СПОСОБ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DECONTAMINATING AIR AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к области обеззараживания и очистки воздуха от микроорганизмов и аэрозолей, а именно к способам обеззараживания воздуха от микроорганизмов и биологических агентов методом их инактивации воздействием постоянных электрических полей и фильтрации методом электростатического осаждения.
Изобретение может быть использовано для обеззараживания и очистки воздуха в системах приточно-вытяжной вентиляции «биологически чистых» помещений в медицине, фармацевтической, микробиологической, пищевой промышленности и других областях, где необходимо обеспечить инфекционную и санитарно-эпидемиологическую безопасность воздуха. Кроме того, изобретение может быть использовано для обеззараживания воздуха в транспортных средствах, включая пассажирские перевозки наземным автомобильным и железнодорожным транспортом, авиационные перевозки, космические пилотируемые летающие аппараты, водный надводный и подводный транспорт и др., а также в средствах индивидуальной защиты (биозащитных и противоаэрозольных масках и др.), автономных рециркуляционных установках и другом оборудовании.
Известно устройство для стерилизации и тонкой фильтрации газа по патенту RU 2026751, реализующее способ инактивации микроорганизмов, согласно которому для инактивации микроорганизмов в воздушном потоке необходимо сначала зарядить их ионами одного или разных знаков, после чего задержать микроорганизмы на электростатическом фильтре, где они со временем инактивируются. Для повышения стерилизующего эффекта в устройствах могут использоваться два ионизатора различной полярности.
Однако в подобных устройствах инактивация микроорганизмов осуществляется только после их задержки на электростатическом фильтре, что нежелательно, так как в процессе работы происходит постоянное накопление живых микроорганизмов и увеличиваются риски их «залпового» выброса из установки в помещение.
Кроме того, для осуществления инактивации микроорганизмов необходимо создавать внутри такого устройства высокие концентрации ионов, что всегда сопровождается выделением значительного количества озона и окислов азота. Попадание этих газов в больших концентрациях в воздух опасно для человека и животных. При этом эффективность инактивации микроорганизмов зависит от концентрации ионов и озона внутри установки, что ограничивает надежность работы таких устройств.
Известно устройство для инактивации и тонкой фильтрации вирусов и микроорганизмов в воздушном потоке по патенту RU 2344882, содержащее высоковольтный источник питания и расположенные последовательно по ходу потока средство предварительной обработки воздушного потока, образованное из разноименно заряженных токопроводящих фильтрующих элементов, между которыми установлена пластина из диэлектрического высокопористого проницаемого материала, двухсекционную камеру инактивации, каждая секция которой выполнена в виде соосно расположенных игольчатого коронирующего и цилиндрического некоронирующего электродов, каждый из которых электрически связан с соответствующей пластиной из токопроводящего фильтрующего материала, и осадитель, выполненный из расположенных параллельно друг другу разноименно заряженных пластин из высокопористого проницаемого токопроводящего материала, между которыми расположены пластины из высокопористого проницаемого диэлектрического материала. При этом по меньшей мере первый по ходу потока токопроводящий фильтрующий элемент средства предварительной обработки выполнен в виде цилиндрического электрода с основанием в виде пластины из токопроводящего пористого проницаемого материала, прилегающей к пластине из диэлектрического высокопористого проницаемого материала, и пластины из токопроводящего высокопористого материала, расположенной на расстоянии от свободного торца цилиндрического электрода, к которой примыкает электрически связанный с ней игольчатый электрод, расположенный соосно цилиндрическому электроду и направленный острием в сторону диэлектрической пластины, при этом цилиндрический и игольчатый электроды подключены к противоположным полюсам источника питания. В устройстве используются пористые проницаемые электроды, имеющие объемную структуру, например структуру открытоячеистого объемного материала (пенометалла).
При работе этого устройства в коронирующих узлах устройства создается необходимая концентрация ионов соответствующих знаков. В средстве предварительной обработки происходит зарядка биоаэрозолей и осуществляется воздействие на них электрическими полями разной напряженности и градиента. На острие игольчатых коронирующих электродов осуществляется воздействие на микроорганизмы «холодной плазмой».
В данном устройстве сначала осуществляется грубая фильтрация воздуха от крупных частиц. Затем микроорганизмы и вирусы заряжаются ионами одного знака, потом ионами противоположного знака.
После средства предварительной обработки воздушный поток поступает в двухсекционную камеру инактивации, снабженную двумя однополярными или разнополярными коронирующими электродами.
В двухсекционной камере инактивации происходит многократная перезарядка биоаэрозоля под действием ионов, электрического контакта с электродами разного знака и поверхностью поляризованного диэлектрического фильтрующего материала. После прохождения через камеру инактивации имеющиеся в воздушном потоке микроорганизмы и вирусы будут находиться в инактивированном состоянии.
После прохождения камер инактивации частицы, получившие достаточный для осаждения заряд, задерживаются в электростатическом осадителе.
Известное устройство и реализуемый им способ обеззараживания воздуха позволяют устранить недостатки, присущие описанному выше устройству по патенту RU 2026751, однако при этом для осуществления процесса инактивации микроорганизмов и вирусов необходимо одновременно выполнить много условий: создать одновременно высокую концентрацию ионов одного или разных знаков, озона, напряженность постоянных электрических полей, осуществить поляризацию диэлектрика. Осуществить их одновременно и обеспечить высокую эффективность инактивации микроорганизмов в установке технически сложно, так как каждый из этих факторов будет влиять на результат обработки. Эффективность инактивации микроорганизмов в таких установках будет зависеть от концентрации ионов и озона внутри установки, свойств материала диэлектрика, напряженностей электрических полей между электродами и других характеристик. Это существенно влияет на надежность работы устройства. Кроме того, для разложения выделяющегося внутри таких установок озона необходимо использовать катализаторы, требующие постоянного контроля эффективности их работы, что ограничивает возможность безопасного использования таких устройств в помещениях с людьми и требует дополнительных мер по обеспечению безопасности эксплуатации.
Основной задачей изобретения является повышение эффективности обеззараживания воздуха путем использования для инактивации микроорганизмов метода быстрой электропорации клетки микроорганизма в постоянных электрических полях с последующей фильтрацией инактивированных микроорганизмов и аэрозольных частиц на электростатическом осадителе.
Дополнительными задачами настоящего изобретения являются уменьшение выделения озона и других вредных веществ в процессе обеззараживания воздуха, а также повышение надежности работы устройства.
Указанные задачи решаются в способе обеззараживания воздуха, включающем в себя этапы, на которых создают поток подлежащего обеззараживанию воздуха; воздействуют на указанный поток расположенными последовательно по потоку постоянными электрическими полями, чередующимися по направлению вектора напряженности и создаваемыми поперечно расположенными проницаемыми для воздушного потока электродами; и фильтруют обработанный поток воздуха посредством электростатического фильтра. Согласно изобретению на поверхности электродов имеются концентраторы электрического поля в виде выступов, диаметр основания которых не превышает 30 мкм, а напряженность каждого из чередующихся постоянных электрических полей между соответствующими электродами выбирают из условия осуществления электропорации клеток микроорганизмов или их инактивации.
В результате воздействия на клетку микроорганизма постоянных электрических полей, направленных в разные стороны, и высокой локальной их напряженности вблизи концентраторов электрического поля происходит многократное изменение величин и знаков электрических потенциалов на поверхности и внутри клетки, в результате чего происходят изменения в структуре клетки, ее электрических и механических свойств, электропорация клеток микроорганизмов (образование пор в мембране клетки) и последующая дезинтеграция (разрушение) их структуры.
Предпочтительно, чтобы напряженность каждого из чередующихся постоянных электрических полей между соответствующими электродами составляла не менее 2 кВ/см.
При этом выступы желательно выполнять наноразмерными с диаметром основания не более 100 нм.
Проницаемые для воздушного потока электроды выполняют в виде пластин из пористых электропроводных материалов или из электропроводных объемных волокнистых пористых структур.
Предпочтительно между электродами устанавливают диэлектрические высокопористые пластины, на поверхности которых также могут быть выполнены наноразмерные выступы.
Скорость потока воздуха выбирают так, чтобы время воздействия каждого из чередующихся постоянных электрических полей на частицу, движущуюся в потоке подлежащего обеззараживанию воздуха, составляло не менее 0,05 секунды.
Предпочтительно по ходу воздушного потока дополнительно организуют несколько зон с повышенной концентрацией ионов.
Наличие зон с повышенной концентрацией ионов позволяет зарядить аэрозольные частицы положительными и/или отрицательными ионами, что усиливает эффект осаждения этих частиц.
Зоны с повышенной концентрацией ионов предпочтительно организуют за счет создания коронного разряда.
При этом в части указанных зон могут создавать повышенные концентрации ионов одного знака, а в остальных зонах - другого знака.
Кроме того, зоны с повышенной концентрацией ионов могут располагать по потоку перед воздействием на поток воздуха постоянными электрическими полями и/или между электродами, создающими эти поля.
Указанные выше задачи решаются также в устройстве для обеззараживания потока воздуха, содержащем установленные последовательно по ходу потока электроды в виде проницаемых для воздушного потока токопроводящих пластин, расположенных поперек потока, и высоковольтный источник питания, соединенный с электродами так, чтобы электроды имели чередующуюся полярность. Согласно изобретению электроды имеют на своей поверхности концентраторы электрического поля в виде выступов, диаметр основания которых не превышает 30 мкм.
Концентраторы электрического поля на электродах обеспечивают появление локальных зон высокой напряженности, при этом чередование этих локальных зон, зон низкой напряженности и зон отсутствия напряженности постоянных электрических полей при изменении направления и величины напряженности этих полей приводят к быстрой электропорации клетки микроорганизма и дезинтеграции ее структуры.
Предпочтительно, чтобы выступы были выполнены наноразмерными с диаметром основания не более 100 нм.
Проницаемые для воздушного потока токопроводящие пластины могут быть выполнены из пористых электропроводных материалов или из электропроводных объемных волокнистых пористых структур.
Между электродами могут быть дополнительно установлены диэлектрические высокопористые пластины, которые могут также иметь на своей поверхности наноразмерные выступы.
Между электродами может быть образована по меньшей мере одна зона с повышенной концентрацией ионов.
Если между электродами образованы несколько зон с повышенной концентрацией ионов, то в части указанных зон ионы повышенной концентрации имеют один знак, а в остальных зонах - другой знак.
Предпочтительно зоны с повышенной концентрацией ионов одного знака чередуют с зонами повышенной концентрацией ионов другого знака.
Кроме того, перед первым по ходу потока воздуха электродом образована по меньшей мере одна зона с повышенной концентрацией ионов. Если таких зон несколько, то желательно, чтобы ионы в этих зонах имели один знак.
Все указанные выше зоны с повышенной концентрацией ионов могут быть выполнены в виде соосно расположенных игольчатого коронирующего и цилиндрического некоронирующего электродов.
Предпочтительно по меньшей мере одна зона с повышенной концентрацией ионов ограничена на входе высокопористым проницаемым электродом, полярность которого совпадает с полярностью ближайшего к нему электрода, при этом на выходе указанная зона также может быть ограничена высокопористым проницаемым электродом, полярность которого совпадает с полярностью ближайшего к нему электрода.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематически изображено устройство для обеззараживания воздуха согласно изобретению, вид в разрезе;
на фиг.2 - то же, но с диэлектрическими высокопористыми пластинами между электродами;
на фиг.3 - то же, что на фиг.2, но с образованными между электродами зонами с повышенной концентрацией ионов;
на фиг.4 - то же, что на фиг.3, но с зоной с повышенной концентрацией ионов, образованной перед первым по ходу потока воздуха электродом;
на фиг.5 - то же, что на фиг.4, но с высокопористым проницаемым электродом на входе в зону с повышенной концентрацией ионов, образованную перед первым по ходу потока воздуха электродом;
на фиг.6 - то же, что на фиг.5, но с высокопористым проницаемым электродом на выходе из зоны с повышенной концентрацией ионов, образованной перед первым по ходу потока воздуха электродом;
на фиг.7 - схема изменения напряженности электрического поля вблизи наноразмерного выступа на электроде;
на фиг.8 изображен вариант выполнения коронирующего игольчатого электрода, вид в разрезе.
Осуществление способа согласно изобретению поясняется на примере работы устройства, схематично изображенного на фигурах.
На фиг.1 показан простейший вариант выполнения устройства, реализующего способ согласно изобретению.
Это устройство содержит установленные последовательно по ходу потока А воздуха электроды 1 в виде проницаемых для воздушного потока токопроводящих пластин, расположенных поперек потока, и высоковольтный источник 2 питания, соединенный с электродами 1 так, чтобы электроды 1 имели чередующуюся полярность. Пластины, из которых образованы электроды 1, могут быть выполнены из различных материалов: проницаемых пенометаллов, электропроводных пористых порошковых материалов, объемных волокнистых пористых структур и т.п., необходимо только обеспечить средний размер пор в пластинах таких электродов не более 6 мм. При этом на поверхности электродов 1 выполнены концентраторы электрического поля в виде выступов 3 (фиг.7), диаметр основания которых не превышает 30 мкм. Предпочтительно выступы 3 выполнены наноразмерными с диаметром основания не более 100 нм. Наноразмерные выступы 3 на поверхности электрода 1 могут быть получены, например, методами порошковой металлургии. Источник 2 питания выбран из условия создания между смежными электродами 1 электрического поля напряженностью не менее 2 кВ/см. В этом случае вблизи наноразмерных выступов 3, диаметр которых не превышает указанную выше величину, напряженность электрического поля достигает 100 и более кВ/см, что, как показали проведенные исследования, приводит к электрическому пробою мембраны микробной клетки. Для создания необходимой разности потенциалов между электродами и обеспечения надежности и стабильности работы устройства высоковольтный источник питания должен обеспечивать стабилизацию по напряжению или по току.
При работе устройства воздушный поток, содержащий микроорганизмы и аэрозольные частицы, пропускается через систему высокопористых электродов 1, имеющих на своей поверхности концентраторы электрического поля в виде выступов 3. Вблизи поверхности этих электродов за счет наличия выступов 3 создаются локальные электрические поля высокой напряженности, превышающей 100 кВ/см.
Прохождение микроорганизмов через многократно чередующиеся по направлению и величине напряженности электрические поля приводит к многократному изменению величин и знаков электрических потенциалов на поверхности и внутри клетки, вследствие чего происходят изменения структуры клетки, ее электрических и механических свойств. В результате многократной деполяризации клетки происходит образование в ее мембране пор (электропорация) и дезинтеграция (разрушение) ее структуры. Инактивация микроорганизмов путем разрушения их структуры исключает возможность их приспособления к такому воздействию, мутаций или последующего восстановления («оживления»), т.е. осуществляется необратимая инактивация микроорганизма. Количество электродов 1 с выступами 3 и количество изменений направления действия постоянных электрических полей определяется исходя из заданной величины скорости обработки воздушного потока и параметров обрабатываемого воздуха. Время, необходимое для инактивации любого вида микроорганизма, может составлять около 0,5 секунды. Инактивированные микроорганизмы и аэрозольные частицы задерживаются электростатическим фильтром (не показан). Между электродами 1 могут устанавливаться диэлектрические высокопористые пластины 4 (фиг.2), предотвращающие электрический пробой между электродами 1 при изменении параметров воздушной или газовой среды (влажности, запыленности, температуры и др.), выравнивающие скорость воздушного потока в поперечном сечении устройства и задерживающие на своей поверхности аэрозольные частицы.
Для повышения эффективности работы устройства в условиях высокой влажности воздуха устройство может дополнительно оснащаться одной или несколькими камерами 5 ионизации (фиг.3), создающими зоны с повышенной концентрацией ионов. Электрические параметры камер ионизации выбираются таким образом, чтобы выделение озона и окислов азота не превышали их нормируемых значений. Камера 5 ионизации может быть выполнена в виде соосно расположенных игольчатого коронирующего электрода 6 и цилиндрического некоронирующего электрода 7. В частности, коронирующий игольчатый электрод представляет собой, например, проволоку 8 (фиг.8), установленную в металлической трубке 9 коаксиально ей и выступающую из нее на величину, достаточную для образования электрической короны. На фиг.3 показаны три камеры 5 ионизации, причем в первой и последней по потоку камерах коронирующий электрод соединен с одним полюсом источника 2 питания, а в средней камере - с другим, так что зоны с повышенной концентрацией ионов одного знака чередуются с зонами с повышенной концентрацией ионов другого знака. Тем не менее, при наличии в устройстве нескольких камер ионизации эти камеры могут располагаться и произвольно, без обязательного чередования зон с повышенной концентрацией ионов разных знаков (не показано). Например, для эффективной фильтрации без увеличения выделения озона камеры ионизации могут генерировать ионы одного знака.
Для создания наилучших условий работы устройства, содержащего камеры ионизации, источник питания выполнен так, что на электроды 1 подается стабилизированное по величине напряжение, а на электроды камер ионизации - стабилизированный по величине ток.
Для увеличения интенсивности воздействия на аэрозольные частицы, повышения стабильности работы устройства при повышенной влажности и запыленности воздуха эти частицы желательно предварительно заряжать положительными и/или отрицательными ионами. С этой целью перед первым по ходу потока A воздуха электродом 1 образована по меньшей мере одна зона с повышенной концентрацией ионов (фиг.4) в виде камеры 10 ионизации, аналогичной любой из камер 5 ионизации, расположенной между электродами 1.
Камера 10 ионизации может быть ограничена на входе высокопористым проницаемым электродом 11 (фиг.5), полярность которого совпадает с полярностью ближайшего к нему электрода 1. На выходе из камеры 10 ионизации также может быть расположен высокопористый проницаемый электрод 12 (фиг.6), полярность которого совпадает с полярностью ближайшего к нему электрода 1.
Ограничение камеры 10 ионизации на входе и/или на выходе высокопористыми проницаемыми электродами 11 и/или 12 способствует улучшению условий зарядки аэрозолей внутри камеры и упрощает осуществление многократной перезарядки биоаэрозоля при прохождении через установку.
Для повышения величины предварительного заряда аэрозольных частиц положительными и/или отрицательными ионами камер 10 ионизации, расположенных перед первым по ходу потока воздуха электродом, может быть несколько (не показано).
Контроль эффективности обеззараживания воздуха может осуществляться путем контроля электрических параметров работы элементов устройства (токов, напряжений и др.).
В результате использования изобретения обеспечивается быстрая, эффективная, надежная очистка воздуха от любых видов микроорганизмов и вирусов, а также от аэрозольных частиц размером от 0,08 мкм. При этом обеспечивается также и повышенная гигиеническая безопасность из-за осуществления инактивации микроорганизмов до стадии фильтрации, а также из-за отсутствия опасных концентраций озона и других вредных веществ.
При необходимости осуществлять очистку воздуха от вредных и неприятно пахнущих веществ одна или несколько пластин высокопористых электродов или пластин высокопористого диэлектрика могут иметь адсорбционно-каталитическое покрытие.
При необходимости увеличения эффективности фильтрации аэрозольных частиц между электродами устройства может устанавливаться дополнительно фильтрующий материал или высокоэффективный фильтр.