способ обеззараживания воздуха в помещениях

Формула изобретения

Способ обеззараживания воздуха в помещениях, заключающийся в пропускании воздуха через слой фотокатализатора на основе диоксида титана при воздействии на него ультрафиолетовым излучением с энергией, большей или равной ширине запрещенной зоны фотокатализатора, отличающийся тем, что слой фотокатализатора непрерывно орошают водой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области дезинфекции воздуха в помещениях, в том числе медицинских, где требуется поддержание обсемененности воздуха на эпидемиологически безопасном уровне до начала работы и в процессе пребывания людей.

Известны способы дезинфекции воздуха в помещениях ультрафиолетовым (УФ) излучением бактерицидного диапазона. Обеззараживание производится при помощи рециркуляторов, проходя через которые воздух попадает под действие УФ-излучения бактерицидных ламп, подавляющего жизнедеятельность микроорганизмов в воздушной среде. Бактерицидная эффективность обеззараживания воздуха, прошедшего через рециркулятор, достигает 99,99%.

Известен также способ обеззараживания воздуха путем облучения мощным импульсным УФ-излучением сплошного спектра с длительностью импульса 10^-6-10^-3 и интенсивностью более 100 кВт/м² с помощью плазменного источника излучения (WO 98/42624, 01.10.1998, C02F 1/32). При этом эффективность обеззараживания воздуха в помещении может достигать 99,99%. Однако обеззараживание воздуха должно проводиться только в отсутствие людей.

Известен способ дезинфекции воздуха в помещении, заключающийся в использовании синергетического эффекта, образованного комбинацией электростатического осаждения и фотокаталитического окисления. Поток воздуха проходит в пространстве между заземленными пластинами, соединенными с источником напряжения и покрытыми слоем фотокатализатора на основе двуокиси титана. За счет электростатического осаждения микроорганизмы удаляются из воздуха и попадают на фотокаталитический слой, который облучают светом с энергией излучения, сравнимой с шириной запрещенной зоны фотокатализатора. Микроорганизмы электростатически удерживаются на слое в течение времени, необходимого для протекания фотокаталитической реакции, разрушения и разложения на углекислый газ и воду. Стерилизация камеры объемом около 2000 см³ достигалась за 60 мин (Патент США № 5993738, A61L 9/18).

Известен способ дезинфекции и очистки воздуха от химических загрязнений в системах вентиляции и кондиционирования закрытых помещений, заключающийся в том, что воздух пропускают через систему, содержащую множество поверхностей с нанесенными на них фотокаталитическими слоями. Каждый фотокаталитический слой состоит из множества фотокаталитических частиц и имеет верхнюю и нижнюю поверхности. Нижняя поверхность нанесена на твердую подложку и включает электропроводящий слой, выполненный в виде металлических гребенок, состоящих из полос с промежутками между ними, через которые УФ-излучение проникает в фотокаталитический слой. Энергия УФ-излучения больше или равна ширине запрещенной зоны фотокатализатора. Электропроводящий слой, нанесенный на поверхность фотокатализатора, должен быть выполнен из материала, обеспечивающего прохождение излучения в фотокатализатор. Для удаления части фотогенерируемых в слое электронов из контакта с дырками используется структура с электропроводящим слоем. В результате применения указанной структуры снижается рекомбинация фотогенерируемых частиц, возрастает эффективность фотоокисления и, следовательно, удаления микроорганизмов и загрязнений из воздуха (Патент США № 7063820, B01J 19/08, 2006 г.). Данный способ выбран за прототип изобретения.

Существенным недостатком известных технических решений, в том числе и прототипа, является то, что показатели бактерицидной эффективности для данных способов справедливы для воздуха непосредственно на выходе из реактора, а влияние на обсемененность воздуха в помещении сильно зависит от объема помещения и производительности воздухоочистителя. Чем меньше помещение и больше производительность, тем выше эффективность обеззараживания воздуха. Однако это положение справедливо только при отсутствии в помещении дополнительного источника микробного загрязнения (люди, животные). В противном случае не исключено, что количество поступающих дополнительно микроорганизмов будет снижаться медленно, а то и нарастать.

Кроме того, в способе-прототипе основным процессом, обеспечивающим обеззараживание воздуха, является электростатическое осаждение, в результате которого пылевые частицы и содержащиеся в них микроорганизмы контактируют с поверхностью фотокатализатора, на котором происходит процесс фотокаталитического окисления, что усложняет способ и требует создания сложных многослойных структур.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание способа обеззараживания воздуха в помещениях, при котором обсемененность воздуха поддерживается на эпидемиологически безопасном уровне даже при наличии дополнительных источников заражения.

Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении эффективности и оперативности обеззараживания при поддержании высокого уровня обеззараживания во всем объеме помещения, осуществлении возможности дополнительного обеззараживания поверхностей в помещении, а также упрощении способа.

Сущность изобретения заключается в том, что обрабатываемый воздух пропускают через слой фотокатализатора на основе диоксида титана, на который воздействуют ультрафиолетовым излучением, энергия которого больше или равна ширине запрещенной зоны фотокатализатора. Указанный результат достигается тем, что слой фотокатализатора непрерывно орошают водой.

При орошении водой на поверхности фотокатализатора создается тонкая водяная пленка (10-50 мкм). В процессе продувания воздуха через слой фотокатализатора влага испаряется и захватывает с собой активные кислородсодержащие частицы, являющиеся сильными окислителями и дезинфектантами, в количествах, достаточных для эффективного обеззараживания всего объема помещения и поддержания требуемого уровня обеззараживания воздуха даже при наличии в помещении источников инфекции. При этом оставшаяся неиспарившаяся и прошедшая через фотокатализатор вода также обеззараживается и приобретает бактерицидные свойства.

Кроме того, предложенный способ позволяет осуществлять обеззараживание поверхностей в помещениях за счет воздействия на бактерии, находящиеся на этих поверхностях, кислородосодержащих частиц, образующихся в результате пропускания воздуха через слой диоксида титана при воздействии ультрафиолетовым излучением совместно с орошением водой. В результате деструктивного воздействия этих частиц на жизненно важные органы бактерий они погибают.

Способ поясняется графическими зависимостями, показывающими эффективность воздействия различных факторов (УФ-излучения, фотокатализа и орошения) и их совокупности на содержание микроорганизмов в воздухе.

На фиг.1 представлены временные зависимости содержания микроорганизмов в воздухе помещения при воздействии различных факторов: кривая 1 - при прохождении воздуха через фотокаталитический слой при воздействии на него УФ-излучением; кривая 2 - при прохождении воздуха через фотокаталитический слой без воздействия УФ-излучения; кривая 3 - при прохождении воздуха через фотокаталитический слой при воздействии УФ-излучения и непрерывном орошении слоя.

На фиг.2 представлены временные зависимости содержания микроорганизмов непосредственно на выходе из реактора: кривая 1 - при прохождении воздуха через фотокаталитический слой при выключенной УФ-лампе; кривая 2 - при прохождении воздуха через фотокаталитический слой при включенной УФ-лампе и орошении.

Способ осуществлялся следующим образом.

Изучение эффективности обеззараживания проводили в замкнутом помещении (боксе) объемом 30 м³ при искусственном заражении воздуха тест-организмами, в качестве которых использовался Staphylococcus aureus, штамм 906. Зараженный воздух прокачивался через реактор с фотокаталитической насадкой в виде слоя кварцевых колец, с нанесенным на них покрытием на основе оксида титана, который освещался газоразрядной ртутной лампой низкого давления мощностью 40 Вт и длиной волны УФ-излучения 254 нм, помещенной в кварцевый чехол. Энергия активирующего УФ-излучения составляла 4,88 эВ при ширине запрещенной зоны фотокатализатора 3,2 эВ. Слой орошался водой методом прикапывания с постоянной скоростью 50 мг/см² сек.

Первоначальный уровень искусственного заражения воздуха тест-организмами составлял 10 ⁶-10⁷ КОЕ/м³, что характерно для высокого уровня обсемененности воздуха помещений. Затем для имитации постоянного присутствия людей воздух дополнительно инфицировался распылением культуры микроорганизмов на уровне 10⁵ КОЕ/м³. Скорость прохождения воздуха через фотокаталитический реактор составляла 0,5-1 м³/сек при производительности реактора 20 м³/чac.

Для оценки вклада в эффективность обеззараживания каждого фактора в отдельности (УФ-излучения, фотокатализа и орошения) отбирались пробы воздуха на выходе из реактора и оценивалось состояние воздушной среды в боксе через равные промежутки времени по пробам воздуха для определения количества микроорганизмов в его объеме. Полученные данные по динамике обсемененности приведены в таблицах 1-3 и на фиг.1, 2.

Таблица 1
№ п/п	Время после заражения, мин	Концентрация бактерий, КОЕ/м3
1.	0	1,7·107
2.	20	2,1·105
3.	40	3,1·106
4.	60	2,6·104

В таблице 1 представлены данные по динамике изменения обсемененности воздушной среды бокса при искусственном обсеменении в фоновом режиме без воздействия УФ-излучения на катализатор и орошения. Как видно, обсемененность воздуха после распыления бактерий устанавливается на уровне 10⁷ КОЕ/м³ , затем постепенно снижается до 10⁴ КОЕ/м³ и далее держится на этом уровне.

Таблица 2
№ п/п	Время после заражения, мин	Концентрация бактерий, КОЕ/м3
1.	0	3,4·106
2.	20	1,3·104
3.	40	4,2·103
4.	60	3,1·103

В таблице 2 приведены данные по динамике обсемененности воздушной среды бокса при пропускании воздуха через фотокатализатор при включенной УФ-лампе без орошения. Из таблицы 2 следует, что при пропускании воздуха через фотокатализатор, активируемый УФ-излучением, в объеме помещения устанавливается равновесная концентрация бактерий порядка 10³ КОЕ/м³. В пробах воздуха после выхода из реактора жизнеспособные микроорганизмы не обнаруживались.

Таблица 3
№ п/п	Время после заражения, мин	Концентрация бактерий, КОЕ/м3
1.	0	9,6·106
2.	20	0
3.	40	0
4.	60	0

В таблице 3 приведена динамка изменения обсемененности воздуха в помещении при орошении фотокатализатора совместно с его облучением УФ, Уже через 20 мин микроорганизмы не обнаруживаются как в объеме помещения, так и на выходе из реактора, даже при постоянной подпитке микроорганизмами. Причем этот эффект достигается уже через 20 мин, т.е. ранее 2-кратного воздухообмена.

Было установлено, что в прошедшей через фотокатализатор воде не остается ни одного микроорганизма. Как видно из таблицы 4, пробы бактерий, взятые в воде после прохождения реактора через 20, 40 и 60 мин, практически стерильны.

Таблица 4
№ п/п	Наименование пробы	Концентрация бактерий, КОЕ/м3
2.	Вода из реактора, 20 мин	0
3.	Вода из реактора, 40 мин	0
4.	Вода из реактора, 60 мин	0

Кроме того, такая вода приобретает дополнительные бактерицидные свойства: при внесение в воду, прошедшую через фотокаталитический реактор, суспензии микроорганизмов в концентрации 10⁶ КОЕ/см³ уже через 5 мин после внесения в воде не обнаруживаются жизнеспособные клетки, в то время как в необработанной воде наблюдается сплошной рост бактерий.

Предлагаемый способ также позволяет произвести обеззараживание вертикально и горизонтально расположенных поверхностей из металла, линолеума и неокрашенного дерева. На поверхности перед началом эксперимента наносили суспензию микроорганизмов с бактериальной нагрузкой (Staphylococcus aureus) более 10 ⁹ КОЕ/см².

Результаты по эффективности обеззараживания вертикальных и горизонтальных поверхностей при дополнительном распылении бактерий и при применении фотокаталитического окисления, активируемого УФ-излучением в совокупности с орошением фотокатализатора, приведены в таблице 5. При воздействии всех указанных факторов отмечалось снижение обсемененности на 6-8 порядков.

Таблица 5
№ п/п	Вид поверхности	Горизонтальная	Вертикальная
	Концентрация бактерий (без обработки), КОЕ/см2	Концентрация бактерий (после обработки), КОЕ/см2	Концентрация бактерий (без обработки), КОЕ/см2	Концентрация бактерий (после обработки), КОЕ/см2
1.	Металлические	<109	1,7·103	<109	1,3·102
2.	Линолеум	<109	0,8·102	<109	2,7·10
3.	Дерево окрашенное	<109	3,1·102	<109	2.3·10

Способ также осуществлялся при использовании УФ-лампы производства фирмы Philips с длиной волны излучения 365 нм и мощностью 40 Вт при аналогичных условиях инфицирования воздуха в замкнутом помещении (боксе) объемом 30 м³.

Соответствующие данные представлены в таблице 6. На выходе из реактора уровень зараженности составлял 0 КОЕ/м³.

Таблица 6
№ п/п	Время после заражения, мин	Концентрация бактерий, КОЕ/м3
1.	0	7,8·106
2.	20	1,7·102
3.	40	0
4.	60	0

Предложенное сочетание фотокаталитического окисления под действием УФ-излучения при орошении фотокатализатора водой дает устойчивый эффект обеззараживания во всем объеме помещения и на его поверхностях при сохранении уровня зараженности, несмотря на наличие источников заражения. Эффект обеззараживания определяется воздействием фотокаталитического процесса, протекающего в реакторе, на бактерии в воздухе, в результате которого происходит процесс активного окисления мембраны или внутренних органов бактерии активными радикалами или ионами.

Преимуществами предложенного способа по сравнению с известными является устойчивый эффект обеззараживания во всем объеме помещения и поддержания низкого уровня зараженности воздуха даже при наличии постоянных источников инфицирования, а также оперативность способа и простота его осуществления.