УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕЗИНФЕКЦИИ
DISINFECTION DEVICE

Изобретение относится к области медицины, а именно к дезинфектологии и санитарии, и предназначено для обеззараживания и стерилизации рук или поверхностей.
Известно, что вода при обработке низкотемпературной плазмой приобретает дезинфицирующие свойства [Rohit Thirumdasa, Anjinelyulu Kothakotab, Uday Annapurec, Plasma activated water (PAW): Chemistry, physico-chemical properties, applications in food and agriculture | DOI: 10.1016/j.tifs.2018.05.007]. Серьезным недостатком существующих методов и устройств обработки водных растворов низкотемпературной плазмой является длительное время экспозиции, доходящее до нескольких часов на мл. Дезинфицирующие свойства воды обработанной плазмой, по-видимому, связаны с образованием в разряде ОН радикалов, которые в свою очередь вступают в реакцию с азотом воздуха и образуют долгоживущие радикалы. Длительное время экспозиции связано с небольшим сечением реакции по диссоциации молекулы воды свободными электронами и высочайшей химической реактивностью ОН радикалов.
Также известен способ и устройство существенного повышения дезинфицирующих свойств перекиси водорода в плазменном разряде (US 5785934 A, 28.07.1998). Энергия, необходимая электрону диссоциации молекулы перекиси водорода существенно ниже воды - 0,6 эВ против 8,8 эВ. Однако для достижения требуемого эффекта требуются высокие концентрации перекиси водорода около 8%, что значительно ограничивает применение данного метода.
В патенте US 7008592 B2, 07.03.2006 (прибор SteraMist www.tomimist.com) описывается система активации жидкости, где исходными веществами являются перекись водорода, перуксусная кислота, перкарбонат натрия и глутаровый альдегид. В обоих патентах делается акцент стерилизацию при помощи ОН радикалов.
Представленное изобретение предлагает новых подход по обработке водного раствора низкотемпературной плазмой, существенно ускоряя реакции по образованию долгоживущих азотных соединений.
Задачей изобретения является расширение арсенала технических средств.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение эффективности процесса выработки дезинфицирующего агента.
Технический результат достигается за счет того, что устройство для дезинфекции включает бак с рабочим раствором, насос с подключенным к нему эжектором, соединенным с разрядной камерой, при этом насос с эжектором образуют циркуляционный контур для многократной активации рабочего раствора влажным воздухом, обработанным плазмой, а разрядная камера представляет собой камеру с коаксиальными проводящими цилиндрами, подключенными к высоковольтному источнику переменного напряжения и разделенными барьером из диэлектрика, либо с параллельными трубками из диэлектрика, внутри которых находятся проводящие стержни, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения, либо с параллельными проводящими пластинами, подключенными к высоковольтному источнику переменного напряжения, разделенными слоем диэлектрика, либо с трубкой из диэлектрика, снаружи которой находится проводящий цилиндр, а внутри проводящая спираль, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения, либо с двумя электродами, подключенными к высоковольтному переменному источнику, помещенными внутрь диэлектрической оболочки.
Заявленное изобретение поясняется чертежами.
Фиг. 1 - схема устройства для дезинфекции.
Фиг. 2 - схема варианта разрядной камеры с коаксиальными проводящими цилиндрами, подключенными к высоковольтному источнику переменного напряжения и разделенные барьером из диэлектрика.
Фиг. 3 - схема варианта разрядной камеры с параллельными трубками из диэлектрика, внутри которых находятся проводящие стержни, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения.
Фиг. 4 - схема варианта разрядной камеры с параллельными проводящими пластинами, подключенными к высоковольтному источнику переменного напряжения, разделенные слоем диэлектрика.
Фиг. 5 - схема варианта разрядной камеры с трубкой из диэлектрика, снаружи которой находится проводящий цилиндр, а внутри проводящая спираль, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения.
Фиг. 6 - схема варианта разрядной камеры с двумя электродами, подключенными к высоковольтному переменному источнику, помещенными внутрь диэлектрической оболочки.
Устройство для дезинфекции содержит:
1 - бак;
2 - насос;
3 - эжектор;
4 - первая разрядная камера;
5 - ультразвуковой испаритель или форсунка с насосом;
6 - вторая разрядная камеры;
7 - коаксиальные проводящие цилиндры;
8 - диэлектрический барьер;
9 - трубки из диэлектрика;
10 - проводящие стержни;
11 - проводящие пластины;
12 - слои диэлектрика;
13 - трубка из диэлектрика;
14 - проводящий цилиндр;
15 - проводящая спираль;
16 - электроды;
17 - диэлектрическая оболочка.
Устройство (Фиг. 1) состоит из бака 1 с рабочим раствором, насоса 2, эжектора 3 и первой разрядной камеры 4, ультразвукового испарителя или форсунки с насосом 5, второй разрядной камеры 6. В качестве рабочего раствора используют воду или слабый раствор перекиси водорода (~0,3-0,5%). Рабочий раствор из бака 1 подается с помощью насоса 2 в циркуляционный контур. К контуру подключен эжектор 3, соединенный с разрядной камерой 4. Эжектор создает разницу давлений, тем самым обеспечивает всос влажного воздуха в разрядную камеру. Влажный воздух проходит через разрядную камеру 4 и смешивается с циркулирующей водой.
Возможны следующие варианты конструкции разрядной камеры 4:
- коаксиальная - коаксиальные проводящие цилиндры, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения разделены барьером из диэлектрика (Фиг. 2);
- цилиндрическая - параллельные трубки из диэлектрика внутри которых находятся проводящие стержни, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения (Фиг. 3);
- плоскопараллельная - параллельные проводящие пластины, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения разделены слоем диэлектрика (Фиг. 4).
- спиральная - трубка из диэлектрика, снаружи которой находится проводящий цилиндр, а внутри проводящая спираль, подключенные к высоковольтному источнику переменного напряжения (Фиг. 5).
- осевая - два электрода, подключены к высоковольтному переменному источнику, помещены внутрь диэлектрической оболочки (Фиг. 6).
Заявленный технический результат достигается во всех вариантах выполнения разрядной камеры 4.
Внутри бака 1 влажность воздуха достигает до 90-95%, высокая влажность воздуха в баке является критичным параметром работы прибора.
Вода в процессе работы прибора многократно проходит через циркуляционный контур насос - эжектор 3, насыщаясь активными частицами влажного воздуха, обработанного плазмой.
Вода активируется в устройстве в течение нескольких минут и в дальнейшем может быть использована в качестве дезинфицирующего средства.
Одним из способов значительного повышения дезинфицирующих свойств полученного раствора, является его повторная обработка плазменным разрядом непосредственно на выходе из прибора во второй разрядной камере 6. Активированная вода испаряется с помощью ультразвукового увлажнителя или подается в распылительную форсунку 5. Полученный холодный туман или мелкодисперсные капли воды попадают в разрядную камеру 6 аналогичную Фиг. 2-4, расположенную непосредственно на выходе из реактора и повторно обрабатываются холодной плазмой.
Детальное объяснение плазмохимических процессов превращения воды в дезинфицирующий агент приведено далее.
Импульсное напряжение, подаваемое на электроды, разделенные диэлектрическим барьером, формирует электронную лавину с образованием большого числа разрядных каналов (стримеров). Свободные накапливаются на поверхности диэлектрика и индуцируют поле, направленное против поля от электродов и через некоторое время, останавливают лавину. Затем после смены полярности напряжения на электродах накопленный заряд снова индуцирует лавину и процесс образования лавин повторяется. В результате, барьерный диэлектрический разряд представляет собой множество микростримеров, заполняющих весь разрядный промежуток.
Свободные электроны лавин имеют энергию около 1-8 эВ и в воздухе инициируют цепь химических реакций, в результате которой образуются активные формы азота и кислорода
2
N+e→2N+e
2
O+e→2O+e
2
3
O+O+M→O+e
2
N+O→NO+O
3
2
NO+О→NO+О
2
2
NO+N→NO+O
2
-
Также было показано появление в плазменном разряде супероксида O, механизм образования плазмы в котором пока полностью не изучен [Julie Chauvin, Florian   Mohammed Yousfi, Patricia Vicendo & Nofel Merbahi, Analysis of reactive oxygen and nitrogen species generated in three liquid media by low temperature helium plasma jet, Scientific Reports | 7: 4562 | DOI:10.1038/s41598-017-04650-4].
Хорошо известны бактерицидное действие барьерного диэлектрического разряда, которое, по-видимому, связано с индицированием оксидного стресса у бактерий и эукариотических клеток [David В. Graves, Mechanisms of Plasma Therapeutics, GEC-68/ICRP-9/SPP-33]. Особую роль при взаимодействии плазмы с биологическими объектами играют оксиды азота, накопление которых защищает эукариотические клетки от реактивных форм кислорода и усиливает их эффект на прокариоты [Wink, D.A. Nitric oxide protects against cellular damage and cytotoxicityfromreactiveoxygenspecies / D.A. Winkj I. Hanbauer, M.C. Krishnaetal. // ProcNatlAcadSciUSA. - 1993. - Vol. 90. - P. 9813-9817].
В присутствии паров воды в плазменном разряде происходит синтез небольшого количества азотной кислоты
2
3
3
2
NO+O→NO+O
2
2
3
NO+NO→NO
2
3
2
5
NO+NO+M→NO+M
2
5
2
3
NO+HO→2HNO
2
3
2
2
NO+HO→2HNO
Вышеперечисленные реакции возможны только в присутствии воздуха, поэтому в плазменных реакторах прямого действия синтез идет только в небольшом объеме непосредственно у поверхности воды.
Известно также, что при взаимодействии холодной плазмы с водой идет активное образование перекиси водорода [Iulia-Elena Vlad Time stability of water activated by different on-liquid atmospheric pressure plasmas / Iulia-Elena Vlad, Sorin Dan Anghel // Journal of Electrostatics 87 (2017) 284-292 | https://doi.org/10.1016/j.elstat.2017.06.002].
Наиболее химически реактивными частицами, возникающими в газовом разряде в парах воды, являются ОН радикалы.
OH радикалы ускоряют образование оксида азота
N+OH→NO+H
2+
2
2
N+O→NO+O
2
-
А также участвуют в формировании анион NO
2
2
2
2
-
•
•
•
HO+NO→NO+HO
Таким образом, холодная плазма в воздушной среде с присутствием паров воздуха и воды делает возможным одновременно появление молекул.
2
2
2
2
2
2
2
-
+
-
NO, NO, HNO, H, HO, HO, OH, NO, O
-
Данные молекулы являются ключевыми элементами, необходимыми для синтеза комплекса перексинитрита ONOO и переуксусной кислоты ONOOH.
2
2
2
2
HNO+HO→ONOOH+HO
2
2
2
2
-
-
NO+HO→ONOO+HO
2
-
-
NO+O→ONOO
2
-
-
NO+O→ONOO
•
2
OH+NO↔ONOOH
-
+
ONOO+H↔ONOOH
-
-7
-9
ONOO/ONOOH являются сильнейшими окислителями и мощным биологическим агентом, способным проникать внутрь и уничтожать микроорганизмы. [Maria SS1, Lee J, Groves JT, Peroxynitrite rapidly permeates phospholipid membrane, Proc Natl Acad Sci USA. 1997 Dec 23; 94(26):14243-8]. Время жизни переуксусной кислоты составляет многократно выше свободных радикалов OH ~10-10 с и таким образом комплекс ONOO-/ONOOH, поэтому в представленном изобретении именно азотные соединения ONOO-/ONOOH, NO, NO2 играют ключевую роль в эффекте стерилизации.
Таким образом, возникновение долгоживущих азотистых окислителей, необходимых для дезинфицирующего эффекта, происходит благодаря появлению в холодной плазме ОН радикалов. Возникновение большого числа ОН радикалов - ключевой фактор в эффективности представленного изобретения, поэтому рассмотрим его детально. Тем не менее сами ОН радикалы не играют существенной роли в стерилизации из-за короткого времени жизни.
Описаны два пути возникновения ОН радикалов
Реакция диссоциативного прилипания:
2
e+HO→H+OH
1
Реакция воды с атомом кислорода D:
1
O+e→O(D)+e
3
2
1
O+hν→O+O(D)
1
2
O(D)+HO→OH+OH
Вышеперечисленные реакции требуют высоких энергий свободных электронов и имеют низкое сечение. В связи этим необходимо обеспечивать с одной стороны длительное время контакта паров воды с плазменным разрядом в воздушной среде, а с другой стороны необходимо поддерживать высокое напряженность электрического поля для ускорения свободных электронов плазмы до нужных энергий. Трудность, однако, состоит в том, что присутствие воды значительно снижает энергию свободных электронов за счет неупругих столкновений.
В представленном изобретении проблема решается следующими образом:
1. В разрядную камеру подается не сама вода, а влажный воздух. Таким образом, обеспечивается относительно низкое содержание паров воды, что препятствует потерям энергии электронов.
2. Использование барьерного разряда, при котором достигаются высокая напряженность электромагнитного поля и как следствие высокая энергия свободных электронов.
1
3. Высокое содержание молекул озона в барьерном разряде для фотолиза с образованием возбужденного монокислорода O(D).
4. Многократная, до 30-60 раз в минуту, активация воды обработанным плазмой влажным воздухом в циркуляционном контуре.
5. Дополнительная обработка воды в виде тумана или мелкодисперсных капель плазмой непосредственно на выходе из бака перед обработкой
Как уже было сказано, при обработке воды холодной плазмой происходит синтез перекиси водорода, которой требуются значительно меньшие энергии электронов для диссоциации. Поэтому при обработке полученного раствора непосредственно на выходе из реактора происходит значительное усиление дезинфицирующих свойств раствора за счет разложения перекиси на OH радикалы.
Добавление небольшого количества перекиси водорода (~0,3-0,5%) в исходный раствор повышает эффективность прибора.
Таким образом, существенные отличия заявленного изобретения состоят в том, что
a. активными частицами являются долгоживущие радикалы азота и кислорода, а не ОН радикалы;
b. основную роль играют именно пары воды, а перекись водорода лишь сопутствующий и необязательный элемент для усиления эффекта.
Использование именно барьерного разряда для активации паров является наиболее безопасным, так как работает без открытых электродов, наиболее высокую плотность свободных электронов. Кроме этого большое количества озона барьерного разряда при взаимодействии с водой и ускоряет образование активных частиц азота и кислорода.