成分组成的混合气体(主要是与氮气组成的混合气体)。所形成的含有臭氧的混合气体在气压的作用下，从密闭容器内被吹出，然后会沿着气管的导向，被集中输送到需要的位置，在管道的出口处形成与封闭舱内臭氧浓度基本一致的臭氧混合气体。在一定气压下，流经“封闭式氙准分子臭氧激发舱”和管道的气流是恒定的，则气流中臭氧浓度的高低取决于氙准分子灯管的功率、点亮的时间以及气路中串并联氙准分子灯管(即封闭式氙准分子臭氧激发舱) 的个数这三个基本的因素。对于“封闭式氙准分子臭氧激发舱”的设计技术特征，本申请人已经在“集中传输式氙准分子光源臭氧发生器”的发明专利申请文件中表述了，本专利申请仅仅是将“集中传输式氙准分子光源臭氧发生器”中的“封闭式氙准分子臭氧激发舱”作为一个部件，在本专利所表述的生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统的体系中应用。

图1是本发明的设计，这实际上是氙准分子臭氧汽雾的一种一流体喷嘴的喷洒架构的具体设计。在图1中A表示了生物安全缓冲间的空间结构，图1中的13就是安装在这个生物安全缓冲间的一个一流体喷嘴，O₂是生物安全缓冲间的氧气供给端口。图1的注释如下。在图1中，1是封闭式氙准分子臭氧激发舱，也称之为制臭氧气模块；2是空气泵；3是分子筛制氧机，也称之为制氧模块；4是液体泵，是包括水泵、蠕动泵、射流泵、自吸泵等液体泵等；5是压力表；6是节流阀；7是压力调节阀；8是文丘里管；9是静态混合器；10是空气前置过滤器；12是单向阀；13是一流体喷嘴；16是冷却模块；17是流量计；18是过滤器(综合功能)；19是电磁阀；24是水管(也代表自来水供水口，或有压力的水源端)；Air In-1 和Air In-2表示了系统的两个空气入口，在实践中这两个空气入口可以并成一个空气入口，对应的空气过滤器(图1中的10)也是可以合并使用一套的。图中的气路管道、水路管道、水气路混合管道分别用虚线、实线、点化线表示。每一个图标代码后的序号是为了区别同一个代码下的多个组件，这属于专业领域内的技术人员一看就明白的，所以在这里就没有标出来，但是在下面的工作原理的技术阐述中将会用到。

对图1是一种高气水比的设计，因为在臭氧制备的气路上，分子筛制氧机只能够提供 0.2MPa(2kg)左右的气压。而对于空气泵则可以根据需要选择高压空气泵，这样就意味着液路的气压可以很高，而液路的液压却受到限制，所以属于高气水比的设计。高气水比的设计可以提供较小的汽雾粒径，例如极细级的汽雾，在这个系统中汽雾的作用主要是对生物缓冲间的空间增加湿度，因为臭氧在高湿度的环境中更能够发挥出色的消杀作用。

对图1的工作原理是，由制氧机作为封闭式氙准分子臭氧激发舱的氧气源，从而激发获得高浓度的臭氧气体，经过压力调节阀(7-3)调压后被送入文丘里管(8-1)。由空气泵以空气为气源向系统提供较高气压的空气。该高压空气经过综合功能过滤器(18)进一步清除空气中的杂质(因为空气泵输送高压气体往往会导致气体中产生油污和水分，这样就需要使用气体过滤器将空气中的杂质尽可能滤除)。并通过节流阀(6-2)节流后在文丘里管(8-1) 中与高浓度的臭氧气体混合后形成气压较高、臭氧浓度略低的臭氧混合气体。该混合气体通过节流阀(6-1)、压力调节阀(7-1)的流量和气压调节后通过电磁阀(19-3)进入系统中的第二个文丘里管与水相混合，水由水罐(24)经过水泵(4-1)供给，水相经过减压阀(液压) (20)调节水压后进入文丘里管(8-2)与臭氧气体混合后形成臭氧水汽，经过静态混合器(9) 进一步混合，增加水相中的臭氧浓度后，经过电磁阀(19-1)的控制被送入生物安全缓冲间中的一流体喷嘴，以臭氧汽雾的形式喷洒臭氧汽雾，实施对生物安全缓冲间的臭氧消杀。在系统中，节流阀(6-2)和压力调节阀(7-3)的调整可以很好地控制在文丘里管(8-1)的臭氧气体浓度。节流阀(6-1)、压力调节阀(7-1)和液体减压阀(20)的调节可以很好地控制臭氧汽雾的雾径大小。在生物安全缓冲间实施臭氧消杀不能湿度过高出现露滴，在确保不出现露滴的前提下尽可能提升生物安全缓冲间内部的湿度，这样就可以很好的发挥臭氧消杀的作用。所以系统很好的控制臭氧汽雾的雾滴大小是调节生物安全缓冲间内部湿度的关键。

臭氧气雾消毒比喷洒化学消毒液的主要优点有两点，其一是臭氧气体可以弥漫消毒区域的任何缝隙，理论上来说不存在遗漏消毒的部位，而喷洒消毒液消毒做不到这一点；其二是环保，臭氧消杀后一般温度下在30min左右就会全部降解完毕，代谢物是CO₂和H₂O，而化学消毒液，除了过氧化氢外，都存在化学残留污染环境(主要是地下水)的问题，例如最安全的含氯消毒液，地下水对氯的安全浓度是0.01mg/L，而我国日产5900吨84消毒液，如果当日被用完，则相当于41亿立方米的地下水被氯污染。这是非常骇人的事情，可是在疫情防控的今天却在默默的发生！

医疗污染区和P3等级生物实验室都需要穿戴半封闭防护服，在脱离医疗污染区和试验区时，必须在生物安全缓冲间内接受高湿度环境下的臭氧汽雾消毒；对于医院的高危传染病区、P3以上级别实验室的缓冲消毒间，则需要采用雾径较大的臭氧水汽雾淋洗，这样的防护服是全封闭防水防护服，接受雾径较大的臭氧水汽雾淋洗是最好的消毒方式。由于高浓度的臭氧对人体有害，所以穿戴防护服在生物安全缓冲间内接受臭氧和臭氧汽雾消毒，应该佩戴医疗正压防护头盔，且正压防护头盔的供气端口最好有医疗标准的氧气供给或空气供给。

在图1中，位于生物安全缓冲间内的O₂就是氧气供给端口，其供给原理是由制氧机(3) 的出口端经过压力调节阀(7-2)和电磁阀(19-4)供给到O₂端口。如果使用空气供给，则在 O₂端口旁路与空气泵连接的气路管道即可，这属于简单的技术问题，在图1中就没有绘出。

在图1中，有液体泵(4-2)、单向阀(12-5)、与封闭式氙准分子臭氧激发舱的冷却水套和制氧机出口的氧气冷却模块(16)、水罐(24)构成了氙准分子灯管和氧气的水冷系统。

在实践中，如果有城市自来水供给，对于低级别的生物安全缓冲间的臭氧消杀系统来说，可以将水罐与自来水供给端对接，从而避免添加水的操作麻烦。对于高级别的生物安全缓冲间的臭氧消杀系统来说，水罐的水应该是反渗透水或医疗用水，这样可以会更有效地确保制备出来的臭氧汽雾具有更高的臭氧浓度。目前R/O反渗透水制备系统的技术比较普及，且造价便宜，所以如果地方允许，可以直接将R/O膜反渗透制备洁净水系统融入生物安全缓冲间的臭氧消杀系统中。由于R/O膜反渗透系统目前已经属于专业领域内的常规技术，且在本发明所表述的技术体系中，仅仅是向水罐(24)提供洁净水，没有更多的使用特殊要求，所以本发明申请就不再赘述。

对于图1的设计，分子筛制氧机可以选择空气变压吸附(PSA)制氧机，也可以选择吸附真空解吸(VPSA)制氧机。还可以去掉制氧机，选择一个空气泵。当然选择制氧机向封闭式氙准分子臭氧激发舱提供纯度较高的氧气，可以显著地将臭氧制备量提升三倍以上，而使用空气向封闭式氙准分子臭氧激发舱供气，则由于空气中仅有21％的氧气，所以臭氧的制备量会明显低降低。省略了分子筛制氧机，显然可以缩减装备的体积和重量，因此在考虑到设备的体积和重量不需要很大的场合，去掉制氧机是一种合理的设计选择。目前分子筛制氧机的供氧量一般是采用每分钟制备多少升来区分，例如1L/min、2L/min、3L/min、5L/min、10L/min 等，以目前市场分子筛产品供应的情况，对于小型分子筛制氧机，10L/min的规格基本上属于小型分子筛制氧机的上限，如果再需要大的制氧量，一般是按照小制氧量的机型进行模块化组合。对于与氙准分子光源配套使用来说，选择小型的分子筛制氧机基本上是可以满足需要，因为氙准分子光源激发氧气制备臭氧属于高端小型化臭氧制备设备。对应于目前的医疗消杀基本可以满足多种场合的需求。对于要求不高的场合，可以省略分子筛制氧机，直接用空气泵向封闭式氙准分子臭氧激发舱提供压力空气气源。

对于图1的设计，当需要单位时间内制备高的臭氧量时，除了采用分子筛制氧机提供高浓度的氧气，在图1所表述的架构系统中，还可以通过使用多个封闭式氙准分子臭氧激发舱，采用串联使用、或并联使用、或串并联使用的模式来提升单位时间内臭氧的制备量。关于这一点，本发明人已经在与本专利同日提交的“集中传输式氙准分子光源臭氧发生器”专利申请文件中有所表述。

目前医疗防护服一般采用聚丙烯纺粘布、聚酯纤维与木浆复合的水刺布、聚丙烯纺粘熔喷纺粘复合非织造布、高聚物涂层织物、聚乙烯透析膜非织造复合布等几种，其中一些具有隔水性，一些不具备很好的隔水性。在使用中，对于高级别的生物安全防护则需要穿戴隔水性好的医疗防护服，而对于生物安全防护等级较低的则需要穿戴隔水性不是很好的医疗防护服即可。所以在生物安全缓冲间使用臭氧汽雾喷洒消毒时，对于生物安全防护等级低的场合，使用雾径较小的臭氧汽雾，一方面满足消杀需求，另一方面不会导致臭氧水过多的浸入防护服内。对于生物防护高级别的场合，可以用汽雾粒径较大的水汽雾对防护服进行喷淋消毒，这样可以获得更好的消杀效果。所以图1所展示的臭氧制备和臭氧汽雾喷洒系统可以很好的与生物安全缓冲间的制造配套，将会成为高级别生物安全缓冲间的重要组成部分。

图1的这种设计适用于生物安全缓冲间臭氧系统的臭氧制备和臭氧汽雾喷洒系统的架构和主要部件的排序。

附图说明

在图中，A是生物安全缓冲间；Air In-1是空气进口1、Air In-2是空气进口2；O₂是生物安全缓冲间的氧气供给端口；1是封闭式氙准分子臭氧激发舱(也称之为制臭氧模块)；2是空气泵(是包括空气压缩机、涡流风机、鼓风机等不包括制氧机之外的所有空气压力气源装备的总标识)；3是分子筛制氧机(也称之为制臭氧模块)4-1是液体泵1(是包括水泵、蠕动泵、射流泵、自吸泵等液体泵等装备的总标识)、4-2是液体泵2；5-1是压力表(计)1 (包括气压表、液压表)、5-2是压力表(计)2、5-3是压力表(计)3；6-1是节流阀1、6-2 节流阀2；7-1是压力调节阀1、7-2是压力调节阀2、7-3是压力调节阀3；8-1是射流器1(文丘里管)、8-2是射流器2；9是静态混合器；10是空气前置过滤器(是微尘过滤器、油气分离器、汽水分离器、活性炭柱、硅胶柱的总标识)；12-1是单向阀1、12-2是单向阀2、12-3 是单向阀3、12-4是单向阀4、12-5是单向阀5；13是一流体喷嘴；16是冷却模块(制氧机出口的氧气冷却模块)；17是流量计；18是过滤器(综合功能)；19-1是电磁阀1、19-2是电磁阀2、19-3是电磁阀3、19-4是电磁阀4、19-5是电磁阀5；20是减压阀(液压)；24是水罐(本图标也代表自来水供水口，或有压力的水源端)。图1中实线是水管；虚线是气管道；点化线是水汽混合管道。

具体实施方式

发明人已经在上述正文中已经详细叙述本发明的具体实施内容，就没有必要再列举具体实施方式了。

Claims (5)

1.生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统，其特征在于生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统由封闭式氙准分子臭氧激发舱、压力气源供给装置、液体泵、气体过滤装置、气体调压阀、文丘里管、静态混合器、一流体喷嘴作为必须部件，并且能够与空气泵和/或水泵和/或分子筛制氧机和/或电磁阀和/或水罐和/或自来水供应端口、R/O反渗透制水系统为基本元器件构成臭氧喷洒系统的基础架构。

2.根据权利要求1所述的生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统，其特征是使用分子筛制氧机作为架构系统的压力气源，或使用空气泵向封闭式氙准分子臭氧激发舱提供压力空气气源。

3.根据权利要求1所述的生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统，其特征是安装有氙准分子灯管的封闭式氙准分子臭氧激发舱能够在一个架构系统中通过串联、或并联、或串并联多个组合使用。

4.根据权利要求1所述的生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统，其特征是具有向生物安全缓冲间提供氧气的功能。

5.根据权利要求1所述的生物安全缓冲间的氙准分子臭氧消杀系统，其特征是适用于生物安全缓冲间臭氧消杀的臭氧制备和臭氧汽雾喷洒系统的架构和主要部件的排序。

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